IEDM2024 | 双间隙CMOS-MEMS CMUT阵列介绍

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引言

电容式微加工超声换能器(CMUT)的发展为超声换能器领域带来重大进展。本文详细介绍一种新型双间隙CMOS-MEMS CMUT阵列，在保持成本效益的同时展现出优异的性能特征[1]。

图1展示了所提出的CMUT芯片结构的横截面视图及详细材料层。图2说明了CMUT阵列的交错设计和几何参数定义。

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结构与设计

双间隙CMUT阵列具有两个不同的传感间隙 - 180纳米(MIM)和400纳米(TiN-C)，采用标准0.18微米CMOS工艺制造。这种创新设计使用不同的牺牲层(CTM和Metal-3)实现不同的间隙距离。阵列由八个单元组成，每个单元包含6x27个MIM和6x27个TiN-C薄膜，呈交错排列。

图2展示了双间隙CMUT阵列的实物照片、显微镜图像和FIB切割图像，包括两种间隙距离的横截面视图。

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制造工艺

制造工艺采用台积电0.18微米1-Poly-6-Metal射频CMOS平台。工艺始于使用食人鱼溶液进行金属槽蚀刻，随后进行反应离子蚀刻以暴露牺牲层。通过去除铝铜合金形成传感间隙，并沉积PECVD氮化硅进行间隙密封。最后步骤包括激光焊盘开口、金属线键合和帕里伦C沉积用于封装。

图3展示了完整的制造工艺流程，从未释放的CMOS芯片到最终的帕里伦C沉积，详细显示每个关键步骤。

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性能评估

器件性能通过多项测试进行评估：

1.机电耦合强度

使用网络分析仪，测量不同直流偏置电压下的谐振频率漂移，以确定机电耦合系数。较窄的间隙在较低直流偏置电压下表现出显著改善的耦合强度。

图4展示了频率特性测量设置及频率漂移与直流偏置电压的关系，包括提取的机电耦合系数。

2.水下性能

水下测试显示出优异的发射和接收能力。MIM CMUT在35V偏置下实现16.7 kPa/V/mm²的发射效率，而TiN-C CMUT表现出更高的最大输出压力能力。

图5展示了水下发射测量设置。图7显示了在不同距离和直流偏置电压下测得的水下声压级，以及接收灵敏度测量结果。

3.自发射和接收测试

为验证双间隙概念的兼容性，进行了使用各种收发器组合的自发射/接收测试。结果证实了不同器件之间的顺畅通信，验证了双间隙设计方法。

图6显示了使用不同CMUT收发器组合的水下发射和接收波形，展示了成功运行。

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线路集成和性能比较

八个CMUT单元均集成了可调增益跨阻放大器接口线路。集成实现了0.39 mPa√(mW/Hz)的噪声效率因子(NEF)，相比先前设计有显著提升。

图7显示了有无集成放大器的接收波形。

双间隙CMUT阵列成功展现了增强的整体发射和接收效率，同时保持了低偏置和近距离应用的实用优势。与单片集成接口线路的结合证明了在有限功耗下的优秀信噪比，适用于先进的超声感测和成像应用。

参考文献

[1] H. -Y. Chen, C. T. -C. Nguyen and S. -S. Li, "Design and Implementation of a Novel Dual-Gap CMOS-MEMS CMUT Array," 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).

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