Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers (PMUTs) integrated on CMOS

Abstract

La necessitat de nous sistemes d'ultrasò compactes i dimensions molt reduides per a aplicacions no invasives d'àrea limitada (com dispositius portàtils o sistemes d'ultrasò intravascular) ha inspirat recentment la comunitat científica a desenvolupar nous dispositius d'ultrasò basats en materials piezoelèctrics de pel·lícula prima seguint un procés basat en tecnologia MEMS. La robustesa de la tecnologia MEMS juntament amb les necessitats de baixa potència per a la transducció al material piezoelèctric (en comparació amb els transductors d'ultrasò capacitius), proporciona una fabricació d'alt rendiment per a una gran quantitat de dispositius iguals en forma de matrius. A més, la possibilitat d'integració amb CMOS permetrà encara més el processament directament a nivell de xip, i proporcionarà intel·ligència en un sistema molt compacte. En aquest context, la investigació presentada en aquesta tesi se centra a millorar el rendiment dels transductors ultrasònics micromecanitzats piezoelèctrics (PMUT), assegurant la capacitat d'integrar-se monolíticament en substrats CMOS. L'objectiu és proporcionar un dispositiu compacte amb un rendiment i una fiabilitat millorats com a sistema d'ultrasò en comparació amb l'estat de l'art. La tecnologia proporcionada per Silterra assegura la possibilitat d'integració amb el circuit CMOS amb mínimes capacitats paràsites i amb un alt factor de farciment en sistemes de matriu. En particular, aquesta investigació tracta, en primer lloc, de l'optimització de dispositius PMUT individuals per millorar-ne el rendiment acústic seguint tres enfocs principals: (1) modificacions innovadores del disseny de l'estructura, (2) variacions en els materials piezoelèctrics i (3) variacions dels gruixos de les capes. Diversos dissenys de PMUT (configuracions simples i en matrius), AlN i AlScN com a materials piezoelèctrics, i gruixos que van des de 1 µm fins a 1,5 µm per a la capa passiva i des de 0,6 µm fins a 1.3 µm per a la capa activa s'analitzen , modelen i caracteritzen al llarg d'aquesta tesi. Finalment, l'aplicació d'aquests dispositius PMUT-on-CMOS a sistemes d'imatge i com a sensor de fluids per extreure les propietats hidrodinàmiques dels líquids, demostren la versatilitat aconseguida pels sistemes desenvolupats.

La necesidad de nuevos sistemas de ultrasonido compactos y de tamaño reducido para aplicaciones no invasivas de área limitada (como dispositivos portátiles o sistemas de ultrasonido intravascular) ha inspirado recientemente a la comunidad científica a desarrollar nuevos dispositivos de ultrasonido basados en materiales piezoeléctricos de película delgada siguiendo un proceso basado en tecnología MEMS. La robustez de la tecnología MEMS junto con las necesidades de baja potencia para la transducción en el material piezoeléctrico (en comparación con los transductores de ultrasonido capacitivos), proporciona una fabricación de alto rendimiento para una gran cantidad de dispositivos iguales en forma de matrices. Además, la posibilidad de integración con CMOS permitirá aún más el procesamiento directamente a nivel de chip, proporcionando inteligencia en un sistema muy compacto. En este contexto, la investigación presentada en esta tesis se centra en mejorar el rendimiento de los transductores ultrasónicos micromecanizados piezoeléctricos (PMUT), asegurando la capacidad de integrarse monolíticamente en sustratos CMOS. El objetivo es proporcionar un dispositivo compacto con un rendimiento y una fiabilidad mejorados como sistema de ultrasonido en comparación con el estado del arte. La tecnología proporcionada por Silterra asegura la posibilidad de integración con el circuito CMOS con mínimas capacidades parásitas y con un alto factor de relleno en sistemas de matriz. En particular, esta investigación trata, en primer lugar, de la optimización de dispositivos PMUT individuales para mejorar su rendimiento acústico siguiendo tres enfoques principales: (1) modificaciones innovadoras de la estructura de diseño, (2) variaciones en los materiales piezoeléctricos y (3) ) variaciones de los espesores de las capas. Varios diseños de PMUT (configuraciones simples y en matrices), AlN y AlScN como materiales piezoeléctricos, y espesores que van desde 1 µm hasta 1,5 µm para la capa pasiva y desde 0,6 µm hasta 1.3 µm para la capa activa se analizan, modelan y caracterizan a lo largo de esta tesis. Finalmente, la aplicación de estos dispositivos PMUT-on-CMOS en sistemas de imagen y como sensor de fluidos para extraer las propiedades hidrodinámicas de los líquidos, demuestran la versatilidad lograda por los sistemas desarrollados.

The need for new minute and compact ultrasound systems for non-invasive applications in limited area (such as wearables or intravascular ultrasound systems) has recently inspired the scientific community to develop novel ultrasound devices based on thin-film piezoelectrical materials following a MEMS technology process. Robustness of the MEMS technology along with low power needs for transduction on the piezoelectrical material (in comparison with capacitive ultrasound transducers), provides high yield fabrication towards a large number of equal devices in an arrayed form. Additionally, the possibility of the integration with CMOS will further allow edge processing directly at the chip level, providing smartness in a very compact system. In this context, the research presented in this dissertation focuses on improving the performance of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (PMUTs) ensuring the capability to be integrated monolithically on CMOS substrates. The goal is to provide a compact device with improved performance and reliability as an ultrasound system compared to the state-of-the-art. The technology provided by Silterra ensures the possibility of integrating with the CMOS circuitry with minimal parasitic capacities and a high fill factor in array systems. In particular, this research deals, firstly, with the optimization of single PMUTs devices towards the improvement of their acoustic performance following three main approaches: (1) innovative modifications of the design structure, (2) variations in the piezoelectric materials, and (3) layers thicknesses scaling. Several designs of PMUTs (single and in array configurations), AlN, and AlScN as piezoelectric materials, and thicknesses ranging from 1 µm to 1.5 µm for the passive layer and from 0.6 µm to 1.3 µm for the active layer are analyzed, modeled, and characterized throughout this thesis. Finally, the application of these PMUT-on-CMOS devices in imaging systems and as a fluid sensor to extract the hydrodynamic properties of liquids, demonstrate the versatility achieved by the developed systems.