據麥姆斯咨詢報道，近日，加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）電子與計算機工程系的一支研究團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了具有高可靠性的單膜電容式微機械超聲換能器（CMUT）陣列元件的最新論文，該論文中提出的CMUT架構為未來超聲技術的發展與應用奠定了基礎。

圖1 單膜CMUT設計示意圖

CMUT為下一代超聲技術的發展和應用提供了許多潛在優勢，包括與微電子集成的潛力、寬帶寬和出色的接收靈敏度。盡管對CMUT的研究已經超過25年，但長期存在的與介電充電和運行遲滯相關的可靠性和性能挑戰阻礙了其在商業超聲系統中的廣泛應用。盡管人們在這一領域的研究已經取得了許多進展，但是在提高未來超聲成像應用的長期可靠性、機電效率和性能方面仍存在諸多不足。

在大多數CMUT設計中，一層介電層被放置在頂部和底部電極之間（如圖1a所示），以防止其在運行期間發生短路。當電荷由于與器件運行相關的高電場而被捕獲在該層的表面或內部時，就會發生介電充電。這種效應可能導致CMUT器件性能發生改變，甚至是永久性的失效。

當前設計CMUT的范式涉及一組小型薄膜，以電連接在陣列中形成一個元件。這些薄膜振蕩以發射或接收超聲信號。這些單獨的薄膜尺寸需要精心選擇以達到所需的共振頻率，同時陣列需滿足應用整體所需的元件尺寸。然而，這種方法存在一些缺點。由于制造工藝中的不均勻性，這些薄膜可能在不同的電壓下塌陷。為了避免不必要的遲滯和進一步的介電充電，CMUT必須在遠低于平均塌陷電壓的情況下運行，在這種情況下，機電效率和浸沒性能都很差。此外，由于相互間聲耦合效應和瑞利-布洛赫（Rayleigh-Bloch）波，這些小型薄膜可以彼此異相振蕩。這會降低CMUT的整體發射和接收靈敏度，并產生不必要的復雜動力學問題。

為了理解和減輕介電充電效應，人們已經開展了許多研究工作。這些工作包括對薄膜質量、表面粗糙度和沉積配方的研究，以減輕介電充電效應。然而，即使使用最好的薄膜，也不能完全消除介電充電效應。其他研究工作還包括架構改進等。Huang等人利用額外的光刻步驟制造CMUT，以將絕緣介電層圖形化為小型“隔離柱”（圖1b）。然而，這些器件的發射和接收靈敏度比沒有柱結構的傳統CMUT低得多。此外，正如Greenlay所描述的那樣，由于“PostCMUT”沒有連續的介電絕緣層，因此該架構更容易受到間隙內的任何顆粒造成的電短路的影響。

一些研究團隊擴展了這一想法，他們通過使用介電柱或間隔物來減輕介電充電效應，同時對頂部或底部電極進行圖形化，以最小化通過柱結構的電場。這種方法通過減少電荷被捕獲在介電柱內的機會來進一步解決介電充電問題，盡管代價是每個CMUT元件內有源區的減小。

先前的其他研究工作試圖通過避免使用多膜架構來提高CMUT性能。P. Zhang等人研究了由單個矩形薄膜構成的CMUT陣列元件。這些器件以診斷頻率在空氣中顯示出了較好的結果，其介電充電效應相對較小。然而，它們的介電充電和遲滯并沒有完全消除，機電效率也沒有得到充分的表征。為了提高發射輸出性能，人們還提出了其他的架構改進方案，包括帶有襯底嵌入彈簧的活塞式CMUT。這種器件可以使每個元件都有一個單獨的薄膜，但其長期的可靠性尚未被研究。

在該論文中，研究人員設計了由單個長矩形薄膜構成的CMUT陣列元件，旨在提高輸出聲壓和機電效率。他們比較了具有這種架構的三種不同改進方案的CMUT器件性能：傳統的連續介電層CMUT、絕緣隔離柱（IIP）CMUT和絕緣電極柱（EP）CMUT。EP的設計旨在提高性能，同時賦予充電魯棒性和最小化遲滯。為了制造這些CMUT器件，他們開發了一種鍵合率接近100%的晶圓鍵合工藝。EP CMUT元件的機電效率值高達0.95，高于壓電式超聲換能器（PMUT）或以前的CMUT架構的報道值。此外，在1.5-2.0 MHz范圍內，論文中所有研究的CMUT架構的發射效率比已發表的CMUT或PMUT高出2-3倍。EP和IIP CMUT表現出了相當強的充電魯棒性，在500,000次塌陷-回彈驅動循環周期內實現了最小的充電，同時還減輕了遲滯。該論文中提出的方法為未來超聲應用奠定了基礎。

圖2 單膜CMUT制造工藝

圖3 研究人員制造的單膜CMUT

圖4 單膜CMUT的發射測試和成像性能

論文信息：
Dew, E.B., Kashani Ilkhechi, A., Maadi, M. et al. Outperforming piezoelectric ultrasonics with high-reliability single-membrane CMUT array elements. Microsyst Nanoeng 8, 59 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41378-022-00392-0

審核編輯 ：李倩