基于硅硅鍵合的電容式微超聲波換能器設計與測試

楊 樂， 張 亞

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

0 引 言

目前，基于鋯鈦酸鉛(Pb-based zirconate titanate,PZT)的壓電超聲換能器在水下成像技術中占據著主導的地位。但其存在著制作二維陣列困難、成本高、帶寬小等嚴重缺陷。微制造技術的進步使得電容式微超聲換能器(capacitive micro ultrasonic transducer,CMUT)制造技術得以發展，其寬帶寬和設計靈活性已成為替代老化的PZT換能器的有力技術。此外，其與集成電路的兼容性等為CMUT的發展提供了很好的前景。CMUT的制造技術、陣列配置能力、良好的聲阻抗匹配，為工作于液體環境中的高運行效率設備提供了下一代傳感器。

超聲波換能器是水下探測和超聲成像系統的核心，本文針對CMUT的結構特點，對結構進行力電耦合分析，完成了微小敏感單元的設計。以惠更斯原理及Bridge乘積定理為依據，研究了陣元形狀、陣元大小、陣元數目及陣元間距對陣列指向性的影響，研究了CMUT陣列設計方法，測試證明該陣列具有良好的指向性并與仿真結果一致。

1 結構設計

CMUT的振動頻率與膜的半徑與膜的厚度有關[1～5]。因為超聲波在較低的頻率上可以進行較遠的距離探測，根據以前的研究和工藝條件，設計CMUT膜的半徑和膜的厚度分別為110 μm和3.4 μm。

CMUT工作在發射模式下需要高的腔高才能獲得高的信號輸出。而CMUT工作在接收模式下換能器需要腔高度小才能獲得高電平，從而才能獲得高的靈敏度[2～4]。經過平衡考慮，確定了最佳空腔高度為1.2 μm。當CMUT頂部電極的半徑是膜的半徑的40 %～50 %時，換能器可以獲得寬頻帶，所以，頂部電極半徑為55 μm。利用高摻雜硅(Si)晶片作為襯底與電極形成歐姆接觸[5～8]。為使膜與上電極分離，防止傳感器發生短路[9～11]，在頂部電極和振動膜之間添加一層二氧化硅(SiO2)絕緣層[12～14]。在CMUT中，多個相同的陣元(element)以一維或二維結構排列形成線陣或面陣[15]。Element由許多單個微小敏感單元(cell)組成，每個cell由頂部電極、振動薄膜、絕緣層、真空腔和硅襯底、底部電極組成。CMUT的cell橫截面圖如圖1(a)所示，單個Element如圖1(b)所示。

圖1 器件圖

另外，本文所設計的電容式微機械超聲波傳感器的其他結構參數為：塌陷電壓80 V，空氣中頻率2.8 MHz。

CMUT膜是絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)器件層硅(各向同性)，方向為〈111〉,電阻率為0.001Ω.cm 。絕緣層為在鍵合之前濕氧單晶硅，氧化厚度為1 μm，襯底是500 μm厚的單晶硅，電阻率為0.001 Ω·cm，方向為〈100〉。Si具體參數為：密度為2 330 kg/m3,泊松比為0.27，楊氏模量為169 GPa;SiO2參數為密度為2 200 kg/m3，泊松比為0.17，楊氏模量為70 GPa，相對介電常數為3.9。

本文設計的CMUT工藝主要包括干法刻蝕(ICP,深硅刻蝕)、陽極鍵合、濕法腐蝕等主要工藝。利用SOI與氧化硅鍵合時，將SOI片的鍵合面與氧化硅的圖形面相對，利用氧化硅晶圓與托盤中的金屬配件將SOI片的鍵合面與金屬托盤連通，實現氧化硅與SOI片鍵合面、托盤之間的導通，進行陽極鍵合。具體工藝步驟：1)備片；2)在氧化硅的正面做圖形(2(b))；3)SOI與氧化硅鍵合(如圖2(c))；4)去掉SOI片襯底層(如圖2(d))；5)去掉氧化片背面氧化層(如圖2(e))；6)正面刻蝕硅形成隔離通道(如圖2(f))；7)在氧化片背面進行離子注入(如圖2 (g))；8)金屬圖形化，形成上下電極(如圖2(h))。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程

2 有限元仿真

2.1 圓膜在標準大氣壓下的諧響應分析

利用ANSYS仿真軟件建立CMUT模型，選用實體單元SOLID187，對其應力分析。對其振動膜上表面施加一個標準大氣壓，施加z方向的靜電力，從而耦合TRANS126單元，隨著靜電力的增大，薄膜受到靜電力的作用而向CMUT腔內塌陷，從而仿真得出CMUT的塌陷電壓為80 V。而本文設計的CMUT傳感器工作于沒有塌陷的模式下，可以保證傳感器的可靠性。

2.2 圓膜在水中的諧響應分析

用ANSYS對結構進行諧響應分析，建半球模型模擬水中環境，加直流偏置電壓50 V和一個從0～5 mHz的聲壓，薄膜采用SOLID187單元，水中的環境采用SOLID163單元，腔氣隙采用TRANS126單元分析，對其進行耦合，得出其共振頻率為3 MHz，而本文所設計的傳感器在封裝后測得其頻率為2.8 MHz，造成頻率差的原因主要為封裝時所采用材料，另外，在對其進行諧響應分析時采用完全法，分析時沒有考慮預應力，導致計算結果有誤差[16]。

3 性能測試

3.1 C-V特性

利用阻抗分析儀對CMUT進行C-V曲線測試，施加從-100～100 V的直流偏置電壓，頻率為2.8 MHz，得到的C-V曲線如圖3所示，從圖中可以看出，在0 V時單個傳感器的電容值最小，在80～100 V之間，電容值不發生變化，其原因為對CMUT施加80 V電壓時，CMUT發生了塌陷，從而電容值不變。

圖3 C-V測試

3.2 單個電容傳感器測試與一致性

CMUT中每個cell膜的半徑和膜的厚度分別為110 μm和3.4 μm，初始電容值為：C=nεA/d(ε為真空介電常數，A為極板面積，d為極板間距)得到CMUT初始電容值680 pF。

利用阻抗分析儀將CMUT中上下極板連接起來，測得單個電容傳感器C-V曲線。如圖4(a)所示，重復測量單個陣元電容值，平均值680.62 pF。陣列上不同陣元電容測試如圖4(b)所示，計算得到陣列上電容平均值680 pF，誤差為0.62 pF，一致性良好。分析實際值與設計值有差距是傳感器中可能存在雜散電容值，或片內腔高、膜厚等參數存在加工誤差。

圖4 單個陣元與陣列靜態電容測試

3.3 發射性能測試

對CMUT進行水下性能測試，在一個長5 m、寬3 m、高2 m的水槽內放滿水，將收發CMUT傳感器對準間距為5 m，固定于水槽內，利用信號發生器發射一個正弦脈沖信號，頻率為2.8 MHz，幅度為2VPP。將信號發生器輸出的正弦脈沖信號經過功率放大器，放大100倍，接上發射用CMUT，驅動其發出超聲波，從而引起接收CMUT膜的振動，引起電容值變化。利用信號采集電路將采集到的信號在上位機上顯示。超聲波在水中的傳播速率為1 480 m/s，通過計算接收信號和發射信號之間的時間差可以得到發射CMUT和接收CMUT之間的距離。利用這種測試方法測出CMUT的最大發射距離為5 m，測得的發射信號與接收信號如圖5(a)所示。把發射用CMUT換成標準傳感器，接收CMUT陣列不變，從而測出本文設計的CMUT帶寬如圖5(b)所示。

圖5 測試結果

3.4 重復性測試

使用阻抗分析儀提供芯片不同的頻率，從0.8 MHz逐步增加到5 MHz，再從5 MHz逐漸遞減至0.8 MHz。測試得到不同頻率下傳感器的電容值如圖6所示。分析曲線可以得到，在0.8～5 MHz頻率范圍內，電容值穩定在680 pF，傳感器固有頻率為2.8 MHz。

圖6 重復性測試

4 結 論

本文介紹了電容式微超聲波換能器的工作原理。由其制作的傳感器誤差小，工藝過程(采用陽極鍵合工藝)簡單，能進行量產。利用E4990A阻抗分析儀研究了CMUT的電容值隨工作頻率的變化，得出了傳感器的頻率特性。利用該儀器分析了CMUT的C-V特性，得出實際值與理論值的誤差僅為0.62 pF，說明采用這種工藝誤差非常小，特別適用于傳感器的生產。本文為CMUT結構和性能的后續研究提供了參考。