[發(fā)明專利]PMUT結(jié)合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元、陣列及制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210271083.2
• 申請(qǐng)日: 2022-03-18
• 公開（公告）號(hào): CN114486014B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李暉;尹峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江仙聲科技有限公司
• 主分類號(hào): G01L1/18
• 分類號(hào): G01L1/18;H01L23/535;B81B7/02;B81C3/00;H01L21/50
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王斌

本發(fā)明公開一種PMUT結(jié)合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元、陣列及制造方法，把MEMS壓力傳感器與PMUT超聲換能器單片集成，將MEMS壓力傳感器的輸出信號(hào)疊加進(jìn)PMUT的輸出信號(hào)，提升整體響應(yīng)，增強(qiáng)超聲探頭的靈敏度。本發(fā)明同時(shí)公開所述PMUT結(jié)合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元的制造方法，采用有源晶圓鍵合及減薄技術(shù)，將CMOS晶圓與MEMS壓力傳感器晶圓堆疊，進(jìn)而制造PMUT?on?CMOS，實(shí)現(xiàn)垂直互連的三維立體架構(gòu)，顯著提高了芯片集成度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MEMS-on-CMOS高密度單片集成的半導(dǎo)體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及三維PMUT架構(gòu)與MEMS壓力傳感器集成的新結(jié)構(gòu)及加工技術(shù)。

背景技術(shù)

近年來，隨著超聲產(chǎn)品與應(yīng)用的快速發(fā)展，壓電微結(jié)構(gòu)超聲換能器PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers)已得到廣泛應(yīng)用。但無論是基于PZT壓電材料，還是氮化鋁壓電材料的超聲換能器，作為接收器使用時(shí)，PMUT信號(hào)響應(yīng)都偏低，不夠理想。在現(xiàn)有PMUT單元架構(gòu)下，通過膜厚及結(jié)構(gòu)版圖優(yōu)化，靈敏度可以獲得一定程度的改善，但提升幅度還有待提高。

另一方面，傳統(tǒng)的MEMS硅基壓電電阻傳感器(Piezo-Resistive Sensor)經(jīng)過優(yōu)化后，壓力靈敏度可以超過現(xiàn)有的PZT或者氮化鋁超聲換能器。如果能將MEMS壓力傳感器與PMUT單元結(jié)合起來，將MEMS壓力傳感器的輸出信號(hào)疊加到PMUT的輸出信號(hào)中，則可以增強(qiáng)靈敏度，例如，將現(xiàn)有PMUT的靈敏度提高100-300％。但是，傳統(tǒng)的MEMS壓電電阻傳感器之架構(gòu)與工藝流程與現(xiàn)有的PMUT器件架構(gòu)及工藝流程相差很大，難以實(shí)現(xiàn)單片集成。

MEMS壓力傳感器：

MEMS壓力傳感器已得到廣泛應(yīng)用。一個(gè)典型的MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖如圖1所示。其中(a)為布局設(shè)計(jì)平面圖與剖面圖；有四個(gè)硅電阻，由N阱中的P+擴(kuò)散區(qū)形成，布局在封閉的空腔體(Sealed cavity)上方的硅單晶薄膜(Membrane)中。在外來壓力下，由于空腔體提供的空間，Membrane薄膜產(chǎn)生變形。變形后的P+硅電阻的阻值產(chǎn)生變化，阻值變化的大小與外來壓力正比例相關(guān)，如果設(shè)計(jì)合理，在一定的壓力范圍形成線性關(guān)系。(b)是四個(gè)壓電電阻互連形成的橋式電路圖，這樣的連接能將MEMS壓力傳感器的輸出電壓信號(hào)Vout最大化。

圖2為典型的半導(dǎo)體工藝制造的MEMS壓力傳感器三維結(jié)構(gòu)：壓電電阻(圖中R₁，R₂，R₃)做在硅外延薄層中，位于空腔體上方。在外來壓力下，空腔體上的硅薄層產(chǎn)生形變，硅材料由于壓電效應(yīng)導(dǎo)致電阻數(shù)值發(fā)生變化，這一過程就實(shí)現(xiàn)了壓電傳感。半導(dǎo)體材料是晶向(100)的硅單晶，P型硅襯底，N型外延層或形成N阱隔離。N阱中以P+擴(kuò)散形成壓電電阻。擴(kuò)散電阻布局的位置盡量靠近薄膜Membrane產(chǎn)生最大形變的位置，這個(gè)位置可以通過軟件仿真(如Comsol simulation)來決定。圖示的空腔體給Membrane薄膜在壓力下的形變提供空間。最下方的出氣孔是為Membrane有很大形變的壓力傳感器設(shè)計(jì)的，用以排除空氣的阻尼效應(yīng)。對(duì)超聲應(yīng)用來說，Membrane產(chǎn)生的形變非常小，可以不用排氣孔。

超聲換能器：

超聲換能器分為PMUT(Piezoelectric Micromachined UltrasonicTransducers)與CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers)兩種，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，左為CMUT、右為PMUT。其共性在于，它們都設(shè)計(jì)有可移動(dòng)薄膜Membrane，它們都設(shè)計(jì)有空腔體，它們也都設(shè)計(jì)有兩個(gè)電極，所不同的是，CMUT設(shè)計(jì)有類似電容的上下電極，上電極可以移動(dòng)，下電極固定。在電容兩極加上交流電產(chǎn)生不同的電荷后，同性相斥，異性相吸，上電極就產(chǎn)生振動(dòng)。PMUT則是通過電場(chǎng)激勵(lì)下，壓電材料原子晶格產(chǎn)生位移，因而沿晶格位移方向材料延展或收縮，從而在垂直方向上下振動(dòng)。PMUT上下電極會(huì)同時(shí)移動(dòng)。