Giant Pressure Output Efficiency of Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers Using Nano-Silicon-Springs

연구 배경

기존 초음파 프로브는 압전 세라믹을 사용하므로 채널마다 다이싱이 필요해 제작에 많은 노력이 들고, 두꺼운 정합층과 후면층이 필요하며, 고품질 영상을 위해 납 기반 재료를 써야 합니다. CMUT는 납을 쓰지 않고 CMOS 전자회로와 집적하기 쉬우며 정합층과 후면층이 필요 없어 소형화와 웨어러블 소자에 적합합니다. 그러나 출력 음압이 낮고 바이어스 전압이 높아 영상 깊이가 얕고 구동 전압이 높다는 점이 상용 영상 프로브로 쓰이는 데 걸림돌이었습니다.

설계와 접근

움직이는 진동판 아래에 나노 실리콘 기둥을 스프링으로 배치해, 진동판이 휘지 않고 피스톤처럼 평행하게 움직이도록 함으로써 평균 변위를 높이는 설계입니다. 단결정 실리콘이 나노 크기에서 큰 탄성 변형을 견딘다는 점에 근거하며, 실리콘 나노기둥은 최대 16%의 탄성 변형이 보고되었습니다. 소자는 소자층 비저항이 0.005 ohm-cm 미만인 두 장의 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼를 융착 접합해 제작했고, 이 과정에서 180 nm의 진공 간극이 형성되었습니다. 심층 반응성 이온 식각으로 소자 요소와 스프링의 평면 치수를 정의하고, 상부 웨이퍼의 핸들층을 연삭·연마한 뒤 마이크로 범프 구조와 상부 진동판을 패터닝하고 500 nm 알루미늄 접촉 패드를 증착했습니다.

평가 방법

제작한 어레이는 주사전자현미경으로 관찰했으며, 집속 이온빔으로 스프링 단면도 확인했습니다. 한 소자 요소의 전기 입력 임피던스는 공기 중에서 DC 바이어스를 인가하고 임피던스 분석기로 측정했습니다. 진동판 변위는 레이저 도플러 진동계를 10 μm 간격으로 28단계 주사해 측정했고, 음향 출력은 하이드로폰으로 측정했으며, 두 측정 모두 소자를 옥수수기름에 담근 상태에서 수행했습니다.

연구 내용과 주요 결과

한 소자 요소의 평균 개방 회로 공진 주파수는 공기 중 40 V 바이어스에서 6.7 MHz였습니다. 옥수수기름 속에서 50 V DC 바이어스에 1 VPp 연속 교류 신호를 더했을 때 최대 첨두간 변위 효율은 5.37 nm/V였습니다.

하이드로폰으로 3.5 mm 거리에서 측정한 음압은 37.5 kPa였고, 이로부터 4.7 MHz, 5 VPP 5주기 펄스에서의 최대 표면 음압을 1.1 MPa로 계산했습니다. 이에 따른 음압 출력 효율 220 kPa/V는 상용 PZT 프로브의 13.4 kPa/V, 기존 CMUT의 6.30 kPa/V, 마이크로 실리콘 기둥을 넣은 CMUT의 21.5 kPa/V, 전극 기둥을 넣은 CMUT의 61.2 kPa/V와 비교되며, 저자들은 뒤의 두 소자보다 각각 10배, 3.6배 높다고 밝혔습니다.

남은 과제

저자들은 이 CMUT를 이용한 휴대형·웨어러블 초음파 영상 소자 구현을 후속 과제로 제시했습니다.

다른 연구와의 연결

Khuri-Yakub와 Oralkan은 의료 영상과 치료용 CMUT의 구조, 제작, 회로 집적을 정리했습니다. 이 논문은 진동판을 지지하는 방식을 바꿔, 내장한 나노 실리콘 스프링으로 피스톤형 진동판 운동을 얻었다는 점이 다릅니다.