CMOS-MEMS雙電極式超聲波換能器之設計與特性探討

Design and Characterization of CMOS-MEMS Dual-Electrode Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers

廖宜仁

指導教授 ： 李昇憲

國立清華大學/工學院/奈米工程與微系統研究所/碩士(2014年)

摘要

本研究利用TSMC 0.35m 2P4M CMOS-MEMS標準製程開發電容式超聲波換能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers, CMUTs)，電容式超聲波的特性為擁有較佳的接收靈敏度且易與CMOS-MEMS電路作整合。本研究主要結合雙電極、凹槽以及陣列式設計，雙電極設計可以利用偏壓的調整使得結構的電容間隙縮小以提升訊號；凹槽設計除了能降低薄膜剛性，使所需要的偏壓降低外，也可增加平均薄膜的位移，因此提升訊號強度；最後陣列式設計則是為了提升發送超聲波時的壓力以及接收超聲波時的訊號。
量測的結果顯示，在利用72個薄膜陣列所組成的雙電極電容式超聲波元件，其接收端在放大20dB後擁有460mV的電壓峰對峰值，其中心頻落在2MHz，比例頻寬為120%。在發送方面，元件未吸附前可產生約43.9kPa的超聲波壓力，中心頻在4.07MHz，比例頻寬為261%；當元件薄膜吸附在底電極後也擁有約4kPa的超聲波發送壓力，中心頻在8.07MHz，比例頻寬為85.8%。由於製程因素未將雙電極的特性表現出來，未來將改善製程及元件設計，相信可達到單一晶片上自發自收且整合電路之效能，以應用於生醫的檢測及造影成像。

關鍵字

CMOS-MEMS ； 超聲波 ； 電容式超聲波換能器 ； 雙電極

參考文獻

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