何常德 張盛東 張斌珍 張文棟 薛晨陽(yáng)

(1 北京大學(xué)信息工程學(xué)院 深圳 518055)

(2 北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100871)

(3 中北大學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)省部共建實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)

0 引言

電容式微機(jī)械超聲換能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)是一種靜電式超聲換能器，它隨著硅微制造技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展，目前已成為一種重要的新型超聲換能器。CMUT 換能器具有寬頻帶、易于制造二維陣列、與信號(hào)處理電路集成制造、與水和人體的聲阻抗匹配性好、高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等諸多內(nèi)在特性和優(yōu)勢(shì)[1?3]，彌補(bǔ)了處于主流地位的壓電超聲換能器的一些方面的不足，已經(jīng)在高頻醫(yī)學(xué)超聲成像應(yīng)用中得到廣泛的關(guān)注和研究。在醫(yī)學(xué)三維超聲成像應(yīng)用中，CMUT 換能器二維陣列[4?7]和環(huán)形陣列[8?10]被制造出來(lái)，CMUT 換能器的二維陣列制造優(yōu)勢(shì)、寬頻帶特性和與專用電路集成制造的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證。

相控陣三維圖像聲吶是近年來(lái)為滿足日益增長(zhǎng)的水下目標(biāo)三維探測(cè)需求而發(fā)展起來(lái)的超聲成像設(shè)備。在相控陣三維圖像聲吶中，作為核心部件的接收基陣由二維陣列換能器構(gòu)成[11?12]，用于接收目標(biāo)體的回波信息。目前，利用壓電超聲換能器技術(shù)制備二維陣列換能器還存在制造難度大且成本高的問(wèn)題，制約了三維圖像聲吶技術(shù)的發(fā)展。CMUT換能器具有二維陣列制造的優(yōu)勢(shì)，但是目前面向圖像聲吶應(yīng)用的低頻CMUT 換能器還沒(méi)有被充分研究和驗(yàn)證。

本文針對(duì)圖像聲吶系統(tǒng)中對(duì)低頻超聲換能器的迫切需求，設(shè)計(jì)一種CMUT 換能器結(jié)構(gòu)，利用硅微加工技術(shù)制備出該CMUT 換能器，并完成該CMUT換能器的性能測(cè)試，評(píng)估該換能器結(jié)構(gòu)在圖像聲吶系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

1 CMUT換能器結(jié)構(gòu)

CMUT 換能器的基本單元是由一個(gè)可動(dòng)薄極板和一個(gè)固定極板構(gòu)成的平行板電容器，可動(dòng)薄極板下面為一個(gè)真空腔體。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電極板之間施加電壓時(shí)，兩個(gè)極板之間的靜電吸引力使可動(dòng)薄極板變形。當(dāng)在兩個(gè)導(dǎo)電極板上施加固定直流偏置電壓的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)較小的交流電壓，可動(dòng)薄極板隨著交流電壓的變化而振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波；當(dāng)在兩個(gè)導(dǎo)電極板上施加固定直流偏置電壓的同時(shí)，入射超聲波作用于平行板電容器，可動(dòng)薄極板隨著入射超聲波的聲壓變化而振動(dòng)，檢測(cè)電容器的電參量變化而實(shí)現(xiàn)超聲波的檢測(cè)。本文提出的CMUT 換能器的電容單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，表1給出了換能器主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 CMUT 換能器電容單元結(jié)構(gòu)Fig.1 The capacitor cell structure of CMUT

表1 CMUT 換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of CMUT

該CMUT 換能器由900 個(gè)電容單元并聯(lián)構(gòu)成，在每個(gè)電容單元的底部和上表面分別制作了金屬下電極和金屬上電極。硅薄板下面的二氧化硅絕緣層與硅襯底層主要作用是支撐硅薄板，二氧化硅絕緣層也充當(dāng)絕緣介質(zhì)層。在換能器制備工藝過(guò)程中，在真空腔體與硅襯底之間保留了150 nm 厚度的二氧化硅絕緣層，以防止換能器在工作過(guò)程中或在塌陷模式工作時(shí)高摻雜導(dǎo)電的硅薄板和硅襯底直接接觸而形成短路。高摻雜硅襯底與金屬下電極之間形成歐姆接觸，整體構(gòu)成CMUT換能器的固定極板。在硅薄板與金屬上電極之間增加了一層絕緣層，防止在過(guò)大電壓下真空腔體底部絕緣層擊穿時(shí)造成短路的發(fā)生，這3 層介質(zhì)共同構(gòu)成了可動(dòng)薄極板。利用傳統(tǒng)的硅晶圓鍵合工藝制造方法[13?14]制備出了該CMUT 換能器芯片，如圖2所示。圖3給出了CMUT 換能器的電容單元局部細(xì)節(jié)顯微照片，照片內(nèi)顯示了12 個(gè)電容單元的金屬上電極互聯(lián)的方式，從照片中也可以看出，電容單元的可動(dòng)薄極板在大氣壓的作用下出現(xiàn)了變形。

圖2 CMUT 換能器芯片F(xiàn)ig.2 Fabricated CMUT device

圖3 多個(gè)電容單元的顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of magnified view of cells

2 CMUT換能器的性能測(cè)試與討論

用環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠將CMUT 換能器芯片的金屬下電極粘接于印制電路板的金屬焊盤上，將CMUT 換能器芯片的金屬上電極焊盤與印制電路板上的金屬焊盤通過(guò)引線連接，從印制電路板上引出上電極和下電極的測(cè)試導(dǎo)線。由于硅油與水具有相近的聲阻抗參數(shù)，以及測(cè)試過(guò)程中電絕緣的需要，對(duì)CMUT 換能器的測(cè)試在硅油中進(jìn)行。本文對(duì)制備出的CMUT換能器的接收靈敏度、帶寬和脈沖回波響應(yīng)性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。

2.1 接收靈敏度測(cè)試

本文采用互易校準(zhǔn)法測(cè)試CMUT 換能器的接收靈敏度[15?16]，圖4給出了接收靈敏度測(cè)試裝置示意圖。1 號(hào)CMUT 換能器為發(fā)射換能器，將已知接收靈敏度的針式水聽器接收發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波信號(hào)，示波器記錄其輸出電壓信號(hào)，測(cè)試裝置如圖4(a)所示。再將待測(cè)的2號(hào)CMUT換能器放置于針式水聽器相同的位置，接收發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波信號(hào)，示波器記錄經(jīng)低噪放大器后的輸出電壓信號(hào)，測(cè)試裝置如圖4(b)所示。

圖4 CMUT 換能器接收靈敏度的裝置示意圖Fig.4 Schematic of the measurement setup of the CMUT receiving sensitivity

在CMUT 換能器接收靈敏度測(cè)試中，1 號(hào)CMUT 換能器始終施加了20 V 直流偏置電壓，峰-峰值幅度為20 V 的3 個(gè)正弦脈沖電壓驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波信號(hào)。2號(hào)CMUT 換能器也始終施加了20 V 直流偏置電壓。分別測(cè)試得到在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時(shí)針式水聽器的輸出電壓信號(hào)(如圖5(a)所示)和2 號(hào)CMUT 換能器的輸出電壓信號(hào)(如圖5(b) 所示)。2 號(hào)CMUT 換能器的輸出經(jīng)低噪運(yùn)算放大器輸出至示波器，但在測(cè)試過(guò)程中該低噪運(yùn)算放大器的增益設(shè)置為0 dB，其作用是將換能器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖5 針式水聽器和2 號(hào)CMUT 換能器的輸出響應(yīng)Fig.5 Response waveforms of the needle hydrophone and CMUT transducer (No.2)

表2中分別列出了在不同頻率下針式水聽器輸出電壓信號(hào)的峰-峰值幅度(VN)、針式水聽器的接收靈敏度(SN)、2 號(hào)CMUT換能器輸出電壓信號(hào)的峰-峰值幅度(VC)、計(jì)算得到的2 號(hào)CMUT 換能器的接收靈敏度(SC)和分貝量表示的接收靈敏度(SCdB)。在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時(shí)，2 號(hào)CMUT 換能器的接收靈敏度分別為?218.29 dB、?219.39 dB 和?218.11 dB，其中參考靈敏度為1 V/μPa。在CMUT 換能器接收靈敏度測(cè)試過(guò)程中，1 號(hào)換能器和2 號(hào)換能器具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)，作為發(fā)射換能器的1 號(hào)CMUT 換能器工作穩(wěn)定可靠，驗(yàn)證了制備的CMUT 換能器具有發(fā)射超聲波的功能。由于針式水聽器的接收電壓和靈敏度已知，可以計(jì)算得到在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時(shí)，1 號(hào)CMUT 換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)分別為160.81 dB、168.44 dB 和174.76 dB，其中基準(zhǔn)值為1 μPa·m/V。

表2 接收靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experiment results of CMUT receiving sensitivity measurement

2.2 脈沖回波響應(yīng)測(cè)試

2 號(hào)CMUT 換能器在脈沖激勵(lì)下發(fā)出超聲波信號(hào)，經(jīng)鋁塊反射后的超聲波回波信號(hào)由相同換能器接收，以驗(yàn)證CMUT換能器的發(fā)射和接收超聲波的功能。CMUT 換能器的脈沖回波(pulse-echo)響應(yīng)測(cè)試裝置示意圖如圖6所示。圖7給出了實(shí)際測(cè)試裝置，圖中也給出了CMUT換能器與鋁塊的位置關(guān)系，CMUT 換能器與鋁塊的前表面之間距離為10 cm，鋁塊厚度為6.5 cm。

圖6 脈沖回波響應(yīng)測(cè)試裝置示意圖Fig.6 Schematic of the pulse-echo response measurement setup

圖7 脈沖回波響應(yīng)測(cè)試裝置Fig.7 Photograph of the pulse-echo response measurement setup

在脈沖回波響應(yīng)測(cè)試中，2 號(hào)CMUT 換能器施加了20 V直流偏置電壓，基于MAX14808芯片的雙極性高壓脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生3 個(gè)雙極性方波脈沖電壓驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波信號(hào)。每個(gè)方波脈沖的周期為0.5 μs (頻率為2 MHz)，高電平為5 V，占50%時(shí)間，低電平為?5 V，占50%時(shí)間。2 號(hào)CMUT 換能器將接收到的超聲波回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)低噪運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換和放大后輸出至示波器，在測(cè)試過(guò)程中該低噪運(yùn)算放大器的增益為30 dB。圖8給出了CMUT換能器的脈沖回波測(cè)試結(jié)果，第一次回波信號(hào)和第二次回波信號(hào)清晰可見，這兩次信號(hào)均為入射超聲波在鋁塊的前表面反射回波信號(hào)。

圖8 脈沖回波響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.8 Results of pulse-echo impulse response

圖9給出了第一次回波信號(hào)的細(xì)節(jié)圖，從圖中得到信號(hào)到達(dá)時(shí)間約為201.7 μs，根據(jù)測(cè)試所得的硅油中聲速約為991.3 m/s，計(jì)算得到聲波傳播距離為20.0 cm，超聲波在換能器與鋁塊之間的硅油中來(lái)回傳播理論路程為20 cm，測(cè)試結(jié)果與理論相符合。圖10給出了第二次回波信號(hào)的細(xì)節(jié)圖，從圖中得到信號(hào)到達(dá)時(shí)間約為403.5 μs，可以計(jì)算得到聲波傳播距離為40.0 cm，超聲波在鋁塊之間的硅油中兩次來(lái)回傳播的理論路程為40 cm，測(cè)試結(jié)果與理論相符合。

圖9 第一次回波信號(hào)Fig.9 The first echo signal

圖10 第二次回波信號(hào)Fig.10 The second echo signal

在脈沖回波測(cè)試中，盡管由于硅油與鋁塊的聲阻抗參數(shù)值相差較大，超聲波到達(dá)鋁塊的前表面應(yīng)該同時(shí)存在超聲波的反射和透射現(xiàn)象，理論上大部分入射超聲波應(yīng)在鋁塊的前表面反射進(jìn)入硅油，但也應(yīng)有超聲波透射進(jìn)入金屬鋁塊內(nèi)。在圖8的脈沖回波響應(yīng)測(cè)試結(jié)果中，觀察到了鋁塊的后表面的反射回波信號(hào)。圖11給出了鋁塊前后表面的反射回波信號(hào)的細(xì)節(jié)。從圖11中可以得到，兩次回波信號(hào)的時(shí)間差約為20.7 μs，根據(jù)理論的鋁塊中聲速[17]為6260 m/s，計(jì)算得到超聲波在鋁塊內(nèi)的傳播距離約為13.0 cm，超聲波在鋁塊內(nèi)來(lái)回傳播的理論路程為13 cm，測(cè)試結(jié)果與理論相符。

圖11 鋁塊的前表面和后表面的反射回波信號(hào)Fig.11 Echo signals reflected from the front surface and back surface of the aluminum block

2.3 帶寬測(cè)試

2 號(hào)CMUT 換能器的帶寬測(cè)試采用了脈沖回波法，測(cè)試裝置示意圖如圖12所示，超聲波脈沖發(fā)射接收器是型號(hào)為奧林巴斯5073PR 的超聲換能器帶寬測(cè)試商業(yè)儀器。在測(cè)試中，2 號(hào)CMUT 換能器施加了20 V 直流偏置電壓，5073PR 儀器產(chǎn)生單個(gè)窄脈沖電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)2 號(hào)CMUT 換能器發(fā)射超聲波，該換能器接收到經(jīng)鋁塊反射后的超聲回波信號(hào)再經(jīng)5073PR 儀器內(nèi)的低噪放大器轉(zhuǎn)換和放大輸出至示波器，如圖13所示。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后得到換能器的頻率響應(yīng)圖，如圖14所示。測(cè)試得到，2 號(hào)CMUT 換能器的中心頻率為1.965 MHz，6 dB 帶寬范圍為0.89～3.04 MHz，相對(duì)帶寬(FBW)達(dá)到109.4%。CMUT 換能器的相對(duì)帶寬遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)壓電陶瓷換能器70%～80%的相對(duì)帶寬，且該換能器工作頻率滿足了高頻圖像聲吶系統(tǒng)的需求。

圖12 CMUT 換能器帶寬測(cè)試裝置示意圖Fig.12 Schematic of the CMUT bandwidth measurement setup

圖13 CMUT 換能器脈沖回波響應(yīng)信號(hào)Fig.13 CMUT pulse-echo response signal

圖14 CMUT 換能器頻率響應(yīng)圖Fig.14 The frequency response of CMUT

3 結(jié)論

本文針對(duì)圖像聲吶系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種CMUT 換能器結(jié)構(gòu)，基于硅晶圓鍵合工藝制備出了CMUT 換能器，最后對(duì)換能器的主要性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和分析。測(cè)試驗(yàn)證了該CMUT 換能器具有發(fā)射和接收超聲波的功能，其中心工作頻率為1.965 MHz，在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時(shí)的接收靈敏度分別為?218.29 dB、?219.39 dB 和?218.11 dB，6 dB相對(duì)帶寬(FBW)達(dá)到109.4%，顯示出優(yōu)秀的寬頻帶特性，工作頻率也滿足了高頻圖像聲吶系統(tǒng)的需求。在脈沖回波測(cè)試中，CMUT 換能器與鋁塊之間的距離測(cè)量結(jié)果和鋁塊厚度測(cè)量結(jié)果均與理論相符，顯示了該CMUT換能器具備了基本的測(cè)試能力?；诒疚奶岢龅腃MUT 換能器的電容單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合硅微加工制造優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)和制備CMUT換能器二維陣列，將能夠滿足日益增長(zhǎng)的三維圖像聲吶系統(tǒng)對(duì)二維陣列換能器的迫切需求。