摘要：為滿足目前對水下金屬、蛙人等檢測的應(yīng)用需要，設(shè)計一種用于水下金屬探測成像的壓電式微機械超聲換能器。在該結(jié)構(gòu)中，在頂部電極和下電級之間插入AIN層，用于發(fā)射和接收超聲。當測試距離達到10m以上就可以滿足實際應(yīng)用需求，而該換能器經(jīng)過實驗得出最遠的測試距離為12.8m，且在12.8m處測試值與理論值誤差僅為0.67cm，完全可以達到實際檢測需要。在一個標準大氣壓下，利用微系統(tǒng)激光分析儀MSA400對該傳感器進行膜位移測量，其測量值為0.28μm，與理論結(jié)果誤差為1%。并且詳細介紹該傳感器的工藝實現(xiàn)過程。利用該傳感器實現(xiàn)二維水下超聲成像，證明水下存在金屬矩形物體。該實驗有利于水下超聲成像系統(tǒng)的建立。

關(guān)鍵詞：PMUT;C-V測試;超聲成像;遠距離

中圖分類號：O426.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0084-05

收稿日期：2018-12-26;收到修改稿日期：2019-01-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（61525108）

作者簡介：楊晉玲（1992-），女，山西太原市人，碩士研究生，專業(yè)方向為電子測量技術(shù)。

0 引言

微機電系統(tǒng)（micro electromechanical system，MEMS）的概念始于20世紀80年代，其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)的特點[1-2]。1962年，最早的MEMS傳感器一硅微壓力傳感器問世，隨后MEMS傳感器得到了快速發(fā)展。雖然當時壓電式傳感器的概念也被提出，但是受到半導(dǎo)體工藝水平的限制，一直沒有得到實際的應(yīng)用。得益于微加工技術(shù)的不斷進步，1999年，成功研制出了動態(tài)范圍超過100dB且可進行空氣耦合無損檢測的超聲傳感器[3-8]。2016年，隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，壓電式微機械超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)和水下中得到了應(yīng)用[9-13]。壓電式微機械超聲波傳感器采用微加工工藝，其傳感器的一致性高，更容易與水環(huán)境實現(xiàn)聲阻抗匹配，容易制成陣列而實現(xiàn)二維和三維成像。另外，其加工工藝與集成電路的加工工藝具有兼容性，可以實現(xiàn)傳感器與電路的集成封裝。因此，世界科技強國對電容式微機械超聲波換能器進行了大量研究。但是現(xiàn)在各國對壓電式微機械超聲波換能器都集中在中高頻率、短距離方面的應(yīng)用，在遠距離成像領(lǐng)域的應(yīng)用少見報道。近些年來，世界各個國家都加大了對海洋的開發(fā)與利用，如水下避障，沉物的搜索與打撈，水下測距等。因此，超聲成像在遠距離水下應(yīng)用方面有迫切需求和廣泛應(yīng)用前景。

目前在金屬探測成像使用的超聲換能器中，壓電式超聲換能器以其較好的性能、成熟穩(wěn)定的制作工藝和較低的成本，處于絕對主導(dǎo)地位。但是隨著超聲換能器應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，傳統(tǒng)壓電式超聲換能器的不足之處也逐漸暴露。其中最主要的問題是壓電材料與工作介質(zhì)如水之間的聲阻抗失配，這不僅會降低界面處的聲波透射系數(shù)，還會嚴重影響發(fā)射及接收靈敏度、軸向分辨率和信息的豐富程度，降低系統(tǒng)的帶寬和能量耦合效率。而解決阻抗失配的方法，一般是在壓電晶片和工作介質(zhì)層之間加一個匹配層。但是這種方法又會帶來帶寬損失、增加系統(tǒng)復(fù)雜度和增加制作成本等問題。

因此，針對以上問題，進行了水下遠距離成像設(shè)計，并實現(xiàn)了應(yīng)用壓電式微機械超聲波換能器（PUMT）進行遠距離水下成像，目前并未見到相關(guān)的報道。本文設(shè)計的PMUT工藝簡單，可以量產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)新穎，空腔設(shè)計合理，可以滿足遠距離水下金屬檢測與成像的需求。

1 原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

超聲波在介質(zhì)中傳播時能量會產(chǎn)生損耗，損耗的大小與介質(zhì)的種類、溫度、傳播距離和超聲波的頻率有關(guān)。為了實現(xiàn)超聲波在水下遠距離探測的應(yīng)用，本文設(shè)計了一種工作頻率為400kHz的超聲換能器PMUT。PMUT主要由振動薄膜、襯底、上下電極、支撐、AIN和空腔組成，每個傳感器由若干個敏感單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。PMUT工作在發(fā)射模式時，根據(jù)AIN的特性，對AIN施加交流激勵電壓（VAC）使AIN振動，引起介質(zhì)的振動從而產(chǎn)生超聲波。PMUT工作在接收模式時，超聲波使振動薄膜產(chǎn)生受迫振動，引起AIN電壓的變化從而產(chǎn)生電信號，對電信號進行檢測。

工作頻率是PMUT的重要性能參數(shù)之一。PMUT振動頻率與AIN的厚度和半徑有關(guān)。所以對于同一個頻率可以由不同的AIN厚度和半徑組合來實現(xiàn)。因此，在設(shè)計AIN薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸時要權(quán)衡考慮。通過Ansys力電耦合仿真，本文所設(shè)計的壓電式微機械超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，滿足遠距離水下金屬檢測的要求。

1.2 工藝

本文設(shè)計的傳感器用的是6寸（1寸=3.33cm）的氧化片與SOI片進行鍵合，SOI片與氧化片晶向均為<100>，主要工藝流程如圖2所示。

1）在氧化硅的正面做圖形，刻蝕0.65μm的SiO₂，見圖2（a）。

2）SOI片和氧化片鍵合。SOI片器件層與圖形化的氧化片硅一硅鍵合，見圖2（b）。

3）去掉SOI片襯底層與背面氧化層，見圖2（c）。

4）在正面沉積Al，作為下電級，見圖2（d）。

5）在正面沉積AIN，見圖2（e）。

6）在正面沉積A1，作為上電級，見圖2（f）。

在以上工藝過程中，低溫晶片鍵合技術(shù)是至關(guān)重要的。因為低溫加工能有效避免熱應(yīng)力、污染等問題的引入，從而提高鍵合的強度。且能保證PIVM在水中工作時傳感器腔的密封性，在高電場下防止水的水解，減少能量損失，而有效得避免傳感器膜的擊穿。

2 實驗驗證

2.1 C-V特性曲線測試

對PMUT進行C-V曲線測試（E4990A阻抗分析儀），施加從-80V到80V的直流偏置電壓，頻率為1.52MHz，測量結(jié)果如圖3中的黑色曲線。紅色曲線是通過Ansys仿真得到的理論C-V曲線，從圖中可以看出，PMUT的理論C-V特性與測量結(jié)果基本相同。測量時電壓超過75V后，隨著電壓的增加，電容的增加變慢，說明此時振動薄膜已塌陷，PIVM的塌陷電壓為75V，與仿真70V的誤差為7%，這可能是由于加工過程中腔高、絕緣層的厚度誤差等原因造成的。當直流偏置電壓為0v時，PMUT靜態(tài)電容值為900pF，與設(shè)計值910pF，誤差為1%。

2.2 振動測試

為了驗證本文所設(shè)計微電容式超聲波換能器的性能，用微系統(tǒng)激光分析儀MSA400對換能器進行了測試。測試時微壓電超聲波換能器的交流激勵電壓為20V時，測得換能器的諧振頻率為1.60MHz，如圖4所示。與仿真固有頻率1.5MHz的誤差為6.7%。產(chǎn)生的誤差主要是由于加工過程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差引起的。AIN薄膜振動到最低位置和最高位置時如圖5所示，從圖中可以看出薄膜的最大位移為280pm，PMUT具有發(fā)射超聲波的能力。

2.3 水下遠距離測試實驗

PMUT進行水下測距的實驗方案如圖6所示。首先，利用信號發(fā)生器（Tektronix DPO）產(chǎn)生一個脈沖信號，每一個脈沖信號包含3個頻率為400kHz，幅度為800mV的正弦信號。然后，功率放大器（GA-2500A）將脈沖信號放大100倍驅(qū)動PMUT發(fā)射超聲波。超聲波達到PMUT時，引起PMUT膜的振動，從而引起電荷量的變化產(chǎn)生電壓信號，將信號輸入示波器（Tektronix AFG3022C）得到PMUT的接受信號，如圖7所示。超聲波在水中的傳播速率為1480m/s，通過計算接收信號發(fā)和發(fā)射信號之間的時間差可以得到發(fā)射PMUT和接收PMUT之間的距離。利用這種測試方法測出PMUT的最大發(fā)射距離為12.8m，能夠滿足水下遠距離應(yīng)用的目的并且測試距離遠超現(xiàn)在所報道的器件。距離測試如表2所示。

2.4 水下成像

實驗水下成像裝置如圖8（a）所示。成像目標是放置在距離傳感器1m的指定距離的鋁塊。利用收發(fā)一體PMUT進行發(fā)射與接收。將PMUT傳感器從水箱的左側(cè)移動到成像目標的右側(cè)，采集接收信號。利用Matlab進行算法成像，對接收信號進行帶通濾波處理，獲得初始二維超聲成像結(jié)果，然后對信號進行包絡(luò)檢測、對數(shù)壓縮、圖像處理、灰度轉(zhuǎn)換，最后得出金屬灰度圖如圖8（b）所示。從圖中可以明顯看出目標的存在，并且可以大致判斷目標金屬的大體輪廓。因此，本實驗證明了所設(shè)計的換能器可以用于水下遠距離金屬成像。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種用于水下成像的PMUT，詳細介紹了其工藝制作過程及所用材料的參數(shù)，為PMUT設(shè)計與工藝實現(xiàn)提供參考。設(shè)計的測試實驗具有良好的重復(fù)性，且設(shè)計的壓電式微機械超聲換能器（PMUT）最大測試距離為12.8m，最大誤差為0.67cm，能夠滿足遠距離水下測試與成像的要求，具有良好的應(yīng)用前景。本文的成像方法對水下超聲成像具有參考意義。

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（編輯：商丹丹）