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使用微型层析成像和微机械测试对超材料材料模型
1 Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials, 79108 Freiburg im Breisgau, Germany 2 Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM, 79108 Freiburg im Breisgau, Germany 3 Lightweight Systems, Saarland University, 66123 Saarbrucken, Germany 4 Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS, 91058德国Erlangen 5 Fraunhofer机床和成立技术IWU研究所，德累斯顿，德累斯顿，6弗劳恩霍夫非造成的测试研究所IZFP IZFP，66123，德国萨尔布鲁肯，德国 *通信 *通信：）; sarah。fincher@izfp.fraunhofer.de（s.c.l.f.）†当前地址：Deggendorf理工学院应用计算机科学学院，德国Deggendorf 94469。‡当前地址：复杂材料研究所，莱布尼兹·伊夫·德累斯顿（Leibniz ifw Dresden），德国德累斯顿（Dresden），德国。
嵌入式微机械设备方法的表征 MEMS 与 CMOS 单片集成
最近，人们对将微机电系统 (MEMS) 与驱动、控制和信号处理电子设备进行单片集成的制造工艺产生了浓厚的兴趣。这种集成有望提高微机械设备的性能，并降低制造、封装和仪表化这些设备的成本，方法是将微机械设备与电子设备在同一制造和封装过程中结合起来。为了保持模块化并克服 CMOS 优先集成方法的一些制造挑战，我们开发了一种 MEMS 优先工艺。该工艺将微机械设备放置在浅沟槽中，对晶圆进行平面化，并将微机械设备密封在沟槽中。然后，在将设备嵌入沟槽后进行高温退火，然后再进行微电子加工。这种退火可以消除微机械多晶硅的应力，并确保与微电子加工制造相关的后续热处理不会对多晶硅结构的机械性能产生不利影响。然后，这些带有已完成的平面化微机械器件的晶圆被用作传统 CMOS 工艺的起始材料。该工艺的电路成品率已超过 98%。本文介绍了集成技术、该技术的改进以及器件特性的晶圆级参数测量。此外，本文还介绍了使用该技术构建的集成传感器件的性能。
基于SOI的微机械Terahertz检测器在室温和大气压下运行
我们提出了在绝缘子底物上硅上制造的微型机械Terahertz（THZ）检测器，并在室温下运行。该设备基于微米尺寸的U形悬臂，其中两个铝制半波偶极天线被沉积。这会在2 - 3：5 THZ频率范围内延伸的吸收。由于硅和铝的不同热膨胀系数，吸收的辐射会诱导悬臂的变形，悬臂的变形是使用1.5 L M Laser二极管光学地读出的。通过用振幅调制2.5 THz量子级联激光器照明检测器，我们在室温和大气压下获得1：5 10 8 pm W 1的响应性，用于悬臂的基本机械弯曲模式。这产生了20 nw = unigrounforkHz p 2.5 thz的噪声当量功率。最后，该模式的低机械质量因子对大约150 kHz带宽的广泛频率响应，热响应时间为2.5 l s。
生物医学应用中的薄膜压电微机械超声传感器：评论
摘要 - 薄膜压电微机械超声传感器（PMUTS）是一个越来越相关且经过充分研究的领域，随着技术的继续成熟，它们的生物医学重要性一直在增长。本评论论文简要地讨论了他们在生物医学使用中的历史，简单地说明了他们的原理，并阐明了这些设备的材料选择。主要是讨论了PMUT在生物医学行业中的重要应用，并展示了在每个应用程序中取得的最新进展。涵盖的生物医学应用包括超声检查，例如超声成像，超声疗法和流体感应的常见历史用途，但还具有新的和即将到来的应用，例如药物输送，光声成像，热声学成像，生物透镜和内置通信。通过在不同应用程序中包括设备比较图表，该评论旨在通过为最近的研究工作提供基准来帮助与PMUTS合作的MEMS设计师。此外，它还讨论了生物医学领域的PMUT所面临的当前挑战，当前的，可能的未来研究趋势以及PMUT开发领域的机会，以及分享作者在整个技术状态下的意见和预测。该评论的目的是对这些主题进行全面介绍，而不会深入研究现有文献。
基于 AlScN 压电微机械超声波换能器的无线功率传输能量收集装置
摘要：超声波无线能量传输技术（UWPT）是植入式医疗设备（IMD）供电的关键技术。近年来，氮化铝（AlN）由于其生物相容性和与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的兼容性而备受关注。同时，钪掺杂氮化铝（Al 90.4％Sc 9.6％N）的集成是解决AlN材料在接收和传输能力方面的灵敏度限制的有效解决方案。本研究重点开发基于AlScN压电微机电换能器（PMUT）的微型化UWPT接收器装置。所提出的接收器具有2.8×2.8 mm 2的PMUT阵列，由13×13个方形元件组成。采用声学匹配凝胶，解决液体环境下声阻抗不匹配问题。在去离子水中的实验评估表明，电能传输效率（PTE）高达2.33%。后端信号处理电路包括倍压整流、储能、稳压转换部分，可有效将产生的交流信号转换为稳定的3.3V直流电压输出，成功点亮商用LED。这项研究扩展了无线充电应用的范围，为未来实现将所有系统组件集成到单个芯片中，进一步实现设备小型化铺平了道路。
背衬压电微机械超声换能器（B-PMUT）二维阵列的开发
[1] MILLER DL, SMITH NB, BAILEY MR 等。治疗性超声应用和安全注意事项概述[J]。超声医学杂志，2012，31 (4): 623-634。[2] WANG J, ZHENG Z, CHAN J 等。用于血管内超声成像的电容式微机械超声换能器[J]。微系统纳米工程，2020，6 (1): 73。[3] JIANG X, TANG HY, LU Y 等。基于与 CMOS 电路键合的 PMUT 阵列的发射波束成形超声指纹传感器[J]。IEEE 超声铁电频率控制学报，2017，PP (9): 1-1。[4] CHEN X, XU J, CHEN H 等。利用多频连续波的 pMUT 阵列实现高精度超声测距仪[J]。微机电系统，2019 年。[5] CABRERA-MUNOZ NE、ELIAHOO P、WODNICKI R 等人。微型 15 MHz 侧视相控阵换能器导管的制造和特性[J]。IEEE 超声铁电和频率控制学报，2019 年：1-1。[6] LU Y、HEIDARI A、SHELTON S 等人。用于血管内超声成像的高频压电微机械超声换能器阵列[S]。IEEE 微机电系统国际会议；2014 年。[7] ZAMORA I、LEDESMA E、URANGA A 等人。用于成像应用的具有 +17 dB SNR 的单片 PMUT-on-CMOS 超声系统[J]。 IEEE Access，2020，页（99）：1-1。[8] JUNG J，LEE W，KANG W 等。压电微机械超声换能器及其应用综述[J]。微机械与微工程杂志，2017，27 (11)：113001。[9] BERG S，RONNEKLEIV A。5F-5通过引入有损顶层降低CMUT阵列中膜之间的流体耦合串扰[S]。超声波研讨会；2012年。[10] LARSON J D。相控阵换能器中的非理想辐射器[S]。IEEE；1981年。[11] NISTORICA C、LATEV D、SANO T 等。宽带宽、高灵敏度的高频压电微机械换能器[S]。 2019 IEEE 国际超声波研讨会（IUS）；2019: 1088-1091。[12] 何丽梅，徐文江，刘文江等。基于三维有限元仿真的二维阵列压电微机械超声换能器性能和串扰评估[S]。2019 IEEE 国际超声波研讨会（IUS）；2019。[13] PIROUZ A、MAGRUDER R、HARVEY G 等。基于 FEA 和云 HPC 的大型 PMUT 阵列串扰研究[S]。2019 IEEE 国际超声波研讨会（IUS）；2019。[14] DZIEWIERZ J、RAMADAS SN、GACHAGAN A 等。一种用于NDE应用的包含六边形元件和三角形切割压电复合材料子结构的2D超声波阵列设计[S]。超声波研讨会；2009年。[15]徐婷，赵玲，姜哲，等。低串扰、高阻抗的压电微机械超声换能器阵列设计
适用于航空航天应用的 MEMS 压力传感器
现代飞机（军用和民用市场）上的压力传感器范围非常广泛且复杂。许多飞机系统都需要压力传感器作为控制元件，例如：发动机（油压、压缩机压力、电子发动机控制）；燃料（泵压力、燃油调节）；液压系统（制动系统、负载控制）和环境应用（空调、增压）。未来的飞机系统将对压力传感器的重量、尺寸、成本、可靠性和信号处理提出更高的要求 [11。微机械压力传感器对航空航天应用具有吸引力，因为它们旨在在单个芯片中构建小尺寸、轻重量、低成本和最先进的信号处理电子单元。体微机械压力传感器是最早由硅微机械加工制成的产品之一 [2]。这些第一代 MEMS 压力传感器是在 1970 年代开发的。如今，许多公司制造和销售用于汽车、工业和生物医学应用的体微机械压力传感器。这些压力传感器的测量范围可高达 10,000 Psi，并且具有出色的可靠性。例如，Foxboro 公司报告称，他们的压力传感器可以承受 50 亿次 0 至 10,000 Psi 的压力循环。由于这些体微机械压力传感器已经研究多年，因此在制造和设计两个领域的知识都非常丰富 [3-71。
MSST 模块 1 微机电系统 (MEMS) ...
在过去的二十年中，已经出现了几种微机械传感器。其中，压力传感器占据了近 60% 的市场。图 1.10 (a) 显示了压阻式压力传感器芯片的示意等距剖面图。在这里，我们可以看到集成在微机械硅膜片上的四个压敏电阻（压电电阻）。微机械加速度计是另一种受到航空航天、汽车和生物医学行业广泛关注的设备。图 1.10 (b) 显示了这种设备的示意横截面图。地震质量响应加速度并偏转，从而导致质量和固定电极之间的电容发生变化。电容的变化是位移的量度，而位移又取决于加速度。
用于神经调节的 32 元件压电微机械超声换能器 (PMUT) 相控阵
摘要 人们对利用超声 (US) 换能器进行非侵入性神经调节治疗，包括低强度经颅聚焦超声刺激 (tFUS) 的兴趣迅速增长。用于 tFUS 的最广泛展示的超声换能器是体压电换能器或电容式微机械换能器 (CMUT)，它们需要高压激励才能工作。为了推动超声换能器向小型便携式设备的发展，以便大规模安全地进行 tFUS，人们对具有光束聚焦和控制能力的低压超声换能器阵列很感兴趣。这项工作介绍了使用 1.5 µ m 厚的 Pb(Zr 0.52 Ti 0.48)O3 薄膜（掺杂 2 mol% Nb）的 32 元件相控阵压电微机械超声换能器 (PMUT) 的设计方法、制造和特性。电极/压电/电极堆栈沉积在绝缘体上硅 (SOI) 晶片上，硅器件层厚度为 2 µ m，用作弯曲模式振动的被动弹性层。制造的 32 元件 PMUT 的中心频率为 1.4 MHz。演示了超声波束聚焦和控制（通过波束成形），其中阵列由 14.6 V 方波单极脉冲驱动。PMUT 在焦距为 20 mm 时产生的最大峰峰值聚焦声压输出为 0.44 MPa，轴向和横向分辨率分别为 9.2 mm 和 1 mm。最大压力相当于 1.29 W/cm 2 的空间峰值脉冲平均强度，适用于 tFUS 应用。
信息与热力学：欠阻尼微机械振荡器中兰道尔界限的快速精确方法
信息处理的热力学能量成本是一个被广泛研究的课题，既有其基本方面，也有其潜在的应用[1-9]。该能量成本有一个下限，由 Landauer 原理确定[10]：在温度 T 下，从存储器中擦除一位信息至少需要 k BT ln 2 的功，其中 k B 为玻尔兹曼常数。这是很小的能量，在室温（300 K）下仅为 ∼ 3 × 10 − 21 J，但它是一个通用的下限，与所用存储器的具体类型无关，并且与广义 Jarzynski 等式 [11] 相关。已在多个经典实验中测量了兰道尔边界 (LB)，这些实验使用了光镊 [ 12 ， 13 ]、电路 [ 14 ]、反馈阱 [ 15 – 17 ] 和纳米磁体 [ 18 ， 19 ]，以及捕获超冷离子 [ 20 ] 和分子纳米磁体 [ 21 ] 的量子实验。在准静态擦除协议中可以渐近地达到 LB，其持续时间比上述用作一位存储器的系统的弛豫时间长得多。实际上，当在短时间内执行擦除时，可以使用最优协议最小化此类过程所需的能量，这些协议已经过计算 [ 22 – 27 ] 并用于过阻尼系统 [ 17 ]。更快接近渐近 LB 的另一个策略当然是减少弛豫时间。然而，对于非常快的协议，人们可能想知道机械（电子）系统中的惯性（感应）项是否会影响其可靠性和能量成本。