静電容量式マイクロマシン超音波トランスデューサー

静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ( CMUT ) は、超音波トランスデューサの分野では比較的新しい概念です。現在市販されている超音波トランスデューサのほとんどは、圧電性に基づいています。CMUT では、エネルギー変換は静電容量の変化によって行われます。CMUT は、マイクロマシン技術を使用してシリコン上に構築されます。シリコン基板にキャビティが形成され、キャビティの上部に吊り下げられた薄い層が膜として機能し、その膜上で金属化層が電極として機能します。シリコン基板は下部電極として機能します。

バイアス電極に交流信号が印加されると、振動膜は対象媒体に超音波を発生させます。このようにして、送信機として機能します。一方、バイアスされたCMUTの膜に超音波が印加されると、CMUTの静電容量が変化するため、交流信号が生成されます。このようにして、超音波の受信機として機能します。^[1]

CMUTはマイクロマシンデバイスなので、この技術を使用してトランスデューサの2Dアレイを構築する方が簡単です。つまり、他のトランスデューサ技術と比較して、より広い帯域幅を提供するトランスデューサアレイに多数のCMUTを含めることができます。CMUTは寸法が小さいため、高周波動作の実現が容易です。^[2]動作周波数は、セルサイズ（膜の空洞）と、膜として使用される材料の剛性に依存します。シリコン上に構築されているため、他のトランスデューサ技術と比較して、CMUTの方が電子機器の統合が容易です。広い帯域幅で高周波を使用できる特性により、医療用画像診断、特に血管内超音波（IVUS）のトランスデューサとして使用するのに適しています。帯域幅が広いため、第2高調波画像診断に使用できます。また、CMUTをハイドロホンとして使用する実験もいくつか行われています。

製造方法

犠牲リリース表面のマイクロマシニング

表面マイクロマシニングは、CMUTを製造する従来の方法です。^[3]この方法の主な制限としては、犠牲材料のエッチング/排水チャネルを構築して密封するための製造プロセスが複雑であること、犠牲リリースチャネルが必要なためトランスデューサーに使用できるスペースが減り、達成可能な音生成能力が低下すること、製造プロセス中の層の厚さの制御が限られていること、セルキャビティ内の液体の残留物によりキャビティの厚さが制限され、セルが十分に厚くない場合はセルの上部と下部の間で固着を引き起こす可能性があることなどが挙げられます。 ^[3]

ウェーハボンディング

ウェーハボンディングは最も一般的な方法です。この方法では、CMUT は 2 つの別々のウェーハから構築され、後でそれらを結合してキャビティ付きのセルを実現します。

融合接合

ウェーハの融合接合。^[4]^[5]^[6]^[7]

マルチユーザーMUMPS（ポリMUMPS）プロセス。マルチユーザーMUMPSで製造されたCMUTは、比較的低い共振周波数など、性能が低下することが報告されている。^[8]

陽極接合

陽極接合では、ウェハは高温かつ電界下で密封される。^[9]

トップダウンプロセス

この方法では、従来の方法と比較して、製造は逆の順序で実行されます。^[10]^[11]構造膜はシリコン窒化物 LPCVD ですが、プロセス全体が低温であるため、CMOS と互換性があります。デバイスの放射面にエッチングホールはありません。接続パッドはデバイスの背面にあり、シリコンの貫通 VIA は使用されず、シリコン基板は完全に除去されています。デバイスの音響性能を向上させるために、カスタム音響バッキングが使用されます。このプロセスでは、マスクをほとんど使用しません (7–8)。^[12]

電気回路との統合

前述したように、圧電トランスデューサと比較した CMUT の大きな利点の 1 つは、既存の製造方法を使用して CMUT を電気回路と統合できることです。

ベンチマーク

CMUT の性能は、ピッチキャッチ実験とパルスエコー実験を使用してベンチマークされ、動作の均一性は空気中および水没状態でテストされます。ピッチキャッチ実験では、トランスデューサはハイドロフォンを使用してベンチマークされ、パルスエコー実験では、トランスデューサは送信と受信の両方に使用され、測定された信号がハイドロフォンの応答と比較されます。

アプリケーション

CMUT-on-CMOS テクノロジーとフリップチッププロセスにより、IVUSなどの小型医療用画像装置に必要な CMUT とフロントエンドエレクトロニクスの緊密な統合が可能になります。

参考文献

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^ 特許 US7790490

参照

PMUT、圧電性に基づく同様の技術

外部リンク

IEEE Spectrum における超音波の小型化の経緯
CMUT による超音波伝播のシミュレーションソフトウェア:
- フィールドII
- 集中

[General-1] 「CMUT の一般的な説明と利点」スタンフォード大学。2011 年 7 月 20 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年2 月 7 日閲覧。

[2] Oralkan, O.; Ergun, AS; Johnson, JA; Karaman, M.; Demirci, U.; Kaviani, K.; Lee, TH; Khuri-Yakub, BT (2002). 「静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ：音響イメージングのための次世代アレイ？」(PDF) . IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control . 49 (11): 1596–1610. doi :10.1109/TUFFC.2002.1049742. PMID 12484483. S2CID 17896227. 2012年3月18日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2011年2月8日閲覧。

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[4] Yongli Huang; Ergun, AS; Haggstrom, E.; Badi, MH; Khuri-Yakub, BT (2003). 「ウェハボンディング技術による静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの製造」Journal of Microelectromechanical Systems . 12 (2): 128–137. doi :10.1109/JMEMS.2003.809968. S2CID 73596830.

[5] Logan, A.; Yeow, JTW (2009). 「新しいシリコン窒化物ベースのウェーハボンディングプロセスによる容量性マイクロマシン超音波トランスデューサーの製造」. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 56 (5): 1074–1084. doi :10.1109/TUFFC.2009.1141. PMID 19473926. S2CID 12058311.

[6] Midtbo, K.; Ronnekleiv, A.; Wang, DT (2006). 「ウェーハボンディングによる CMUT の製造と特性評価」2006 IEEE 超音波シンポジウムpp. 938–941. doi :10.1109/ULTSYM.2006.249. ISBN 1-4244-0201-8. S2CID 20519164。

[7] Park, KK; Lee, HJ; Kupnik, M.; Oralkan, O.; Khuri-Yakub, BT (2008). 「直接ウェーハボンディングと LOCOS 技術による静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの製造」2008 IEEE 第 21 回国際マイクロ電気機械システム会議pp. 339–342. doi :10.1109/MEMSYS.2008.4443662. ISBN 978-1-4244-1792-6. S2CID 9508355。

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[9] オルクム、セリム;オグズ、ケイガン。センリク、ムハンマド N.ヤマナー、F. ヤルシン。ボズクルト、アイハン。アタラー、アブドラ。コイメン、ヘイレッティン (2009)。「ウェーハ接合型容量性微細加工水中トランスデューサ」。2009 IEEE 国際超音波シンポジウム。 976–979ページ。土井：10.1109/ULTSYM.2009.5441699。hdl :11693/28638。ISBN 978-1-4244-4389-5. S2CID 7143784。

[10] コッパ、A.;シアンシ、E。フォグリエッティ、V.カリアーノ、G.パパラルド、M. (2007)。「イメージングアプリケーション用の CMUT を上から下まで構築する」。マイクロエレクトロニクス工学。84 (5–8): 1312–1315。土井：10.1016/j.mee.2007.01.211。

[11] アレッサンドロ・カロンティ;コッパ、アンドレア。サヴォイア、アレッサンドロ。ロンゴ、クリスティーナ。ガッタ、フィリップ。マウティ、バーバラ。コルボ、アントニオ。カラブレーゼ、ベアトリス。ボッリーノ、ジュリオ。パス、アレハンドロ。カリアーノ、ジョズエ。マッシモ・パパラルド (2008)。「逆プロセスを使用して製造された曲線状の容量性マイクロマシン超音波トランスデューサー (CMUT) アレイ」。2008 IEEE 超音波シンポジウム。 2092–2095ページ。土井：10.1109/ULTSYM.2008.0517。ISBN 978-1-4244-2428-3. S2CID 6900919。

[12] 特許 US7790490