基于ScAlN薄膜的高频PMUT阵列的设计与制造

高频压电微机械超声换能器(PMUT)应用于各种场景,如指纹识别、无损检测、医疗成像。在当前非侵入式血管成像应用中,存在换能器使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)及局限于1-D PMUT阵列的问题。设计并制作了一种基于ScAlN材料压电薄膜的2D-PMUT阵列。为了进一步得到阵列最佳的输出性能,降低栅瓣影响,设计了间距为波长的1/2(300μm)的并联六边形阵列,增大了填充因子,降低了阻抗,提高了输出电流。采用SOI晶片作为PMUT的基本结构,设计了微机电系统(MEMS)工艺流程,并完成了晶片制作。通过扫描电子显微镜和聚焦离子束切割确定PMUT的形貌和结构尺寸,并且测得在水中的谐振频率为2.36 MHz。仿真与测试结果表明,测试误差为9.2%,位移灵敏度较好,有望满足非侵入式血管成像应用需求。

高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征

本文利用优化的种子层结构和工艺参数,以AlSc合金靶为靶源,以脉冲直流反应磁控溅射AlSc合金靶的方式在室温下制备了ScAlN薄膜,同时设计并制作了压电测试专用结构,解决了ScAlN腐蚀工艺不成熟的问题,结合X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、准静态d33分析仪、纳米压痕法等方法表征了薄膜的结晶质量、组成成分和机电耦合系数等性能。由表征结果可知,所制备的Sc0.35Al0.65N薄膜具有高度c轴择优取向,摇摆曲线的半高宽低至2.167°,同时结晶致密,有少量贝壳状凸起。薄膜的压电常数d33为-23.4 pC/N,机电耦合系数k_(33)^(2)和k_(t)^(2)分别为34.6%和25.7%,具有制备FBAR等高性能压电MEMS器件的潜力。

高动态位移ScAlN基超声换能器的设计及制作

超声探测作为重要的感知技术,其探测性能一直是学术界研究的热点。针对薄膜超声换能器谐振位移低,导致输出声压较低,从而影响探测性能的问题,该文提出了一种高动态位移的薄膜ScAlN基超声换能器结构,该结构直径为360μm,中心处膜层由4根悬梁支柱固支,通过微机电系统(MEMS)微纳加工技术制作了换能器阵列。测试结果表明,该器件谐振频率下,中心处动态位移可达2.16μm/V。此外,该结构使膜层振动模态转变为输出声压更高的活塞型模态,相关工作为空气介质中长距离超声测距传感器的研究奠定了基础。

衬底温度对ScAlN薄膜结构及电阻率的影响

采用直流反应磁控溅射法、利用ScAl合金靶(含Sc质量分数10%)制备了一系列不同衬底温度的Sc掺杂AlN(ScAlN)薄膜。利用X线衍射仪、原子力显微镜和铁电测试仪的电流-电压(I-V)模块研究了衬底温度对薄膜微观结构、表面形貌及电阻率的影响。结果表明,随着衬底温度升高,薄膜的(002)择优取向愈发明显,在650℃时达到最佳;薄膜的表面粗糙度随着衬底温度的升高而减小,在650℃、700℃时分别达到3.064nm和2.804nm,但当温度达到700℃时,薄膜表面局部开裂,因此,650℃为获得最佳结晶质量薄膜的适当温度。ScAlN薄膜电阻率随制备时衬底温度呈先增大后减小的趋势。

基于ScAlN/FeGa结构的磁电声表面波谐振器

该文研究基于磁致伸缩FeGa合金衬底的磁电声表面波(SAW)谐振器。首先,在FeGa磁致伸缩衬底上溅射沉积了ScAlN压电薄膜,完成了单端口声表面波谐振器的制备;其次,采用X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等手段对ScAlN薄膜进行结构分析;最后,采用矢量网络分析仪和微波探针台测试S参数和群时延。结果表明,ScAlN薄膜晶粒呈柱状生长且具有高度(002)取向,薄膜表面粗糙度在2.36nm左右;当ScAlN压电薄膜厚为0.7μm,波长为15.74μm时,SAW谐振器的谐振频率为218.75 MHz,相速度为3 443m/s,机电耦合系数为0.06%,与COMSOL仿真计算结果较吻合。

反应磁控溅射法制备氮化铝钪薄膜

为了制备出压电性能良好、c轴择优生长的氮化铝钪压电薄膜,本文利用脉冲直流反应磁控溅射法制备了几组氮化铝钪薄膜,通过控制变量,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和压电系数测试仪等测试设备,研究了气体流量、功率、衬底温度、缓冲层结构以及掺钪对薄膜结晶质量及性能的影响,优化了工艺参数。结果表明,相比于钛铂缓冲层,使用氮化铝/钛/铂缓冲层制备薄膜,可以使摇摆曲线半高宽由2.62°降至2.38°。然后,对钪掺杂机理进行了简单分析,本文所制备氮化铝钪薄膜的纵向压电系数d33高达-10.5 pC/N,是纯氮化铝压电系数的1.9倍,XRD图谱及SEM图像表明,在该掺杂浓度下,压电系数的提高主要是通过钪掺杂产生的晶格畸变引起,而非改变了晶体结构。