微加工技术的进步推动了高性能电容式微机械超声换能器（CMUT）和压电式微机械超声换能器（PMUT）的发展。CMUT基于电容驱动和传感机制，而PMUT利用压电机制进行换能。与PMUT相比，CMUT是一项研究比较成熟的技术，市场上已有使用CMUT的商业医疗设备。然而CMUT的工作需要较高的直流偏置电压（范围在70-140 V之间），这限制了CMUT的应用。
PMUT能够在无直流偏置电压的情况下工作，这使其对电压和功率受限的医疗应用（例如可穿戴设备、植入式设备等）具有吸引力。这与压电薄膜的最新进展一起，使得PMUT技术在过去十年中得到了快速发展。锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN）是PMUT最常用的两种压电材料。由于压电系数大，PZT PMUT具有非常好的发射性能。另一方面，PZT的介电常数大，导致其接收灵敏度较差。此外，PZT需要较高的加工温度，并且与CMOS工艺不兼容。由于介电常数低，基于AlN的PMUT具有更好的接收性能。AlN PMUT也与CMOS兼容。然而，AlN的压电系数较低，因此发射性能较差。研究表明，在不影响接收性能和CMOS兼容性的情况下，钪（Sc）的掺杂可以提高AlN的压电系数。ScAlN是一种相对较新的压电材料，ScAlN PMUT的潜力尚未得到充分挖掘。
据麦姆斯咨询报道，近日，芬兰国家技术研究中心（VTT）的研究人员组成的团队在Journal of Microelectromechanical Systems期刊上发表了题为“Development of ScAlN PMUTs for Medical Applications”的论文，开发了一种医疗应用的超声波可穿戴贴片的ScAlN PMUT，介绍了这种PMUT的设计、制造和表征。研究人员采用钪（20% Sc/(Sc + Al)）掺杂的AlN作为压电材料，开发了具有图案化压电层的PMUT制造工艺，制造了PMUT的单元和线性阵列，并进行了电学、力学和声学表征。压电图案化提高了PMUT的性能。制造出的PMUT显示出出色的芯片和晶圆级一致性和良率。在谐振频率为5.7 MHz时，ScAlN PMUT阵列的发射灵敏度为13 kPa/V，接收灵敏度为1.1 V/MPa。良好的发送-接收特性以及无偏置电压工作的能力使ScAlN PMUT非常适合电压受限的医疗应用。
设计
水耦合PMUT单元的三维（3D）横截面视图如图1所示。该薄膜由硅（Si）结构层、作为压电材料的20%钪（Sc）掺杂的AlN、作为上下电极的钼（Mo）组成。硅结构层下的空腔处于真空状态。所提出的PMUT设计不同于传统的水耦合PMUT，因为它涉及压电材料的图案化。具体来说，在该设计中，电极区域外部的压电层被图案化。
图1 ScAlN PMUT的示意图
压电图案化PMUT结构有以下几个优点：首先，对压电层进行图案化可降低薄膜蚀刻区域的刚度，从而提高位移灵敏度并改善PMUT的发射和接收性能；其次，对压电层进行图案化还可以释放应力并减少压电应力变化对薄膜的影响。因此，压电层图案化有望提高所提出的水耦合PMUT中的芯片和晶圆级一致性；最后，由于ScAlN的热膨胀系数较高，压电层图案化提高了PMUT的热稳定性，尽管这对于水耦合PMUT来说并不重要。
PMUT线性阵列的设计如图2所示。根据空腔型绝缘体上硅（CSOI）的设计规则，腔体边缘之间的最小死区（dead space）必须至少为20 µm。因此，X和Y方向上单元之间的间距均设置为110 µm（直径+死区）。行的之字形排列有助于在PMUT之间实现高于20 µm的死区，并有望减少行之间的串扰。
图2 PMUT线性阵列的设计（栗色为图案化压电层、橙色为图案化顶部电极）
制造
PMUT是在Okmetic公司提供的6英寸CSOI多工艺晶圆上制造的。PMUT薄膜的空腔和器件/结构层通过键合形成CSOI结构，如图3所示。
图3 ScAlN PMUT制造工艺流程示意图
图4 制造出的PMUT阵列的光学显微镜图像
PMUT采用简单的4掩膜工艺制造。图4显示了已制造好的部分PMUT阵列的光学显微镜图像。PMUT薄膜横截面的扫描电镜（SEM）图像如图5所示。PMUT器件的底部电极（Ti/Mo: 150 nm）和顶部电极（Mo: 200 nm）之间夹有875 nm厚度的ScAlN压电层。
图5 ScAlN PMUT横截面的SEM图像
表征
研究人员对单个PMUT阵列中的所有96个元件（每行22个单元构成1个元件）和晶圆上的15个不同阵列进行了电学表征。超过96%的被测量行都能正常工作。不同晶圆位置的PMUT的平均谐振频率如图6所示。位于中心处的PMUT阵列的谐振频率略高于边缘处的PMUT。这种变化是由于Si器件层厚度的变化造成的。阵列内的频率变化和晶圆上的平均频率变化分别为3%和6%。正如预期的那样，压电图案化水耦合PMUT表现出非常好的晶圆和芯片级一致性。
图6 PMUT在多工艺6英寸晶圆上的平均谐振频率
PMUT线性阵列的发射和接收性能是使用Onda的AIMS III声学表征装置测量的。为了测量其发射性能，将PMUT线性阵列（连同PCB）浸入装有去离子水的扫描槽中。PMUT线性阵列中的42个元件通过将其连接到信号发生器进行激励。直径为400 µm的水听器（Onda的HGL-0400）被用于测量PMUT阵列产生的声压。为了测量其接收性能，ScAlN PMUT与发射器保持80 mm的距离。VTT的其中一个AlN PMUT阵列被用作发射器。在谐振频率为5.7 MHz时，ScAlN PMUT阵列的发射灵敏度为13 kPa/V，接收灵敏度为1.1 V/MPa。
综上所述，本项研究探讨了可用于血压监测贴片的ScAlN PMUT线性阵列的开发。研究人员设计了PMUT单元和线性阵列，并使用仿真模型对其性能进行了初步评估。ScAlN压电层的图案化提高了PMUT的性能。为制造压电图案化ScAlN PMUT，开发了一种简单的4掩模制造工艺。PMUT的电学特性表征结果表明，基于CSOI的ScAlN PMUT制造工艺具有非常好的良率。通过声学表征对线性阵列的性能进行了评估，测量结果与仿真模型获得的结果相当。ScAlN PMUT显示出良好的发射灵敏度、接收灵敏度和宽带宽。与最先进的MUT技术的比较表明，ScAlN PMUT是电压受限的医疗应用的最佳选择。
论文信息：DOI: 10.1109/JMEMS.2023.3296159
