#声学器件#双层膜#锂铌酸盐#周期极化压电薄膜（P3F）#压电微机械超声换能器（PMUTs）

划重点：#双层LNOI晶圆#P3F晶圆

从#双重LN晶圆 到 #背面深硅刻蚀#正面面电极 全流程加工 

摘要

本文首次展示了基于双层X切锂铌酸盐（LiNbO₃）的压电微加工超声换能器（PMUT）。首先分析了PMUT材料的不同性能指标（FoMs），突出了LiNbO₃作为一种有前景且平衡良好的替代材料。为了充分利用其优越的材料特性，基于双层X切LiNbO₃设计了PMUT，以充分利用与结构弯曲相关的平面应力，从而提高换能效率。所制造的器件显示出4.6%的高电机械耦合度（ �� ² �� ），尽管由于寄生效应，该值明显低于模拟值。本文还与基于其他材料的PMUT进行了比较。我们的器件在静态位移灵敏度方面，比基于PZT的PMUT高出5倍，在辐射声功率方面，比基于ScAlN的PMUT高出7倍，显示出LiNbO₃在高性能PMUT中的强大潜力。

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文章名：PIEZOELECTRIC MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCER (PMUT) BASED ON BILAYER X-CUT LITHIUM NIOBATE

作者：Xiaoxi Zhao, Michiel Pertijs, and Tomás Manzaneque 

单位：Delft University of Technology, THE NETHERLANDS 

摘要

本文首次展示了基于双层X切锂铌酸盐（LiNbO₃）的压电微加工超声换能器（PMUT）。首先分析了PMUT材料的不同性能指标（FoMs），突出了LiNbO₃作为一种有前景且平衡良好的替代材料。为了充分利用其优越的材料特性，基于双层X切LiNbO₃设计了PMUT，以充分利用与结构弯曲相关的平面应力，从而提高换能效率。所制造的器件显示出4.6%的高电机械耦合度（ �� ² �� ），尽管由于寄生效应，该值明显低于模拟值。本文还与基于其他材料的PMUT进行了比较。我们的器件在静态位移灵敏度方面，比基于PZT的PMUT高出5倍，在辐射声功率方面，比基于ScAlN的PMUT高出7倍，显示出LiNbO₃在高性能PMUT中的强大潜力。

关键词

压电微加工超声换能器（PMUT），机械谐振器，弯曲模式，锂铌酸盐。

引言

压电微加工超声换能器（PMUTs）已成为一种有前景的技术，广泛应用于超声波的各个领域，包括医学成像[1]，[2]，指纹识别[3]，[4]，距离测量[5]，[6]和无线通信[7]，[8]。与电容微加工超声换能器（CMUTs）相比，PMUTs具有明显的优势，包括消除直流偏置需求、固有的线性响应以及较高的位移动态范围，同时保持片上集成能力。当前PMUTs面临的一个关键挑战是其有限的传输和接收灵敏度，这主要受限于现有压电材料的机械和电气特性。

表1中定义的性能指标（FoMs）用于比较压电材料在PMUT中的应用，而不考虑器件几何形状[9]。传输FoM定义为有效压电系数d33d_{33}d33，因为板状结构的位移与其直接成正比。对于作为接收器的PMUT，信噪比（SNR）是一个关键的性能指标。考虑到超声接收中的最大SNR的FoM包括由材料介电损失引起的热噪声，这导致接收FoM定义为d33ϵrtan⁡δ\frac{d_{33}}{\epsilon_r\tan\delta}ϵrtanδd33，其中 ϵr\epsilon_rϵr 是电场方向上的有效介电常数， tan⁡δ\tan \deltatanδ 是介电损失正切。请注意，d33d_{33}d33 和 ϵr\epsilon_rϵr 与体材料系数不同，因为薄膜在边界条件下表现出不同的特性[10]。最后，传输接收FoM表示超声波的往返性能，它由传输和接收FoM的乘积给出。

表1比较了不同材料在其最佳工作模式下的性能，考虑到LiNbO₃在横向场激励（LFE）下工作更高效，而其他列出的材料则在厚度场激励（TFE）下工作更高效。图1(a)展示了X切和36°Y切LiNbO₃的传输接收FoM与平面旋转角度的关系，定义为电场相对于材料极化（Z轴）的角度[图1(b)]。如图所示，X切LiNbO₃的最大FoM出现在平面旋转角度为120°时。

表1: 常见材料的PMUT性能指标（FoMs）

图1：(a) LiNbO₃的传输接收FoM与电场平面角度的关系，如图(b)所定义。

表1中的计算结果表明，尽管含铅陶瓷（PZT和PMN-PT）在传输特性上表现更好，但由于LiNbO₃具有较低的介电常数和介电损失正切，其接收FoM高出5倍以上。与最广泛使用的无铅PMUT材料AlN和ScAlN相比，LiNbO₃在传输接收FoM方面提供了接近5倍的改善。最后，钾钠铌酸盐（KNN）近年来作为一种具有竞争力的无铅替代材料崭露头角[13]。虽然其加工过程仍然复杂，但KNN显示出与LiNbO₃相当的传输接收性能[11]。总的来说，LiNbO₃表现出适用于PMUTs的优异特性，具有平衡良好的传输和接收FoM。基于这一分析，本研究旨在展示LiNbO₃在PMUT实现中的潜力。为此，我们依赖于X切LiNbO₃的双层结构，以充分利用LiNbO₃的优异FoM。

设计与建模

PMUT器件基于X切LiNbO₃双层结构设计[图2(a)]。该结构由两层X切LiNbO₃组成，具有180°的相对平面旋转，导致极化轴（Z）的方向相反。该器件具有四个0.12 μm厚的金（Au）电极，这些电极以对的形式连接在2 μm厚的LiNbO₃薄膜堆叠的顶部，薄膜堆叠位于硅（Si）基板上[图2(b)]。

通过将信号（VVV）施加到互指电极上，横向电场在每个LiNbO₃层内诱导交变的横向平面应力，从而激发结构的弯曲变形。反向的Z轴方向使得在相同电场作用下，两个LiNbO₃层产生具有相反符号的平面应力[图2(b)]。这种配置充分利用了与结构弯曲相关的平面应力[图2(d)]，从而提高了换能效率。两层LiNbO₃的厚度设计为相同，确保了板的中性轴位于接口处。

图2：
(a) 我们的双层LiNbO₃ PMUT的3D示意图；
(b) 横截面示意图；
(c) 顶视图。每层LiNbO₃的极化轴（Z）位于平面内，且方向相反。
(d) FEM模拟的LiNbO₃板在弯曲变形下的横截面应力分布。

如图2(c)所示，电极相对于顶部LiNbO₃层的Z轴方向被定向为30°，以最大化FoMs。腔体宽度设计为100 μm，设置真空中的共振频率（f0f_0f0）约为1.2 MHz。腔体长度（L）从400 μm到800 μm不等，经过优化，腔体长度大约是宽度的4倍以上，以最小化模式失真并保持最大电机械耦合。为了优化换能效率，内电极每个宽度为12 μm，且相隔28 μm，位置位于平面应力的节点线上。外电极也为12 μm宽，放置在悬挂区域的外侧沿边缘分布，以最大化边缘的电场强度。

进行了有限元分析（FEA）以模拟电气导纳（Y₁₁）和动态位移灵敏度（$%）。对于不同长度的器件，在约1.2 MHz时获得了明显的弯曲模式，表明共振频率主要受腔体宽度的支配。模拟的Y₁₁导纳参数如图3(a)所示，并进行了巴特沃斯-范·代克（BVD）模型拟合。提取的电机械耦合度 κ2\kappa^2κ2（定义为 π⋅d3328⋅ϵrtan⁡δ\pi \cdot \frac{d_{33}^2}{8 \cdot \epsilon_r \tan \delta}π⋅8⋅ϵrtanδd332）为19.25%，对于长度为400 μm的器件，值得注意的是，这一电机械耦合度比之前单层36°Y切LiNbO₃基PMUT的演示高出4倍以上[14]，并且比最佳的ScAlN基PMUT高出10倍[15]。

不同长度的器件表现出相似的动态位移灵敏度（$%）。对于400 μm长度的器件，提取的动态位移灵敏度为 $% = 85 nm/V，假设质量因子 Q=61Q = 61Q=61 [图3(b)]。经过归一化，静态位移灵敏度为 $5 = \frac{$%}{4} = 1.27 nm/V，约为报告的ScAlN器件的8倍[15]。

图3：
(a) 模拟的导纳（Y11Y_{11}Y11）。从BVD拟合（虚线）提取的参数列在表中。图(a)插图：BVD模型。
(b) 对不同长度器件，在器件中心评估的模拟动态位移灵敏度（Δx\Delta xΔx）。

除了电机械耦合度（κ2\kappa^2κ2）和静态位移灵敏度（Δx\Delta xΔx），传输声功率（P）是PMUT的一个重要指标。这个指标可以通过修改器件的BVD模型来模拟，加入基于活塞模型的声辐射端口[图4]。该模型包括以下参数：静态电容（C0C_0C0）、机械阻尼（ζ\zetaζ）、膜片刚度（kmk_mkm）、有效质量（meffm_{\text{eff}}meff）、声阻抗（ZacZ_{\text{ac}}Zac）、电机械耦合系数（κ\kappaκ）和声辐射的有效面积（AradA_{\text{rad}}Arad）。

图4：包括电气、机械和声学域的PMUT等效电路模型。

ChatGPT 说：

施加驱动信号 VinV_{\text{in}}Vin 会引起膜片振动，其峰值速度为 vpeakv_{\text{peak}}vpeak，从而产生有效体积速度 Veff=vpeak⋅AradV_{\text{eff}} = v_{\text{peak}} \cdot A_{\text{rad}}Veff=vpeak⋅Arad。传输的声压则由以下公式给出：

Pac=Veff⋅ZacP_{\text{ac}} = V_{\text{eff}} \cdot Z_{\text{ac}}Pac=Veff⋅Zac

其中，Zac=FAradZ_{\text{ac}} = \frac{F}{A_{\text{rad}}}Zac=AradF，FFF 是介质的特性阻抗[16]。因此，声功率 PacP_{\text{ac}}Pac 可表示为：

Pac=Veff⋅Pac=vpeak2AradFP_{\text{ac}} = V_{\text{eff}} \cdot P_{\text{ac}} = \frac{v_{\text{peak}}^2}{A_{\text{rad}}} FPac=Veff⋅Pac=Aradvpeak2F

考虑到 vpeak=Vinω0v_{\text{peak}} = \frac{V_{\text{in}}}{\omega_0}vpeak=ω0Vin，其中 ω0\omega_0ω0 是共振角频率，归一化的传输声功率（按特性阻抗和施加电压平方归一化）可用于比较不同器件的性能，而无需考虑传播介质的影响。

制造过程

PMUTs是在双层X切LiNbO₃-on-Si堆叠上制造的，具体步骤如图5所示。首先，沉积120 nm厚的金（Au）电极，并使用10 nm厚的铬（Cr）粘附层，通过升降法（lift-off）进行图案化。接着，沉积了3 μm厚的SiO₂层，以保护电极在背面加工过程中不受损害，使用电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）法。然后，使用相同的ICPCVD工艺配方，在硅（Si）基板上沉积9 μm厚的SiO₂硬标记。经过背面对准后，使用深反应离子刻蚀（DRIE）对SiO₂硬标记进行图案化。为实现垂直轮廓，采用Bosch工艺进行透过硅（Si）刻蚀。完成硅刻蚀后，使用缓冲氟化氢（BHF）去除两侧残留的SiO₂。最后，通过临界点干燥（CPD）处理悬挂的LiNbO₃薄膜，以防止其破损。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察的晶片堆叠的横截面形貌（图6(a)）清晰地揭示了两层LiNbO₃之间的界面。使用标准硅样品优化了DRIE工艺，成功地获得了满意的垂直轮廓[图6(b)]。制造的PMUT器件如图6(d)所示，展示了顶电极与背面刻蚀区域之间的精确对准。为了检查悬挂LiNbO₃薄膜的横截面，进行了聚焦离子束（FIB）铣削。所得的SEM图像[图6(c)]确认了释放膜的均匀厚度，并且没有残留的硅物质在下方。

表征

制造的器件首先使用Keysight E4990A阻抗分析仪在空气中进行了表征。如图7(a)所示，测得的Y₁₁在大约1.2 MHz处展示了明显的共振峰，且与模拟结果非常接近。然而，图3(a)中预期的反共振峰并未观察到。我们将这种行为归因于来自硅基板上的污染物引起的寄生效应。为了拟合测得的Y₁₁ [图7(a)]，采用了改进的BVD (MBVD)模型，该模型通过在器件并联额外的电路元件KL和)L来考虑这些寄生效应。拟合结果与测量的Y₁₁之间良好的吻合确认了寄生效应的存在。尽管提取的电机械耦合度 κ2\kappa^2κ2（对于400 μm的器件为4.6%）明显低于模拟值，这是由于寄生效应的影响，但仍然比基于ScAlN的PMUT高出超过2倍[15]。

通过使用Polytec MSA400振动计，在空气中测量了膜片的振动。不同长度的器件表现出相似的最大动态位移[图7(b)]。对于长度为800 μm的器件，测得的动态位移灵敏度为 Δx=53.8nm/V\Delta x = 53.8 \, \text{nm/V}Δx=53.8nm/V，质量因子 Q=61Q = 61Q=61 在空气中，得到了静态位移灵敏度为 Δxs=ΔxQ=0.88nm/V\Delta x_s = \frac{\Delta x}{Q} = 0.88 \, \text{nm/V}Δxs=QΔx=0.88nm/V。该值比模拟值低30%，可能是由于两层LiNbO₃薄膜厚度存在轻微不匹配所致。

图7：
(a) 测得的导纳与MBVD拟合（虚线）。MBVD模型及提取的参数适用于长度为400 μm的器件，参数显示在下方。
(b) 测得的动态位移灵敏度（Δx\Delta xΔx）。图(b)插图：共振时的测量模式形状。

图8(a)比较了测得的静态位移灵敏度（Δxs\Delta x_sΔxs）与其他材料的已报告值。如图所示，测得的 Δxs\Delta x_sΔxs 是报告的基于ScAlN的PMUT（0.16 nm/V）[15]的5倍，且接近单晶PZT基PMUT（1 nm/V）[2]。在实际应用中，PMUT的带宽应根据不同应用的需求进行调整。考虑到辐射声功率和分数带宽（Q=1/4Q = 1/4Q=1/4）之间固有的权衡，图8(b)展示了基于归一化声功率（G/FRaylG/F_{\text{Rayl}}G/FRayl）的PMUT比较，如公式(1)所定义。这些曲线是根据已报告的共振频率、质量因子、位移灵敏度和面积计算得出的。在这个比较中，我们假设所有器件的有效面积 AradA_{\text{rad}}Arad 为悬挂区域的1/3。具体来说，在 Q=100%Q = 100\%Q=100% 时，我们的器件（长度为800 μm）的归一化声功率为 1.32×10−3W/VRayl1.32 \times 10^{-3} \, \text{W/V} \, \text{Rayl}1.32×10−3W/VRayl，这比ScAlN基PMUT高出近7倍，且与单晶PZT基PMUT相当[2]。

图8：
(a) 静态位移灵敏度（Δxs\Delta x_sΔxs）与已报告的质量因子的比较；
(b) 归一化声功率（G/FRaylG/F_{\text{Rayl}}G/FRayl）与分数带宽的关系。

结论

本研究首次展示了基于双层X切LiNbO₃结构的PMUTs。全面的材料比较突出了LiNbO₃在PMUT中的优异特性。基于此，PMUTs被设计为充分利用平面应力激发膜片的弯曲振动，从而提高换能效率。所制造的器件在传输性能上明显优于ScAlN器件，并与单晶PZT器件相当。LiNbO₃在超声波传输和接收方面平衡的FoMs表明该材料在实现超声波收发器方面具有卓越的潜力。总之，展示的性能、已建立的制造工艺以及双层LiNbO₃的无铅组成，为广泛的超声波应用提供了巨大前景。