1. 项目概述为什么医疗超声需要ScAlN PMUT在可穿戴健康监测和植入式医疗设备领域我们工程师一直在寻找一种既能“听得清”、又能“喊得响”同时还特别省电的微型超声波传感器。传统的超声探头又大又笨重离不开高压电源显然没法塞进一个贴片或者植入体内。微机电系统MEMS技术让微型化成为可能其中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是两条主流技术路线。CMUT可以理解为微型的“电容麦克风扬声器”靠静电力驱动薄膜振动。它的研究历史长技术相对成熟市面上已经有商用的医疗设备。但CMUT有个“硬伤”它需要持续施加一个很高的直流偏置电压通常在70到140伏特之间才能正常工作。这个高压模块本身就需要空间和功耗在电池供电、体积受限的可穿戴或植入式设备里这几乎是个“致命伤”。想象一下你手腕上的血压监测贴片需要背一个高压包这既不安全也不现实。于是PMUT的优势就凸显出来了。它利用压电材料的特性通电时材料形变带动薄膜振动发射超声波反过来声压导致薄膜形变又能在材料上产生电信号接收回波。整个过程不需要额外的直流偏置电压驱动电压可以低很多天生就适合低功耗、便携式的应用场景。过去十年随着压电薄膜材料工艺的突破PMUT技术迎来了快速发展期。目前PMUT的压电材料主要有两大阵营锆钛酸铅PZT和氮化铝AlN。PZT的压电系数高意味着“劲大”发射超声波的能力强。但它也有明显的短板介电常数太高这会导致作为接收器时电信号容易被材料自身“吸收”掉一部分接收灵敏度上不去而且PZT的加工温度高和主流的CMOS半导体工艺不兼容难以实现传感器与处理电路的集成化、微型化。AlN则恰恰相反它的介电常数低接收灵敏度表现好并且与CMOS工艺完美兼容可以很方便地在芯片厂里和电路一起做出来。但AlN的“力气”小压电系数低发射性能是它的弱项。这就形成了一个经典的工程学“跷跷板”难题要力气大发射好就得牺牲耳朵灵接收差和工艺便利性要耳朵灵、好集成力气又不够大。直到钪掺杂氮化铝ScAlN这种新材料进入视野。研究发现在AlN里掺入一定比例的钪Sc能显著提升其压电系数相当于既保留了AlN接收灵敏度高、CMOS兼容的优点又补上了“力气”的短板。ScAlN PMUT因此被视为打破上述平衡、解锁下一代微型超声传感器的关键。芬兰VTT研究中心的这项开发工作正是瞄准了这个极具潜力的方向目标是为血压监测贴片这类设备打造一个高性能、低电压工作的核心传感单元。2. 核心设计解析压电层图案化如何成为性能倍增器当我们拿到一个PMUT的设计需求时首要任务就是确定振动薄膜的结构。VTT团队设计的这个用于水耦合即通过水或凝胶与人体接触传导超声波的PMUT单元其核心是一个多层薄膜“三明治”结构。从下往上看最底层是硅Si结构层它构成了薄膜的机械主体中间是875纳米厚的20%钪掺杂AlNScAlN压电层这是换能的核心压电层的上下两面分别覆盖着钼Mo金属层作为底部电极和顶部电极用来施加电压或读取信号。薄膜下方是一个真空的空腔这是MEMS器件的典型特征目的是让薄膜能够自由振动不受空气阻尼的影响。如果到此为止这就是一个传统的PMUT结构。但VTT设计中最精妙、也最值得我们借鉴的一步是对压电层进行了选择性图案化。这是什么意思呢传统PMUT中压电层是一整片连续地覆盖在整个薄膜区域上。而在这个设计中只有上下电极正对的那部分圆形区域保留了ScAlN电极区域外围的ScAlN被刻蚀掉了露出了下面的硅结构层。你可以把它想象成一个“岛”状结构电极和它正下方的压电材料是“岛”周围是“海”硅层。这个看似简单的“挖掉”外围压电材料的操作带来了三个立竿见影的性能提升2.1 降低薄膜刚度提升换能灵敏度这是最直接的效果。压电材料本身是具有刚度的当它连续铺满整个薄膜时相当于给薄膜“穿上”了一件硬质外套薄膜想弯曲振动就需要克服更大的整体刚度。现在我们把外围的“硬外套”去掉了只保留了中心驱动区的“硬核”。这样一来薄膜边缘区域的刚度大大降低变得更容易弯曲。在相同的驱动电压下薄膜能产生更大的形变位移反过来在相同的声压作用下薄膜形变也更大产生的压电电荷就更多。这一增一减直接提升了PMUT的发射和接收灵敏度。在仿真和实测中这种设计比全覆盖压电层的传统设计灵敏度有显著改善。2.2 释放残余应力提升制造一致性MEMS制造过程中不同材料层层堆叠由于热膨胀系数不匹配会在薄膜内部积累残余应力。这种应力就像薄膜被预先“绷紧”了会导致器件的谐振频率等关键参数发生漂移而且这种应力在晶圆上分布往往不均匀导致不同芯片、甚至同一芯片上不同单元的性能不一致。ScAlN的热膨胀系数比AlN更高意味着应力问题可能更突出。通过图案化刻蚀掉外围的压电层相当于在紧绷的薄膜上“开了一些释放槽”允许应力通过这些区域得到部分释放。这能极大地改善芯片内chip-level和整个晶圆上wafer-level各个PMUT单元性能的一致性。对于需要阵列化工作、追求稳定可靠性的医疗设备来说一致性是量产和实用的生命线。2.3 增强热稳定性为更严苛环境铺路虽然论文中提到对于水耦合应用工作温度相对稳定热稳定性不是首要问题但这个优点为未来拓展应用场景埋下了伏笔。压电层图案化后由于应力释放和结构优化器件对温度变化的敏感度会降低性能参数随温度漂移更小。这对于那些可能面临体温变化或需要体外高温消毒的植入式设备而言是一个重要的可靠性保障。设计心得这种“局部功能化”的思路在MEMS设计中非常经典。它打破了“材料层必须完整覆盖”的思维定式通过精妙的图形设计用同一个工艺步骤同时实现了性能优化、应力管理和工艺稳健性提升。在做类似多层薄膜结构设计时一定要问自己这一层材料的每一个区域都是必需的吗非功能区的材料是否反而成了负担3. 从单元到阵列系统级设计的考量与折衷单个PMUT单元性能再好在医疗成像或精准测距中也是不够的我们需要将成千上万个单元排列成阵列来工作。VTT这项工作展示的是一个线性阵列的设计与制造。从单元设计扩展到阵列设计会引入一系列新的工程挑战主要围绕“串扰”和“死区”这两个核心矛盾展开。3.1 死区与间距的博弈所谓“死区”指的是相邻PMUT单元振动薄膜之间不能振动的无效区域。在这个设计中死区主要由制造工艺决定基于空腔型绝缘体上硅CSOI的工艺规则要求两个空腔边缘之间必须至少保持20微米的间隔。这个间隔是为了保证在硅深刻蚀形成空腔时有足够的结构强度防止相邻空腔塌陷或连通。因此每个PMUT单元的直径90微米加上必须预留的死区宽度共同决定了单元的中心间距Pitch。在这个设计中X和Y方向上的间距都被设定为110微米。3.2 “之”字形排列对抗串扰的巧思如果简单地按行和列整齐排列相邻行之间的单元在水平方向上是对齐的。当某一行的某个单元剧烈振动时其产生的声波和机械振动会很容易直接耦合到正上方或正下方那一行对齐的单元上这就是“串扰”。串扰会导致信号模糊降低成像分辨率或测量精度。 为了解决这个问题设计者采用了“之”字形Zigzag排列。即第二行的单元相对于第一行在水平方向上错开半个间距。这样任何一行中的单元其正上方和正下方对应的不再是另一行的单元中心而是另一个单元之间的“死区”位置。声波和振动传播到死区刚性支撑结构时会被大大衰减从而有效降低了行与行之间的机械耦合与声学串扰。这是一个非常巧妙且低成本仅通过设计布局实现的抗串扰方案。3.3 阵列驱动与寻址的考量论文中提到阵列中每22个PMUT单元被连接成一个“元件”。这意味着他们采用的是“子阵”驱动模式而非单独驱动每一个单元。这样做有几个好处一是大大减少了需要引出的电极焊盘数量和后续读放大器的通道数降低了封装复杂度和系统功耗二是通过将多个单元并联可以增加发射声功率和接收信号的信噪比。当然代价是牺牲了部分横向分辨率。在血压监测这种对绝对精度要求高于横向空间分辨率的应用里这种折衷是合理且高效的。实操要点阵列设计永远是在性能、复杂度、功耗和成本之间寻找平衡点。对于初入MEMS阵列设计的朋友建议先从仿真入手使用COMSOL Multiphysics或ANSYS等工具建立包含多个单元的耦合模型定量分析不同排列方式、间距、死区尺寸下的串扰水平。仿真能帮你快速排除糟糕的设计避免流片后才发现问题。4. 制造工艺全流程拆解简单的四步掩模法VTT团队采用的制造工艺堪称简洁高效的典范仅用了4层光刻掩模就完成了整个复杂结构的加工。他们使用的是Okmetic公司提供的6英寸CSOICavity-SOI晶圆作为起点。CSOI晶圆是一种预制的“三明治”最上层是单晶硅的器件层将来做振动薄膜中间是二氧化硅的埋氧层下层是硅衬底并且在下层硅中已经预先用深刻蚀工艺制作好了空腔。这种预制晶圆大大简化了工艺难度。整个工艺流程可以分解为以下关键步骤4.1 第一步掩模定义底部电极图形首先在CSOI晶圆的硅器件层上沉积一层150纳米厚的钛/钼Ti/Mo复合层作为底部电极。钛Ti作为粘附层确保钼Mo能牢固地附着在硅上。然后涂覆光刻胶通过第一块掩模版进行光刻定义出底部电极的图形。接着进行干法刻蚀将不需要区域的Ti/Mo层去除只留下设计好的底部电极图形。4.2 第二步掩模沉积并图案化ScAlN压电层这是最关键的一步。在整个晶圆上用磁控溅射的方法沉积875纳米厚的20% Sc掺杂的AlN薄膜。ScAlN的沉积工艺窗口比纯AlN更窄需要精确控制氩气/氮气比例、气压、温度和溅射功率以确保薄膜具有良好的C轴取向这是压电性能的关键。沉积完成后涂覆光刻胶使用第二块掩模版进行光刻。这块掩模版的图形决定了哪里保留ScAlN即电极上方的区域哪里需要刻蚀掉。通过反应离子刻蚀RIE工艺选择性地去除电极区域外围的ScAlN实现我们前面讨论的“压电层图案化”。4.3 第三步掩模定义顶部电极图形在图案化的ScAlN层上沉积200纳米厚的钼Mo作为顶部电极。然后涂胶使用第三块掩模版光刻定义顶部电极的图形并进行刻蚀。至此压电“三明治”的核心结构——底电极/ScAlN/顶电极——就完整形成了。4.4 第四步掩模释放振动薄膜最后一步是让薄膜“悬空”起来。从晶圆背面衬底侧使用第四块掩模版进行光刻对准正面的空腔位置。然后进行深度反应离子刻蚀DRIE从背面将硅衬底刻穿直到暴露出埋氧层。接着用湿法刻蚀如氢氟酸缓冲液去除暴露出来的二氧化硅埋氧层从而将硅器件层下的空腔完全打开硅器件层就变成了悬空在真空腔体上的振动薄膜。最后可能需要进行一步硅器件的浅刻蚀以精确控制薄膜的厚度和应力。工艺避坑指南ScAlN沉积稳定性掺Sc后AlN的结晶质量对工艺参数极其敏感。在工艺开发阶段必须做大量的实验设计DOE系统性地改变溅射参数并通过X射线衍射XRD和原子力显微镜AFM来表征薄膜的结晶取向和表面粗糙度找到最优的“工艺窗口”。多层薄膜应力管理Mo、ScAlN、Si这些材料的热膨胀系数不同在沉积过程中会积累热应力。需要通过调整沉积参数如温度、功率或引入应力补偿层来控制整个膜堆的净应力使其接近中性或微小的张应力。过大的压应力会导致薄膜翘曲甚至破裂过大的张应力则会影响振动性能。背面释放对准精度第四步的背面刻蚀必须与正面的空腔图形精确对准。误差过大会导致薄膜面积偏差或甚至刻蚀到电极区域。需要光刻机具备高精度的背面对准能力并且在设计时要充分考虑对准标记和对准容差。5. 性能表征与实测数据分析从电学到声学的全面验证制造完成后的PMUT阵列必须经过严格的测试以验证其是否达到设计目标。VTT团队的表征工作分为电学表征和声学表征两大部分非常系统。5.1 电学表征良率与一致性他们首先测试了单个阵列中全部96个元件每个元件由22个单元并联的功能以及从晶圆上不同位置抽取的15个阵列。结果令人振奋超过96%的元件工作正常。这个良率对于一项新工艺、新材料的研究而言是非常高的证明了基于CSOI的ScAlN PMUT制造工艺具备良好的稳健性和可重复性。通过测量每个PMUT的阻抗-频率曲线可以提取其谐振频率。数据显示位于晶圆中心的PMUT阵列谐振频率略高于边缘的阵列如图6所示。这种变化主要归因于硅器件层厚度在晶圆上的均匀性差异是半导体工艺中常见的“边缘效应”。尽管如此阵列内部芯片级的频率变化仅为3%整个晶圆上的平均频率变化为6%。这个一致性水平相当出色尤其是考虑到ScAlN这种新材料。这有力地印证了之前的设计分析压电层图案化有效释放了应力从而提升了性能的一致性。5.2 声学表征发射与接收灵敏度电学性能好最终还要落实到声学性能上。测试在一个装满去离子水的水槽中进行以模拟人体组织环境。为了测量发射灵敏度他们用信号发生器激励PMUT阵列中的42个元件使其振动发出超声波。然后使用一个直径仅400微米的微型水听器一种精密的声压测量探头放置在PMUT前方一定距离处精确测量水中产生的声压。发射灵敏度的单位是kPa/V即每伏特驱动电压能产生多少千帕的声压。数值越高说明“喊”得越响。为了测量接收灵敏度他们用另一个已知性能的AlN PMUT阵列作为声源发射超声波将待测的ScAlN PMUT阵列放在80毫米外作为接收器。测量ScAlN PMUT在接收到声波后产生的开路电压。接收灵敏度的单位是V/MPa即每兆帕的声压能在接收端产生多少伏特的电压。数值越高说明“耳朵”越灵。最终的实测结果是在5.7 MHz的谐振频率下ScAlN PMUT阵列的发射灵敏度达到了13 kPa/V接收灵敏度达到了1.1 V/MPa。这个数据需要放在整个MUT微机械超声换能器领域来审视。与需要高压偏置的CMUT相比ScAlN PMUT在零偏置下的发射性能已经接近甚至超过部分CMUT与传统的AlN PMUT相比其发射灵敏度有数倍的提升同时保持了AlN PMUT接收灵敏度高的优点。与PZT PMUT相比它在接收灵敏度上不遑多让同时完全避免了PZT的工艺兼容性问题。5.3 带宽分析除了峰值灵敏度带宽也是超声换能器的重要指标它决定了成像的轴向分辨率带宽越宽脉冲越短分辨率越高以及系统对不同深度组织的适应性。从论文中提供的频响曲线可以看出ScAlN PMUT展现了相对较宽的-6dB带宽。这得益于其优化的薄膜结构设计和ScAlN材料本身的特性。宽带宽意味着单个器件可以覆盖更宽的频率范围这在需要多频段工作的超声系统中是一个巨大优势。测试经验谈水听器校准与定位声学测试的准确性极度依赖水听器的校准精度和定位精度。水听器本身需要定期用标准声源进行校准。在测量时需要利用精密三维移动平台将水听器探头精确对准PMUT阵列的中心并放置在远场区域进行测量。微米级的定位误差都可能导致测量结果失真。阻抗匹配与信号完整性在驱动PMUT发射和读取PMUT接收信号时电路的阻抗匹配至关重要。不匹配会导致信号反射降低发射效率和接收信号强度。通常需要在PMUT和驱动/读取电路之间设计简单的匹配网络如串联或并联电感以在谐振频率附近实现阻抗共轭匹配最大化功率传输。避免空化效应在水下进行高强度发射测试时如果声压过高可能导致水发生“空化”产生微小气泡这些气泡破裂会损坏精密的PMUT薄膜。测试时应从低电压开始逐步增加并观察信号波形是否出现畸变。6. 应用展望与挑战从实验室走向可穿戴医疗设备这项研究清晰地展示了ScAlN PMUT在电压受限的医疗应用中的巨大潜力尤其是像连续无创血压监测贴片这样的场景。传统的血压测量依赖充气袖带无法连续监测。基于超声的血压监测原理是将PMUT阵列贴附在动脉如桡动脉上方的皮肤发射超声波并接收从血管壁反射的回波。通过分析回波信号的时间差对应血管壁位移可以实时计算出血管直径的变化再结合一些生理模型就能推导出血压的连续波形。ScAlN PMUT的优势在这里得到完美发挥无需高压偏置可以用纽扣电池或柔性电池长时间供电高灵敏度保证了在低驱动电压下也能获得足够强的穿透皮肤和组织的超声信号同时能清晰地捕捉微弱的血管壁反射信号CMOS工艺兼容性意味着未来可以将PMUT阵列和低功耗的信号处理、无线传输电路集成在同一颗芯片上实现真正的“片上系统”SoC极大减小体积和功耗。当然从实验室的原型器件到成熟的可穿戴产品还有几座大山要翻越6.1 封装与可靠性医疗设备尤其是可能接触皮肤的长期穿戴设备对封装的要求极高。PMUT阵列需要与人体通过水或凝胶进行声耦合这意味着封装材料必须同时具备良好的生物相容性、声学透射性低声阻抗匹配以及对内部微结构的长期可靠保护。如何设计一个既轻薄柔软、又能防潮防腐蚀、还能保证声学性能的封装是一个重大的工程挑战。常用的医用级硅胶、聚对二甲苯Parylene涂层等都是可能的方向但都需要针对超声频率进行优化。6.2 系统集成与功耗优化单个PMUT的性能只是基础。一个可用的血压监测贴片需要包含PMUT阵列、高压脉冲发射电路虽然PMUT无需直流偏置但发射脉冲仍需几十伏的交流电压、低噪声接收放大电路、高速模数转换器ADC、数字信号处理器DSP或微控制器MCU用于算法处理以及蓝牙等无线通信模块。如何将这些模块以超低功耗的方式协同工作实现“每测量一次只消耗微焦耳能量”的目标是系统级设计的核心。采用事件驱动式唤醒、压缩传感、专用低功耗AI加速器等技术是未来的趋势。6.3 算法与临床验证硬件提供了高质量的信号但最终血压值的准确度依赖于算法。需要先进的信号处理算法从超声回波中精确提取血管壁运动轨迹并建立其与血压之间的校准模型。这个模型可能需要针对不同个体、不同生理状态进行个性化校准。这需要大量的临床数据来训练和验证算法确保其精度和鲁棒性满足医疗监管要求如FDA、CE认证。6.4 成本与规模化生产目前ScAlN靶材的成本远高于普通AlN靶材且掺杂工艺的良率控制比标准AlN更复杂。要实现商业化必须在提升性能的同时将成本控制在可接受范围内。这需要材料供应商、晶圆代工厂和器件设计公司共同努力优化工艺扩大生产规模。尽管挑战重重但ScAlN PMUT所展示的技术路径是清晰且充满希望的。它为我们提供了一种打破传统超声换能器在尺寸、功耗和性能上限制的新工具。随着材料、工艺、封装和系统集成技术的不断进步我们有望在不久的将来看到基于此类技术的真正舒适、便捷、可靠的连续生理参数监测设备进入我们的生活。对于从事MEMS传感器、可穿戴设备或医疗电子研发的工程师来说现在正是深入关注和布局这一领域的绝佳时机。
