용량성 마이크로마찰 초음파 변환기

Capacitive micromachined ultrasonic transducer

용량성 마이크로매칭 초음파 변환기(CMUT)는 초음파 변환기 분야에서 비교적 새로운 개념이다.오늘날 상업용 초음파 변환기의 대부분은 압전기에 기반을 두고 있다.CMUT는 에너지 트랜스듀서가 캐패시턴스의 변화로 인해 발생하는 변환기다.CMUT는 마이크로마키닝 기법을 사용하여 실리콘 위에 건설된다.실리콘 기질에 충치가 형성되며, 캐비티 상단에 매달린 얇은 층은 밑단 전극의 역할을 하는 실리콘 기질과 함께 금속화된 층이 전극을 작용하는 막 역할을 한다.

편향된 전극에 AC 신호가 가해질 경우 진동하는 막은 관심의 매체에서 초음파를 생성한다.이런 식으로 그것은 송신기 역할을 한다.반면 편향된 CMUT의 막에 초음파를 가하면 CMUT의 정전용량이 변화함에 따라 교대신호를 발생시킨다.이런 식으로 초음파의 수신기 역할을 한다.[1]

CMUT는 마이크로마키드 소자여서 이 기술을 이용해 2D 변환기 배열 구축이 용이하다.이는 다른 변환기 기술에 비해 더 큰 대역폭을 제공하는 변환기 어레이에 많은 수의 CMUT가 포함될 수 있음을 의미한다.CMUT를 이용한 고주파수 운전은 치수가 작기 때문에 더욱 용이하다.[2]작동 빈도는 세포 크기(막의 경도)와 막으로 사용되는 재료의 강성에 따라 달라진다.실리콘을 기반으로 하기 때문에 CMUT는 다른 변환기 기술에 비해 전자제품의 통합이 더 쉬워질 것이다.대역폭이 큰 고주파에서 사용하는 특성은 의료 영상, 특히 혈관내 초음파(IVUS)에서 변환기로 사용하는 것이 좋다.대역폭이 넓기 때문에, 그것은 2차 조화 영상 촬영에 사용될 수 있다.또한 CMUT를 친수로 사용하기 위한 몇몇 실험이 수행되었다.

제작 방법

희생 방출 표면 마이크로마칭

표면 마이크로마칭은 CMUT를 제조하는 전통적인 방법이다.[3]이 방법의 주요 제한사항으로는 희생물질의 에치/배수 채널을 제작하고 밀봉하기 위한 복잡한 제조 공정, 희생 방출 채널의 필요성 때문에 변환기의 가용 공간이 감소하여 달성 가능한 소리 발생 능력이 감소됨, 층 두께의 제한적 제어 등이 있다.ng 제조공정; 셀 캐비티 내부의 유체 잔류물로 인한 제한된 캐비티 두께로, 셀이 충분히 두껍지 않을 경우 셀의 상부와 하부에 마찰을 일으킬 수 있다.[4]

웨이퍼 본딩

웨이퍼 본딩이 가장 인기 있는 방법이다.이 방법에서 CMUT는 두 개의 분리된 웨이퍼로부터 만들어지며, 나중에 결합되어 충치가 있는 세포를 얻는다.

퓨전 본딩

웨이퍼의 융접 결합.[5][6][7][8]

다중 사용자 MUMP(폴리MUMP) 프로세스.다중 사용자 MUMP에서 제조된 CMUT는 공명 주파수가 상대적으로 낮은 등 성능이 저하된 것으로 보고되었다.[9]

양극 결합

양극 결합에서 웨이퍼는 고온에서 전기장이 있는 곳에서 씰링된다.[10]

하향식 공정

이 방법에서 제조는 전통적인 방법에 비해 역순으로 수행된다.[11][12]구조막은 실리콘 니트라이드 LPCVD에 있지만 전체 공정이 저온이라 CMOS 호환이 가능하다.장치의 복사 표면에 에치홀이 없다.연결 패드는 실리콘 내 관통 VIA를 사용하지 않고 기기 뒷면에 있으며 실리콘 기질이 완전히 제거된다.사용자 지정 음향 배치는 장치의 음향 성능을 향상시키기 위해 사용된다.이 공정은 마스크(7-8개)를 거의 사용하지 않는다.[13]

전기 회로와의 통합

앞에서 언급한 바와 같이 압전 변환기에 비해 CMUT의 중요한 장점 중 하나는 기존 제조 방법을 사용하여 CMUT를 전기 회로와 통합할 수 있는 능력이다.

벤치마킹

CMUT 성능은 피치 캐치와 펄스-에코 실험을 사용하여 벤치마킹되며, 작동 균일성은 공기와 몰입 상태에서 시험한다.피치 캐치 실험에서 변환기는 친수체를 사용하여 벤치마킹되며, 펄스-에코 실험에서는 측정된 신호를 친수성 반응과 비교하면서 송신과 수신을 위해 모두 변환기를 사용한다.

적용들

CMUT-on-CMOS 기술과 플립칩 공정을 통해 IVUS와 같은 미니어처 의료 영상 장치에 필요한 CMUT를 프런트 엔드 전자제품과 긴밀하게 통합할 수 있다.

참조

  1. ^ "General Description and Advantages of CMUTs". Stanford University. Archived from the original on 20 July 2011. Retrieved 7 February 2011.
  2. ^ "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Next-Generation Arrays for Acoustic Imaging" (PDF). IEEE Transactions on UFFC,Vol.49,published November 2002. Archived from the original (PDF) on 18 March 2012. Retrieved 8 February 2011.
  3. ^ A. S. 에르건, Y.황, X. 주앙, 오랄칸, G. G. 야랄로글루, B.T. Kuri-Yakub, "Capacitive Micromached 초음파 변환기: 제작 기술", IEEE Transfer.초음파, 페로이렉터, 프리크대조, 52권, 페이지 2242-2258, 2005.
  4. ^ Ergun, AS; Huang, Y; Zhuang, X (2005). "Capacitive micromachined ultrasonic transducers: fabrication technology". IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 52 (12): 2242–58. PMID 16463490.
  5. ^ Y. Huang, A. S. Ergun, E.해그스트롬, M. H. 바딘, B.T. Kuri-Yakub, "Wafer-Bonding 기술을 이용한 용량성 마이크로마칭 초음파 변환기 조립", J. MEMS, vol. 128-137, 2003.
  6. ^ A. Logan, J. T. W. Yow, "신규 실리콘-니트라이드 기반 웨이퍼 본딩 프로세스로 용량성 마이크로마칭 초음파 변환기 조립", IEEE Transfer.초음파, 페로이렉터, 프리크대조, 56권, 페이지 1074-1084, 2009.
  7. ^ K. Midtbø, A. Rönekleiv 및 D.T. Wang, "웨이퍼 본딩으로 실현되는 CMUT의 조립 및 특성화", Proc.IEEE 초음파.2006년 1권 938-941쪽.
  8. ^ K. K. Park, H. J. Lee, M. Kupnik, O.오랄칸, 그리고 B.T. Kuri-Yakub, "직접 웨이퍼 본딩 및 LOCOS 기술을 통한 용량성 마이크로마칭 초음파 변환기 조립", 2008 IEEE MEMS Confect, 페이지 339-342, 2008.
  9. ^ Liu, Jessica; Oakley, Clyde; Shandas, Robin (2009). "Capacitive micromachined ultrasonic transducers using commercial multi-user MUMPs process: Capability and limitations". Ultrasonics. 49 (8): 765–773. doi:10.1016/j.ultras.2009.06.003. ISSN 0041-624X. PMC 2783530. PMID 19640557.
  10. ^ S. 올쿰, K.오구즈, M. N. 센릭, F. Y. 야마네르, A. 보즈쿠르트, A. Bozkurt, A.아탈라 및 H. 코이멘, "Wafer Bonded Capacity Micromached Later Transducers", 2009 IEEE 초음파 심포지엄, 페이지 976-979, 2009.
  11. ^ A. Coppa, E. Cianci, V. Foglietti, G. Caliano, M. Papalardo, "위부터 아래까지 이미지 응용을 위한 CMUT 구축" Microelector.영어, 제84권, 페이지 1312-1314, 2007.
  12. ^ A. 카론티, A.Coppa, A. Savoia, C.롱고, P. 가타, B.마우티, A.Corbo, B. Calabrese, G. Bollino, A. Paz, G. Caliano, and M. Pappalardo, "Curvilinear Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) Array Fabricated Using a Reverse Process," 2008 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 2092-2095, 2008.
  13. ^ 특허 US7790490

외부 링크