水下探測微電容超聲波換能器線陣設計與封裝*

張 睿， 潘理虎， 陳立潮， 張永梅， 薛晨陽， 張文棟， 何常德

(1.太原科技大學計算機科學與技術學院 太原，030024) (2.北方工業大學計算機學院 北京，100144) (3.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原，030051)

引 言

超聲波具有較好的定向性能和穿透性，易于將聲能集中傳播，探測范圍廣，這些優勢為快速、準確獲取水下地理信息和資源信息提供了技術保障[1]。通常將發射和接收超聲波的探頭稱為超聲換能器，它是水下超聲探測系統最重要的部件，制約著水下探測技術的發展。基于微機電系統 (micro-electro-mechanical system，簡稱MEMS)制作的超聲波換能器(micromachined ultrasonic transducer，簡稱MUT)是現階段超聲波換能器研究的新熱點以及將來的發展趨勢。新型MUT利用高精度(微米量級)微電子和微機械加工技術嚴格降低了制作陣列的誤差，在優化換能器及其陣列尺寸的同時提高了探測的分辨率[2]。基于MEMS技術的微電容超聲波換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer，簡稱CMUT)被近似認為是一種下電極固定，上電極振動的微型平行板電容器，工作模式下通過驅動上電極的振動使平行電容間電容量發生改變，進而最終達到電能與聲能互相轉換的目的。

國內外對CMUT 的研究多是針對3MHz以上醫學探測應用，水下探測的研究剛剛起步，現有相關水下研究[3-5]并不多見，且報道的CMUT頻率與醫學探測頻率相近(≥2MHz)，限制了水下探測距離(≤300mm)。相比目前國內外水下探測換能器主要采用的分立壓電陶瓷探測陣列、集成壓電陶瓷探測陣列而言，基于光刻工藝的CMUT擁有較低的聲特性阻抗，能夠在液體環境下實現良好的阻抗匹配，無需制備表面匹配層，頻帶較寬，靈敏度較高，且加工工藝復雜度較低，易于集成陣列[6-8]。這些優勢使得CMUT陣列滿足成為水下高分辨率探測聲吶的條件，在水下探測領域具有較好的發展前景。

筆者以實現小型化CMUT陣列水下高分辨目標探測為主要目標，開展了水下探測CMUT陣列幾何優化設計、CMUT水下封裝和性能測試技術三方面的研究，為我國自主研發水下勘探超聲設備的改進提供理論支撐。

1 工作原理

如圖1所示，CMUT陣列屬于多層復合結構，陣列由多組陣元規則排列構成，單個陣元又由較多基礎元素敏感單元并行規則排列組成。敏感單元結構如圖2所示，由上而下依次為金屬鋁上電極、SOI片的頂層硅制作的振動薄膜、氧化硅隔離層、氧化硅刻蝕得到的密閉真空腔體、氧化硅絕緣層、硅襯底及金屬鋁下電極構成。CMUT的工作模式離不開直流偏置電壓，工作時需將直流偏置電壓施加在上下電極，產生的靜電力將薄膜垂直拉向下電極方向，但由于薄膜自身存在反向的回復力，薄膜很快停止運動，達到平衡狀態。若此刻再次施加所需頻率的交流激勵電壓，會使振動薄膜發生撓曲，輻射相應頻率的超聲波。若在平衡狀態下，外界變化的聲壓作用在薄膜上，會使薄膜產生撓曲，進而改變空腔內電容量，產生微弱的電流信號，后經跨阻放大等處理，電路實現電壓信號接收。綜合大氣壓和水壓下最大位移、塌陷電壓、機電轉化系數要求以及Si-SOI鍵合工藝條件，利用課題組Ansys有限元分析方法的研究[9-10]確定了表1所示的敏感單元結構參數。

圖1 CMUT陣列結構示意圖Fig.1 Structure sketch map of CMUT array

圖2 CMUT敏感單元結構示意圖Fig.2 Structure sketch map of sensing unit for CMUT

結構參數上電極半徑上電極厚度隔離層厚度薄膜半徑薄膜厚度空腔高度絕緣層厚度數值450.20.159030.80.15

2 CMUT一維線性復合陣列指向性

指向性是單個CMUT陣元或陣列發射/接收響應的幅度隨主波束角掃描變化的特性[11]，是陣列設計的重要指標之一。

2.1 CMUT陣元指向性

分別假設CMUT陣元為一圓形平板(半徑為r，直徑為d)和一矩形平板(寬為a，長為b)，J1(x)表示第1類一階貝塞爾函數，θ為偏軸角，歸一化指向性表達式[12]分別為

(1)

(2)

圖3為不同尺寸下，面積相當的兩種陣元形狀聲輻射指向性分布。可以看到，不論陣列單元尺寸如何變化，面積相當的單個陣列矩形陣元指向性優于圓形陣元結構。

假設CMUT陣元是由筆者提出的n個均勻排列單元組成的二維矩形平面，由于kdcell=2πdcell/λ<1，敏感單元可以視作點聲源[12]來計算CMUT陣元的指向性，如圖4所示，dx,dy分別為沿x軸和y軸方向的敏感單元中心間距。根據Bridge乘積定理[13]，得到CMUT單陣元在xOz平面歸一化指向性函數為

圖3 CMUT陣元指向性Fig.3 Directivity map of CMUT element

D(α,θ,αs,θs)=D1(α,θ,αs,θs)×D2(α,θ,αs,θs)

(3)

D(α,θ,αs,θs)=

(4)

圖4 CMUT單陣元指向性模型Fig.4 Directivity model of a single CMUT element

2.2 CMUT線陣指向性

CMUT一維線性復合陣指向性模型如圖5所示，M′個等大小矩形陣元等間距(間距為d)沿x軸依次排列。由于ka=2πa/λ>1，a為陣元寬度。無法將陣列單元近似看作成點聲源[12]，由于CMUT陣元自身具有指向性，且存在一定的陣元間

距，因此，整個CMUT陣列的指向性既與單個CMUT陣元有關，又與陣元數的多少及組成的陣形有關，是CMUT陣元指向性與陣形指向性的復合系統。同理依據Bridge乘積定理[13]，此時該復合陣的歸一化指向性函數可表示為圖5 (a)所示的基于點聲源的均勻點線陣指向性Ds1(α,θ,αs,θs)和圖5 (b)所示的矩形點面陣陣元指向性D(α,θ,αs,θs)的乘積，即

若取xOz定向面，該CMUT一維線性復合陣列歸一化指向性參量表達式為

(7)

3 CMUT線陣列結構設計

3.1 陣元數目與間距

選取合適的CMUT陣元數目需要盡可能兼顧CMUT陣列指向性性能、微加工工藝復雜度和系統控制可行性等要求。聲陣列的優化原則是抑制旁瓣、消除柵瓣、保證主瓣寬度最窄。

1) CMUT一維線陣主瓣的寬度是輻射指向角所在波束的左右兩個零交點之間的距離。令CMUT一維線性復合陣指向性函數等于0，即可求出所有零交點的位置

圖5 CMUT線性復合陣指向性模型Fig.5 Directivity model of CMUT linear complex array

D1Da_rectangular(0,θ,0,θs)=0

(8)

(9)

其中:n≠0且不為M′的整數倍的整數。

n=±1時的角度代表主瓣波束兩邊的零交點位置,則標準化主瓣寬度(QMBW)定義為

(10)

2) 柵瓣幅值與主瓣幅值具有相同高度，均為1，即CMUT一維線性復合陣指向性函數等于1，便得到主瓣與柵瓣的位置，為了消除柵瓣，需將主瓣兩邊第1個柵瓣移出[-90°,90°]范圍，即可得到消除柵瓣的條件即為

(11)

圖6 陣列參數與指向性指標之間的關系Fig.6 Impact of array parameter on directivity indicators

圖6(a)為CMUT陣元數目對其均勻線陣主瓣寬度QMBW參量的影響。可以發現，陣列數目N=16是個轉折點，當數目增加超過16時，所引起的成本提高和換能器純增加與所受益的指向性輕微改善不成比例，因此在CMUT線陣設計初期時，選取陣元數目N=16。圖6(b)為CMUT16單元均勻線陣陣元間距與陣列指向性指標之間的關系圖。藍線為陣列中心距與標準主瓣寬度QMBW之間的關系，綠線是根據消除柵瓣最大陣元間距原則，給出的偏轉方向角與消除柵瓣最大陣元間距之間的變化情況。藍線表明中心間距的增大會使主瓣寬度減小，且d/λ=0.5同樣是個轉折點，當d/λ>0.5，間距增加，主瓣寬度減小的程度逐漸縮小。綠線表明隨著偏轉方向角在[0°,90°)逐漸增大的同時，其最大消除柵瓣陣元中心間距QMBW在[0.48, 0.97]之間反比例逐漸減小，可以看到當間距大于等于1時，柵瓣是必然出現的，已經與偏轉方向角無關了。最終在設計中選取d=0.48λ作為16陣元線陣的陣列單元間距。

3.2 陣元結構

圖7 CMUT線陣指向性仿真Fig.7 The directivity simulation of the CMUT linear array

陣元的橫向寬度a應該小于陣元間距，即a

圖8 CMUT線陣實物圖Fig.8 The physical map of CMUT linear array

參數工作頻率/ kHz陣元數目陣元形狀陣元間距/μm陣元寬度/μm陣列長度/μm陣列寬度/μm數值40016矩形1 8001 7009 02030 600

4 CMUT封裝

由于CMUT陣列需要應用到水下探測，所以水密透聲封裝是必不可少的。超聲波由CMUT發出后需分別經過透聲液和透聲薄膜才能傳播至水中。透聲薄膜用于隔離介質水和CMUT核心部件，透聲薄膜的選取必須使超聲波盡可能小的損耗傳至水中。透聲液是填充在透聲薄膜和CMUT核心部件之間的液體介質。CMUT無論是工作在發射或是接收模式下，聲波都會經過水介質、透聲液和透聲薄膜。為了減小超聲波在異界面處的反射，當且僅當水介質、透聲液和透聲薄膜3種材料聲阻抗相互接近時，超聲波才能低損耗地從封裝材料中透射至水介質。根據文獻[15-16]，選取氨酯橡膠(聲阻抗為1.626×106kg/(m2·s)，密度為1 070 kg/m3，聲速為1 520 m/s)作為透聲薄膜材料隔離水和核心部件CMUT陣列，硅油(聲阻抗為1.26×106kg/(m2·s)，密度為970 kg/m3，聲速為1 300 m/s)作為封裝液“銜接”核心部件CMUT陣列和透聲薄膜聚。CMUT陣列水密封裝示意圖如圖9所示。銅箔可以屏蔽靜電[15-16]、電磁波及各種干擾信號屏蔽。環氧樹脂[15-16]用作背襯材料，具有高阻抗、高衰減的特性，使換能器聲能經芯片前表面輻射，保持高靈敏度。由于長期在水中工作，故選用耐腐蝕、易加工的PVC作為外殼[15-16]，同時還可以有效消除雜散聲場干擾。

圖9 封裝結構示意圖Fig.9 Sketch map of packing structure

值得注意的是，圖9中由于CMUT芯片上電極金屬焊盤極其微小，直接與導線焊接既難操作又極易破損斷裂，且下電極在陣列芯片反面，因此引入一種PCB板芯片封裝方式，如圖10所示。CMUT下電極通過導電膠與PCB矩形覆金區域粘貼，利用金絲鍵合將16個CMUT陣元上電極焊盤與PCB板相應位置的焊盤相連接，屏蔽導線一端引入封裝外殼，并在PCB板引線孔處焊接，另一端連接控制電路，從而實現穩固芯片，對芯片起到保護作用，避免陣列破損。CMUT1×16線陣的最終封裝實物如圖11所示。

圖10 PCB示意圖Fig.10 Schematic diagram of PCB

圖11 最終封裝Fig.11 Final packing

5 性能測試〗5.1 CMUT指向性分析

指向性測試實驗圖如圖12所示。CMUT作為發射端固定在精密分度轉盤的下方，并隨分度盤從-90°到90°進行旋轉掃描。標準壓電換能器作為接收信號端被固定在距離發射端正對面1 m處，并與CMUT保持中心平齊等高。CMUT陣列由20 V偏置電壓和20 Vpp的脈沖信號(400 kHz，5-cycles)同時激勵。每旋轉3°保存一組接收信號數據。CMUT指向性測試結果如圖13所示。經測試看出,CMUT陣列指向性對稱性好，-3 dB主瓣半功率角(波束寬度)為5°，最大旁瓣級為-13.5 dB，伴隨較低的旁瓣干擾，且在掃描范圍內無柵瓣出現。所設計的CMUT陣列指向性測試結果與仿真結果一致，達到了預期的效果。

圖12 CMUT指向性測試圖Fig.12 The directivity test diagram of CMUT

圖13 CMUT指向性測試結果Fig.13 The directivity result map of CMUT

5.2 CMUT水下扇掃探測

CMUT陣列水下扇形掃描探測系統如圖14所示。CMUT陣列固定在精密分讀盤上，放于水槽中。兩個長寬均為1cm的正方體放置在CMUT陣列前方的掃描范圍內。面朝兩目標物體旋轉精密分度盤，-30°至30°，CMUT陣列發射并接收回波信號。超聲扇形掃描探測是由多束A-scan回波信號構成。兩目標物體的回波A-scan 信號如圖15所示。經過濾波、包絡提取和對數壓縮后重建的60°扇形掃描圖如圖16所示。該次掃描探測給出了CMUT陣列60°前視110cm探測范圍內景象，且清晰地給出了兩目標體的位置，重建圖像連續性好，同時目標輪廓明顯，達到了預計探測效果。

圖14 扇形掃描探測實驗圖Fig.14 Sector scanning detection experiment figure

圖15 回波信號Fig.15 Echo Signal

圖16 扇形掃描結果Fig.16 Sector scanning results

6 結束語

根據CMUT陣列復合結構的特點，結合聲場特性分析，提出了CMUT陣列的幾何結構設計依據和方法，并搭建了水下測試系統，對陣列芯片水密封裝后進行了 CMUT陣列收發性能和水下探測性能的測試分析。經測試,CMUT陣列主瓣對稱，-3 dB半功率角為5°，最大旁瓣級為-13.5 dB，掃描范圍無柵瓣，1 m范圍內扇形探測結果清晰，探測分辨率受旁瓣影響較低。結果表明，提出的CMUT陣列設計和水密封裝方法合理，初步實現了水下探測應用，為改善微電容超聲波換能器陣列水下探測性能提供了設計依據。筆者提出的線陣設計和封裝方法對CMUT二維面陣同樣有效。