余遠(yuǎn)昱，王久江?，劉 鑫，張 雙，4

(1.內(nèi)江師范學(xué)院人工智能學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100；2.澳門(mén)大學(xué)模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 澳門(mén) 999078；3.澳門(mén)大學(xué)科技學(xué)院電機(jī)與電腦工程系，中國(guó) 澳門(mén) 999078；4.電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611731)

超聲換能器能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(hào)與超聲信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，是醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備和工業(yè)無(wú)損探傷設(shè)備中的重要元件。在微機(jī)電工藝(MEMS)技術(shù)發(fā)展推進(jìn)下，壓電式微機(jī)械超聲換能器(PMUT)與電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)相繼問(wèn)世[1]。相較于鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷超聲換能器，CMUT 擁有更高帶寬、制備工藝與集成電路相兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)高密度換能器陣列[1－2]。相較于PMUT，CMUT帶寬更大，適用于高頻率[1]，因此在醫(yī)學(xué)成像中應(yīng)用前景廣闊[2－5]。但CMUT 輸出聲壓較低，提升輸出聲壓是CMUT 研究熱點(diǎn)之一。常見(jiàn)的改進(jìn)方法包括改變CMUT 的工作模式，如塌陷模式[6]、深塌陷[7]、塌陷－回彈模式[8]；或改變振動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)，如多層活塞式薄膜[9]。前期研究中作者[10]提出了一種工作在塌陷模式的凸紋薄膜CMUT 設(shè)計(jì)，對(duì)1 個(gè)CMUT 單元的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明該結(jié)構(gòu)能有效提升輸出聲壓。但CMUT 是微米級(jí)別器件，1 個(gè)CMUT 單元的輸出聲壓微弱，且電容微小(fF 數(shù)量級(jí))，故在成像中需將多個(gè)CMUT 單元并聯(lián)成陣元后再構(gòu)成陣列。因此有必要進(jìn)一步研究凸紋薄膜CMUT 陣列的特性。

本文首先使用解析法結(jié)合有限元分析法設(shè)計(jì)器件，然后結(jié)合犧牲層釋放工藝與電鍍方法制備凸紋薄膜CMUT 與平膜CMUT 陣列，最后對(duì)器件進(jìn)行光學(xué)、電學(xué)與聲學(xué)特性測(cè)量并評(píng)估其性能提升效果。

1 凸紋薄膜CMUT 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 所示為凸紋薄膜CMUT 單元結(jié)構(gòu)[10]。與常規(guī)的平膜CMUT 的區(qū)別是頂電極上方有一同圓心的凸紋圓環(huán)，凸紋圓環(huán)與振動(dòng)薄膜共同振動(dòng)發(fā)射超聲波。

圖1 凸紋薄膜CMUT 單元側(cè)視圖

圖2 所示為凸紋薄膜CMUT 單元剖面圖，底電極為高摻雜硅基底，基底之上是絕緣層，絕緣層上方為真空腔，為振動(dòng)薄膜提供振動(dòng)空間。頂電極覆蓋在振動(dòng)薄膜上。頂電極為全電極結(jié)構(gòu)，其目的是使得凸紋圓環(huán)下方薄膜和電極的單位質(zhì)量一致。

圖2 凸紋薄膜CMUT 單元結(jié)構(gòu)剖面圖(非等比例)

CMUT 是靜電力器件，工作時(shí)需在電極間施加直流偏置電壓(DC)與交流脈沖信號(hào)(AC)。直流偏置電壓決定工作點(diǎn)，交流脈沖/正弦波激勵(lì)薄膜振動(dòng)輸出超聲波。當(dāng)直流偏置電壓高于吸合電壓時(shí)，靜電力使得薄膜中心部分塌陷貼合于絕緣層上，外側(cè)未塌陷的環(huán)形薄膜在交流脈沖激勵(lì)下振動(dòng)輸出超聲波，此模式稱(chēng)為塌陷模式。為獲得更大的聲壓，凸紋薄膜CMUT 工作在塌陷模式[6]，凸紋圓環(huán)位于薄膜外側(cè)的未塌陷部分。凸紋圓環(huán)的位置和材料特性，對(duì)聲壓提升起關(guān)鍵作用。作者[10]前期研究表明，高密度凸紋圓環(huán)位于振動(dòng)圓環(huán)的振動(dòng)中心位置時(shí)，輸出聲壓的提升幅度為最大。

2 凸紋薄膜CMUT 陣列設(shè)計(jì)

為評(píng)估凸紋薄膜CMUT 相較于常規(guī)平膜CMUT的聲壓提升效果，并減少制備過(guò)程中薄膜沉積率及刻蝕率偏差的影響，將尺寸相同的凸紋薄膜CMUT與平膜CMUT 陣列設(shè)計(jì)在同一晶片(Die)上。

CMUT 工作頻率由振動(dòng)薄膜尺寸決定，MEMS制備工藝對(duì)器件的尺寸有限制，故需結(jié)合頻率和工藝要求設(shè)計(jì)CMUT 陣列。因目前尚未開(kāi)發(fā)出計(jì)算凸紋薄膜工作頻率的解析式，也無(wú)成熟的塌陷模式CMUT 工作頻率的計(jì)算方法，故先用常規(guī)模式(薄膜未塌陷)下平膜CMUT 的諧振頻率公式做初步分析，再通過(guò)有限元分析法確定CMUT 陣列規(guī)格。

2.1 解析法分析

醫(yī)學(xué)超聲成像CMUT 設(shè)計(jì)通常選用與人體組織聲阻抗相近的液體作為傳輸介質(zhì)。液體對(duì)CMUT振動(dòng)薄膜的振動(dòng)有阻尼作用，將振動(dòng)薄膜等效為邊緣固定的圓形平板，使用式(1)計(jì)算薄膜在液體中的固有頻率[11]:

式中:fr是液體中圓形薄膜振動(dòng)頻率，h是薄膜厚度，r是薄膜半徑，E是薄膜楊氏模量，σ是薄膜泊松比，ρp是薄膜密度，ρl是液體密度。薄膜材料選用低應(yīng)力氮化硅，其楊氏模量為220 GPa，泊松比為0.263，密度為3 270 kg/m3。振動(dòng)薄膜的半徑、厚度與固有頻率之間的關(guān)系如圖3 所示。圖中薄膜厚度和半徑的范圍是根據(jù)制備工藝選定的，薄膜尺寸決定了CMUT 工作頻率。

圖3 液體中振動(dòng)薄膜的半徑、厚度與頻率關(guān)系圖

生物醫(yī)學(xué)成像的超聲波頻率一般在3 MHz～10 MHz之間。考慮薄膜塌陷后的振動(dòng)頻率升高，由圖3 確定了振動(dòng)薄膜的半徑為15 μm～25 μm，厚度為0.5 μm～0.7 μm。

吸合電壓與空腔高度也是CMUT 的重要參數(shù)。吸合電壓與空腔高度相關(guān)，使用式(2)估算平膜CMUT 吸合電壓Vp與空腔高度的關(guān)系[12]。

式中:k為薄膜材料的彈性系數(shù)，d0為初始的空腔高度，ε0為自由空間的介電常數(shù)，A為電極面積。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量設(shè)備及制備工藝等條件，器件吸合電壓小于150 V，即空腔高度小于0.35 μm。

2.2 有限元法分析設(shè)計(jì)

使用有限元分析軟件COMSOL 開(kāi)發(fā)了圖4 所示的2D 軸對(duì)稱(chēng)模型以進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)規(guī)格。

圖4 2D 軸對(duì)稱(chēng)有限元分析模型

凸紋薄膜CMUT 由底電極、二氧化硅絕緣層1、氮化硅絕緣層2、空腔、低應(yīng)力氮化硅振動(dòng)薄膜、金頂電極和鎳凸紋圓環(huán)組成。CMUT 上方為圓柱形聲波導(dǎo)媒介，其高度大于1 個(gè)波長(zhǎng)，寬度為CMUT 單元間距的一半。聲波導(dǎo)材料為玉米油，其頂端設(shè)置了聲吸收層邊界條件以消除反射。模型使用了機(jī)電物理場(chǎng)與頻域壓力聲學(xué)物理場(chǎng)。機(jī)電物理場(chǎng)包含CMUT 和聲波導(dǎo)媒介，頻域壓力聲學(xué)物理場(chǎng)包含聲波導(dǎo)媒介。物理場(chǎng)間通過(guò)“單位面積聲壓載荷”和“加速度”邊界條件實(shí)現(xiàn)耦合。通過(guò)預(yù)應(yīng)力分析法研究凸紋薄膜CMUT 陣列的工作頻率:先逐步增加直流偏置電壓直至超過(guò)吸合電壓后薄膜塌陷，然后輸出交流電壓分析不同頻率下CMUT 的輸出聲壓。為避免薄膜塌陷后與絕緣層接觸時(shí)求解器不收斂的問(wèn)題，引入了懲罰函數(shù)/圍墻函數(shù)的方法[13]。

理論上當(dāng)凸紋圓環(huán)位于未塌陷環(huán)形薄膜的振動(dòng)中心時(shí)，聲壓提升最大。但薄膜塌陷半徑與所施加的直流偏置電壓有關(guān)，即環(huán)形振動(dòng)薄膜寬度是可變的。因此選擇一個(gè)特定直流偏置電壓下的環(huán)形薄膜振動(dòng)中心為凸紋圓環(huán)位置。在實(shí)際器件操作中，通過(guò)調(diào)節(jié)直流偏置電壓改變振動(dòng)圓環(huán)薄膜寬度，從而將薄膜振動(dòng)中心移至凸紋圓環(huán)所在的位置上。

基于以上方法并結(jié)合制備工藝，確定了表1 所示的凸紋薄膜CMUT 陣列規(guī)格。

表1 凸紋薄膜CMUT 陣列規(guī)格

3 凸紋薄膜CMUT 陣列制備

根據(jù)規(guī)格設(shè)計(jì)版圖，開(kāi)發(fā)了犧牲層釋放工藝[14]與電鍍法相結(jié)合的制備方法。

3.1 版圖設(shè)計(jì)

在同一個(gè)晶片中設(shè)計(jì)了凸紋薄膜與平膜CMUT陣列，除凸紋圓環(huán)外兩個(gè)陣列的規(guī)格都相同。圖5是凸紋薄膜CMUT 陣元的設(shè)計(jì)版圖，圖6 是平膜CMUT 陣元的設(shè)計(jì)版圖。1 個(gè)陣元內(nèi)包含2 560 個(gè)CMUT 單元。

圖5 凸紋薄膜CMUT 陣列版圖

圖6 平膜CMUT 陣列版圖

平膜CMUT 的版圖為5 層；凸紋薄膜CMUT 的版圖增加了鎳圓環(huán)制備工藝，版圖為6 層。

3.2 器件制備

圖7 是制備流程示意圖，與前期制備凸紋薄膜CMUT 單元流程類(lèi)似[10]，此處簡(jiǎn)要介紹。

圖7 凸紋CMUT 制備流程圖

①在4 英寸N 型高摻雜硅晶圓(電阻率:0.1～1 ohm－cm)上沉積150 nm 二氧化硅絕緣層1 和150 nm低應(yīng)力氮化硅絕緣層2。

②沉積300 nm 多晶硅，通過(guò)光刻蝕技術(shù)與干法刻蝕工藝進(jìn)行CMUT 單元定型。

③沉積650 nm 低應(yīng)力氮化硅作為薄膜與結(jié)構(gòu)層。通過(guò)光刻蝕技術(shù)和干法刻蝕工藝形成腐蝕孔，用氫氧化鉀溶液濕法刻蝕多晶硅后形成空腔。

④在低氣壓環(huán)境下沉積1.2 μm 的氮化硅空腔。再通過(guò)光刻蝕技術(shù)和干法刻蝕工藝將振動(dòng)薄膜厚度恢復(fù)為650 nm。

⑤沉積20 nm 鉻和180 nm 金；通過(guò)光刻蝕技術(shù)和瓦特鎳電鍍工藝制備高度為2 μm 的鎳圓環(huán)。

⑥通過(guò)光刻蝕技術(shù)和濕法刻蝕工藝，制備金屬電極與電極間連線(xiàn)。

⑦切割晶圓后將晶片固定在PCB 板上，用金線(xiàn)將CMUT 陣列電極連接到PCB 板上。

圖8 與圖9 所示分別是通過(guò)光學(xué)顯微鏡(BX63，奧林巴斯生命科學(xué))觀測(cè)的凸紋薄膜與平膜CMUT 陣元。圖8 中的每個(gè)CMUT 單元上都有鎳凸紋圓環(huán)。

圖8 凸紋薄膜CMUT 陣元局部

圖9 平膜CMUT 陣元局部

4 器件特性測(cè)量與分析

使用光學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)設(shè)備對(duì)凸紋薄膜CMUT和平膜CMUT 陣列進(jìn)行特性測(cè)量并做分析。

4.1 凸紋薄膜陣列光學(xué)輪廓測(cè)量

通過(guò)3D 干涉輪廓儀(Nano X－2000，鎮(zhèn)江超納儀器)測(cè)量凸紋薄膜CMUT 陣列，圖10 為三維輪廓偽彩色圖。

圖10 凸紋薄膜CMUT 陣列局部三維輪廓圖

圖11 為3 個(gè)凸紋薄膜CMUT 單元的輪廓測(cè)量圖。圖中薄膜部分的彎曲是由氣壓差及薄膜殘余應(yīng)力所致。測(cè)量結(jié)果表明凸紋圓環(huán)寬度接近3 μm，高度接近設(shè)計(jì)2 μm，圓環(huán)中心直徑接近24 μm，與表1中凸紋圓環(huán)的設(shè)計(jì)規(guī)格相近。

圖11 凸紋圓環(huán)尺寸測(cè)量圖

4.2 電學(xué)特性測(cè)量

輸入阻抗不僅能表征CMUT 在空氣中的諧振頻率，也用于測(cè)量吸合電壓，評(píng)估器件的良率。使用網(wǎng)絡(luò)/阻抗分析儀(4395A，安捷倫科技)和可編程高壓直流電源(HSPY－400－01，北京漢晟普源)測(cè)量凸紋薄膜CMUT 與平膜CMUT 陣列中陣元的輸入阻抗。

吸合電壓的測(cè)量方法以＋1V 為臺(tái)階，逐步遞增CMUT 上的直流偏置電壓，當(dāng)諧振頻率出現(xiàn)突變則表明振動(dòng)薄膜塌陷，此時(shí)的直流偏置電壓就是吸合電壓。測(cè)得凸紋薄膜CMUT 陣列的吸合電壓為48 V，平膜CMUT 陣列的吸合電壓為75 V。凸紋薄膜CMUT 吸合電壓較低的緣故是電鍍鎳方法引入了拉應(yīng)力及較低的彈性模量[15]，降低了器件的等效空腔高度。

本文研究塌陷模式下的CMUT，圖12 是平膜CMUT 陣列中一個(gè)陣元在160 V 直流偏置電壓下的輸入阻抗實(shí)部與虛部圖，塌陷的平膜CMUT 在空氣中的諧振頻率為16.24 MHz。圖13 為凸紋薄膜CMUT 陣列中一個(gè)陣元在160 V 直流偏置電壓下的輸入阻抗實(shí)部與虛部圖，塌陷的凸紋薄膜CMUT 在空氣中的諧振頻率為11.44 MHz。測(cè)量結(jié)果表明凸紋圓環(huán)會(huì)降低振動(dòng)圓環(huán)薄膜的諧振頻率，與前期研究結(jié)論相符[10]。

圖12 平膜CMUT 陣列輸入阻抗(直流偏置160 V)

圖13 凸紋薄膜CMUT 陣列輸入阻抗(直流偏置160 V)

4.3 聲學(xué)特性測(cè)量

搭建了圖14 所示的聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)凸紋薄膜CMUT 及平膜CMUT 陣列進(jìn)行聲學(xué)特性測(cè)量。因CMUT 電極上無(wú)保護(hù)層，為避免高電壓產(chǎn)生短路，將晶片浸入玉米油中進(jìn)行測(cè)量。可編程高壓直流電源提供CMUT 工作所需的直流偏置電壓，信號(hào)發(fā)生器(33500B，是德科技)輸出用于激勵(lì)CMUT 發(fā)射超聲波的重復(fù)窄脈沖(90 ns，20 Vpp，100 kHz)。水聽(tīng)器(HGL－200，ONDA)固定在距離CMUT 表面6 mm 的位置上。水聽(tīng)器的輸出經(jīng)預(yù)放大器(AG－2020，ONDA)放大20 dB 后送往混合數(shù)字示波器((DSOS254A，是德科技)進(jìn)行16 次平均。

圖14 聲學(xué)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

因超聲波在媒介傳輸有衰減，為準(zhǔn)確測(cè)量聲壓，使用式(3)對(duì)測(cè)得聲壓P做補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換為CMUT 陣列的表面輸出聲壓P0:

f為超聲波頻率，z為傳輸距離，β和j是液體的衰減系數(shù)，玉米油的β為6.43×10－12，j為1.85[16]。連接了預(yù)放大器的水聽(tīng)器靈敏度ML通過(guò)式(4)校正[17]:

G是預(yù)放大器的增益，MC是水聽(tīng)器的開(kāi)路輸出靈敏度，CH和CA分別是水聽(tīng)器和預(yù)放大器的電容，CC是SMA 連接器的電容?；谑?3)和式(4)，計(jì)算凸紋薄膜CMUT 和平膜CMUT 陣列的輸出聲壓。

首先研究了不同偏置電壓下凸紋薄膜CMUT與平膜CMUT 陣列中一個(gè)陣元的輸出聲壓，如圖15所示。

圖15 凸紋薄膜與平膜CMUT 陣列輸出聲壓與提升幅度

圖15 中，凸紋薄膜CMUT 與平膜CMUT 陣元上施加的直流偏置電壓都高于各自的吸合電壓。直流偏置電壓范圍為80 V～210 V，以＋5 V 為間隔，共測(cè)量了27 個(gè)工作點(diǎn)。測(cè)量中先施加直流偏置電壓，再疊加重復(fù)窄脈沖。為減少高電場(chǎng)強(qiáng)度下CMUT 振動(dòng)薄膜與絕緣層的電荷遷移效應(yīng)累積，在每個(gè)工作點(diǎn)測(cè)量后斷電3 min，再進(jìn)行下一個(gè)工作點(diǎn)的測(cè)量。由圖可見(jiàn)，當(dāng)直流偏置電壓范圍在100 V～200 V 之間，凸紋薄膜CMUT 陣元的輸出聲壓都高于平膜CMUT 陣元。當(dāng)直流偏置電壓超過(guò)200 V，凸紋薄膜CMUT 與平膜CMUT 陣元的輸出聲壓都低于45 kPa，此應(yīng)用場(chǎng)景較少。

當(dāng)直流偏置電壓為120 V 時(shí)，凸紋薄膜CMUT的輸出聲壓為最大值82.3 kPa；當(dāng)直流偏置電壓為105 V 時(shí)，平膜CMUT 的輸出聲壓為最大值74.0 kPa。即凸紋薄膜CMUT 陣元的最大輸出聲壓比平膜CMUT 陣元提升了11.2%。當(dāng)直流偏置電壓為160 V時(shí)，凸紋薄膜CMUT 陣元輸出聲壓為76.5 kPa，比平膜CMUT 陣元輸出聲壓63.1 kPa 提升了21.2%。

圖16 是凸紋薄膜CMUT 陣元在160 V 偏置電壓下輸出超聲波信號(hào)的頻率響應(yīng)圖，中心頻率為5.6 MHz，3-dB 相對(duì)帶寬為54%。圖17 是平膜CMUT陣元在160 V 偏置電壓下輸出超聲波信號(hào)的頻率響應(yīng)圖，其中心頻率為6.0 MHz，3-dB 相對(duì)帶寬為58%。

圖16 凸紋薄膜CMUT 陣列發(fā)射信號(hào)頻響圖(160 V 偏置)

圖17 平膜CMUT 陣列發(fā)射信號(hào)頻響圖(160 V 偏置)

4.4 結(jié)果分析與討論

表2 所示是與其他團(tuán)隊(duì)所研究的PZT、PMUT聲壓及相對(duì)帶寬特性的比較。因本文使用水聽(tīng)器測(cè)量聲壓，故選用了3-dB 相對(duì)帶寬。與所述參考文獻(xiàn)[18－19]中PZT 及PMUT 等壓電超聲換能器相比較，平膜和凸紋薄膜CMUT 都擁有更大的相對(duì)帶寬，但輸出聲壓仍比PMUT 小。

表2 超聲換能器輸出特性比較

CMUT 工作在塌陷模式有利于提升其性能[20]。聲學(xué)測(cè)量結(jié)果表明在塌陷模式下的大多數(shù)工作點(diǎn)(21 個(gè)vs 27 個(gè))，也即78%的工作點(diǎn)范圍內(nèi)，凸紋薄膜CMUT 輸出聲壓都高于平膜CMUT，最大提升幅度為21.2%。證明凸紋薄膜結(jié)構(gòu)能夠有效提升CMUT 的輸出聲壓，并具有較高的帶寬。

CMUT 薄膜的塌陷區(qū)域由直流偏置電壓決定，故塌陷模式下的環(huán)形振動(dòng)薄膜的振動(dòng)中心位置可變。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)逐步遞增直流偏置電壓的方法改變圓環(huán)薄膜的寬度，使其振動(dòng)中心逐步接近凸紋圓環(huán)的位置，獲得了圖15 所示的聲壓提升幅度曲線(xiàn)。結(jié)合前期仿真研究以及對(duì)凸紋薄膜CMUT 單元的研究[10]，可認(rèn)為直流偏置電壓為160 V 時(shí)，圓環(huán)形薄膜的振動(dòng)中心接近凸紋圓環(huán)的位置，此時(shí)凸紋薄膜CMUT 陣列的輸出聲壓比相同工作點(diǎn)下的平膜CMUT 陣列的輸出聲壓提升21.2%。根據(jù)前期仿真分析，凸紋圓環(huán)的寬度應(yīng)盡量小以降低對(duì)振動(dòng)薄膜的影響，從而輸出更大的聲壓。但受制備工藝制約，本研究的圓環(huán)寬度為3 μm，限制了輸出聲壓的提升幅度。未來(lái)將提升工藝水平，制備寬度更小的凸紋結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提升性能。

受限于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量裝置，未能夠測(cè)量超聲換能器的指向性。為研究凸紋CMUT 與平膜CMUT陣列的指向性，根據(jù)乘積定理，將由CMUT 單元組成的CMUT 陣元看作二維平面陣，使用式(5)分析CMUT 陣元在定向面xOz平面的指向性[21]。

式中:θ為聲線(xiàn)與＋z軸間的夾角，J1(x)為第一類(lèi)一階貝塞爾函數(shù)，k為波數(shù)，r為CMUT 單元半徑，M為陣元水平方向的CMUT 單元數(shù)量，dx為陣元內(nèi)CMUT 單元的水平間距。

圖18 為凸紋薄膜CMUT 陣元與平膜CMUT 陣元在玉米油中的指向性圖。凸紋薄膜CMUT 陣元的3-dB 波束寬度為18.58°，平膜CMUT 陣元的3-dB波束寬度為17.33°。因工作頻率降低，使得凸紋薄膜CMUT 陣元的指向性變差了約7.2%。后續(xù)在陣列設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)優(yōu)化陣元數(shù)目、陣元間距等的方法改善主瓣寬度、抑制旁瓣[21－22]。

圖18 凸紋與平膜CMUT 陣元的指向性圖

5 結(jié)論

CMUT 是一種應(yīng)用前景廣闊的MEMS 超聲換能器，但輸出聲壓較低，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。為提升CMUT 輸出聲壓，本文提出了一種塌陷模式下凸紋薄膜CMUT 陣列的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。凸紋薄膜CMUT 制備工藝與現(xiàn)有CMUT 制備工藝兼容，僅增加了1 層掩膜版工藝。凸紋圓環(huán)使用光刻蝕技術(shù)并通過(guò)電鍍鎳方法制備，成本低，且易于實(shí)現(xiàn)不同高度的凸紋結(jié)構(gòu)。測(cè)量結(jié)果表明凸紋薄膜CMUT 陣列不僅能有效提升輸出聲壓，相對(duì)帶寬也較大。本研究成果驗(yàn)證了前期仿真與理論分析結(jié)論，對(duì)后續(xù)新型CMUT 設(shè)計(jì)與制備研究有重要的參考意義，也有利于推進(jìn)CMUT 在醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。