单片集成压电聚合物换能器与CMOS工艺

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引言

生物电子应用的最新进展推动了压电材料与CMOS工艺集成的研究发展。这种集成技术支持多种应用，包括数据遥测、医学超声成像和能量采集。在压电材料中，聚偏氟乙烯(PVDF)虽然在低频下转换效率相对较低，但在高频应用中表现出优异的特性[1]。

图1展示了PVDF和PZT的晶体结构，比较了机电特性，并显示了传感器接口示意图。

与传统的压电陶瓷材料(如锆钛酸铅PZT)相比，PVDF具有多项优势。PVDF的声阻抗较低(3.9 MRayls，而PZT为34.4 MRayls)，可实现与生物组织更好的声耦合。此外，PVDF的柔性使其能够适应不规则表面，特别适合可穿戴应用。PVDF的生物相容性和化学惰性也使其更适合植入式器件。

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器件制造工艺

制造工艺始于90纳米CMOS芯片，包含206个换能器单元，排列成线性阵列。每个单元尺寸为25×30微米²，厚度约5.5微米，设计工作频率为100MHz。

图2显示了CMOS芯片显微照片和钝化刻蚀后铝垫的扫描电镜图像。

图3展示了PVDF在CMOS上集成的完整制造工艺流程。

制造工艺包含以下关键步骤：

• 初始准备包括使用反应离子刻蚀(RIE)进行钝化层刻蚀，使放大器焊盘可接触。
• 使用负性光刻胶(Perminex 2001)进行粘结，保持厚度低于250纳米。
• PVDF层(9微米)在80°C下通过热压实现粘结。
• 使用193纳米ArF准分子激光器进行精确图案化。
• 后续工艺包括聚对二甲苯钝化和铬金属化。
  
  

图4通过照片和扫描电镜图像展示了制造工艺的各个阶段。

温度控制在制造过程中非常重要，因为长时间暴露在80°C以上会降低PVDF的压电性能。这需要对传统光刻工艺进行改进，包括延长光刻胶的低温烘烤时间。

图5显示了制备的和原始PVDF换能器的拉曼光谱对比，证实了压电性能的保持。

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器件表征与性能

集成的PVDF换能器使用水箱装置进行了全面的声学表征。使用Verasonics L12-3V线性阵列发射脉冲声信号。

图6展示了声学测量装置和超声响应与深度的关系。

通过体外和体内实验验证了器件的成像能力。体外测试使用碳纤维模型评估空间分辨率。

图7展示了碳纤维模型的显微图像和三维重建图像。

体内实验包括对小鼠耳血管的成像，展示了器件在生物医学应用中的实际效果。系统在保持安全光脉冲能量水平(5mJ/cm²)的同时实现了高分辨率成像。

图8显示了体内光声成像装置、显微镜下的实际图像和重建的血管图像。

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结论

本文介绍了在CMOS基底上直接制备微米级PVDF超声换能器的综合方法。所述制造技术使换能器阵列单元的尺寸比目前最先进的器件小两个数量级以上。体外和体内成像能力的成功演示，分辨率优于30微米，显示了该技术在生物医学应用中的优势。