用于水下金屬探測成像的壓電式微機械超聲波換能器

摘要：為滿足目前對水下金屬、蛙人等檢測的應用需要，設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。在該結構中，在頂部電極和下電級之間插入AIN層，用于發射和接收超聲。當測試距離達到10m以上就可以滿足實際應用需求，而該換能器經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，與理論結果誤差為1%。并且詳細介紹該傳感器的工藝實現過程。利用該傳感器實現二維水下超聲成像，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的建立。

關鍵詞：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，專業方向為電子測量技術。

0 引言

微機電系統（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展。雖然當時壓電式傳感器的概念也被提出，但是受到半導體工藝水平的限制，一直沒有得到實際的應用。得益于微加工技術的不斷進步，1999年，成功研制出了動態范圍超過100dB且可進行空氣耦合無損檢測的超聲傳感器[3-8]。2016年，隨著封裝技術的發展，壓電式微機械超聲波傳感器在醫學和水下中得到了應用[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，更容易與水環境實現聲阻抗匹配，容易制成陣列而實現二維和三維成像。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、短距離方面的應用，在遠距離成像領域的應用少見報道。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用方面有迫切需求和廣泛應用前景。

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、成熟穩定的制作工藝和較低的成本，處于絕對主導地位。但是隨著超聲換能器應用領域的擴大，傳統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，還會嚴重影響發射及接收靈敏度、軸向分辨率和信息的豐富程度，降低系統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、增加系統復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計，并實現了應用壓電式微機械超聲波換能器（PUMT）進行遠距離水下成像，目前并未見到相關的報道。本文設計的PMUT工藝簡單，可以量產，其結構新穎，空腔設計合理，可以滿足遠距離水下金屬檢測與成像的需求。

1 原理

1.1 結構設計

超聲波在介質中傳播時能量會產生損耗，損耗的大小與介質的種類、溫度、傳播距離和超聲波的頻率有關。為了實現超聲波在水下遠距離探測的應用，本文設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，其結構如圖1所示。PMUT工作在發射模式時，根據AIN的特性，對AIN施加交流激勵電壓（VAC）使AIN振動，引起介質的振動從而產生超聲波。PMUT工作在接收模式時，超聲波使振動薄膜產生受迫振動，引起AIN電壓的變化從而產生電信號，對電信號進行檢測。

工作頻率是PMUT的重要性能參數之一。PMUT振動頻率與AIN的厚度和半徑有關。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。因此，在設計AIN薄膜的結構尺寸時要權衡考慮。通過Ansys力電耦合仿真，本文所設計的壓電式微機械超聲波傳感器的結構參數如表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，低溫晶片鍵合技術是至關重要的。因為低溫加工能有效避免熱應力、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靜態電容值為900pF，與設計值910pF，誤差為1%。

2.2 振動測試

為了驗證本文所設計微電容式超聲波換能器的性能，用微系統激光分析儀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%。產生的誤差主要是由于加工過程中的結構參數誤差引起的。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，利用信號發生器（Tektronix DPO）產生一個脈沖信號，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倍驅動PMUT發射超聲波。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和發射信號之間的時間差可以得到發射PMUT和接收PMUT之間的距離。利用這種測試方法測出PMUT的最大發射距離為12.8m，能夠滿足水下遠距離應用的目的并且測試距離遠超現在所報道的器件。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。利用收發一體PMUT進行發射與接收。將PMUT傳感器從水箱的左側移動到成像目標的右側，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果，然后對信號進行包絡檢測、對數壓縮、圖像處理、灰度轉換，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，本實驗證明了所設計的換能器可以用于水下遠距離金屬成像。

3 結束語

本文設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，為PMUT設計與工藝實現提供參考。設計的測試實驗具有良好的重復性，且設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）