基于犧牲層工藝的CMUT陣列設(shè)計(jì)制造及性能表征*

梁 永，孟繁勝，王任鑫，張國(guó)軍，賈利成，張文棟

（中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

微機(jī)械超聲換能器（micromachined ultrasonic transducer，MUT）是一種采用微機(jī)械工藝制造，可以將聲信號(hào)和電信號(hào)在一定條件下互相轉(zhuǎn)換的傳感器。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的不斷發(fā)展，MUT在成像、超聲流量測(cè)量、電子聽診器、生化檢測(cè)等領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用［1～4］。相較于帶寬窄、難大規(guī)模集成［5］的傳統(tǒng)壓電陶瓷換能器，電容式MUT（capacitive MUT，CMUT）具有寬頻帶、高機(jī)電耦合系數(shù)、尺寸小易于大規(guī)模集成陣列、與水聲阻抗相近等優(yōu)勢(shì)［6］，使得CMUT 在水下等液體環(huán)境工作，尤其在超聲成像領(lǐng)域等具有難以替代的優(yōu)勢(shì)以及不可限量的潛力。

在本文中，提出了一種新型的基于MEMS 犧牲層釋放工藝的CMUT制造技術(shù)，并對(duì)制造的CMUT 進(jìn)行性能表征測(cè)試。該制造工藝上存在一定創(chuàng)新性，為今后CMUT 的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 CMUT的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的CMUT傳感器陣列是基于犧牲層釋放工藝制造，由1375個(gè)方形CMUT微元以同心圓狀環(huán)繞構(gòu)成邊長(zhǎng)1.8 mm 的正方形陣列。單個(gè)CMUT 微元的截面示意如圖1（a）所示，它是由包圍著真空腔的氧化硅（SiO2）層和在真空腔上方的傳感膜片組成，傳感膜片位于SiO2器件層之上，CMUT微元的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）如圖1（b）所示，自下而上由SiO2-金屬鋁（Al）-氮化硅（Si3N4）堆疊而成。

圖1 CMUT微元結(jié)構(gòu)

CMUT 處于工作狀態(tài)下時(shí)，上下極板之間被施加一定的直流偏置電壓迫使振動(dòng)薄膜向下極板方向擠壓處于緊繃狀態(tài)。在發(fā)射模式下，然后極板間被施加一定頻率的交流電壓信號(hào)，變化的電壓振幅使得極板間靜電力持續(xù)變化，傳感薄膜以相同頻率隨之振動(dòng)，向外輻射聲波。在接收模式下，當(dāng)外界有聲波輻射到傳感薄膜表面，振動(dòng)的薄膜引起上下極板間距的變化，導(dǎo)致以兩極板形成的電容值隨之而變，在接收端回路中產(chǎn)生交變信號(hào)［7］。

根據(jù)CMUT上下極板之間靜電力和邊緣支撐彈性拉力平衡后偏置電壓和極板間距以及薄膜位移之間的關(guān)系，參考CMUT的發(fā)射性能與腔高成正相關(guān)，接收靈敏度與腔高成負(fù)相關(guān)［8，9］等設(shè)計(jì)依據(jù)，確定CMUT參數(shù)如表1所示。

表1 CMUT的結(jié)構(gòu)尺寸

2 工藝流程

本文采用犧牲層釋放工藝制造了CMUT陣列。制造過程中每個(gè)主要步驟的截面圖如圖2所示。在硅（Si）片上圖形化電氣連接層（圖2（a）），沉積0.05 μm 的SiO2作為犧牲層，沉積1 μm 的Si3N4作為CMUT 的薄膜。隨后，打開接觸孔并與電氣連接層連接（圖2（b））。圖形化上電極，蝕刻SiO2犧牲層形成空腔（圖2（c））。在上電極上方沉積1.8 μm厚的Si3N4鈍化層作為CMUT器件的傳感膜片，刻蝕連接孔，形成焊盤（圖2（d））。

圖2 基于犧牲層釋放工藝制造CMUT流程

基于犧牲層工藝制造的CMUT 陣列SEM 圖和單個(gè)CMUT微元光學(xué)顯微鏡圖如圖3 所示，單個(gè)微元上電極之間通過圖示金屬條相互連結(jié)并最后引線到陣元的上表面角落位置，下電極通過電級(jí)連接層后經(jīng)過接觸孔最后匯合在陣元的相鄰角落，形成2 個(gè)驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)電極。這種創(chuàng)新的工藝布局設(shè)計(jì)方式有助于以CMUT為核心的超聲換能器系統(tǒng)微型化，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和商業(yè)前景。

圖3 CMUT陣列SEM圖及CMUT微元光學(xué)顯微鏡圖

3 CMUT性能測(cè)試

對(duì)制造的CMUT 陣元用800 μm 厚的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）封裝后，在水中對(duì)軸向聲壓、發(fā)射線性度、不同直流偏置下的輸出聲壓、發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)、接收靈敏度、指向性等進(jìn)行表征測(cè)試。

3.1 軸向聲壓測(cè)試

軸向聲壓，指的是當(dāng)CMUT發(fā)射信號(hào)時(shí)，隨著CMUT中軸線上距離的改變而產(chǎn)生的聲壓的變化趨勢(shì)。通常以負(fù)指數(shù)型函數(shù)衰減。是描述超聲換能器發(fā)射性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

軸向聲壓測(cè)試，需要首先將已封裝的CMUT 和標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器（PZT-3 MHz）安置在如圖4（a）所示水域環(huán)境中，固定兩者在同一高度，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后在CMUT端施加5個(gè)3 MHz的50 Vpp正弦脈沖交流信號(hào)和50 V直流偏置，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器使之與CMUT互相正對(duì)位于同一中軸線上，以2 cm為步長(zhǎng)從4 cm位置至20 cm處改變距離，在示波器上采集標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器接收到的不同距離下的電壓幅值，并換算每個(gè)距離下標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器表面的聲壓強(qiáng)度，繪制圖4（b）中聲壓衰減曲線。結(jié)果表明，水中CMUT中軸線上聲壓強(qiáng)度隨距離的變化呈負(fù)指數(shù)函數(shù)遞減。

圖4 軸向聲壓測(cè)試示意和衰減曲線

3.2 發(fā)射線性度

發(fā)射線性度，指的是CMUT對(duì)不同幅值的交流激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)的偏差程度，是衡量超聲換能器發(fā)射性能的一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)。

線性度的測(cè)量同樣采用CMUT 發(fā)射，標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器（PZT-3 MHz）接收，如圖4（a）。固定收發(fā)裝置在同一高度且正對(duì)距離10 cm，激勵(lì)源在CMUT 端施加20 V 直流偏置，以及5個(gè)3 MHz的以5 Vpp為步長(zhǎng)從10 Vpp 逐漸增加到60 Vpp的正弦脈沖的交流信號(hào)。調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)收發(fā)裝置后，在示波器上采集標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器接收到的不同交流信號(hào)下的電壓幅值，并換算每個(gè)交流信號(hào)下標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器表面的聲壓強(qiáng)度，繪制如圖5 中發(fā)射線性度曲線。經(jīng)過線性擬合，得到擬合曲線

圖5 發(fā)射線性度曲線

式中P為標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器表面聲壓強(qiáng)度，Pa；V為驅(qū)動(dòng)CMUT工作的交流激勵(lì)電壓，Vpp。根據(jù)非線性度計(jì)算公式［10］

式中 ΔPmax為實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和擬合曲線之間的差值，Pa；P為實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)最大量程，Pa。根據(jù)計(jì)算，得到CMUT非線性為0.74%，具有優(yōu)秀的線性度。

3.3 不同直流偏置下的輸出聲壓

探究不同直流偏置下的輸出聲壓的變化趨勢(shì)同樣具有重大意義，它描述了CMUT發(fā)射性能隨直流偏置電壓變化而變化的趨勢(shì)和程度。

測(cè)量不同直流偏置下的輸出聲壓，實(shí)驗(yàn)操作采用CMUT發(fā)射、標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器（PZT-3MHz）接收的測(cè)試裝置，如圖4（a）所示。固定收發(fā)裝置在同一高度且正對(duì)距離10 cm，激勵(lì)源在CMUT端施加5個(gè)3 MHz的10 Vpp正弦脈沖交流信號(hào)，以及以5 V為步長(zhǎng)從10 V逐漸增加到70 V的直流偏置電壓。處理示波器接收到的不同直流偏置下的電壓幅值，并換算對(duì)應(yīng)的聲壓強(qiáng)度，繪制曲線如圖6所示。

圖6 不同直流偏置輸出聲壓曲線

3.4 發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)

發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)Sv是評(píng)價(jià)CMUT 傳輸性能的重要指標(biāo)。它表示當(dāng)CMUT工作在發(fā)射模式下時(shí)，單位激勵(lì)電壓在CMUT中心軸方向1 m距離處產(chǎn)生的聲壓強(qiáng)度。該值以分貝（dB）表示，參考值為1 μPa·m／V。

發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)的測(cè)量依舊采用如圖4（a）示意的操作裝置進(jìn)行，將收發(fā)裝置固定在同一高度且正對(duì)距離10 cm，激勵(lì)源在CMUT 兩端施加5 個(gè)從1 MHz 掃頻到5 MHz的40 Vpp正弦脈沖交流信號(hào)和40 V直流偏置電壓。記錄示波器在每個(gè)頻點(diǎn)的接收電壓幅值，換算標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器（PZT-3 MHz）表面的聲壓。并根據(jù)每個(gè)頻點(diǎn)下發(fā)射端交流信號(hào)的幅值，計(jì)算CMUT 1 m 距離處的發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)。繪制發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)曲線如圖7 所示，計(jì)算公式［11］如下

圖7 發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)曲線

式中Sv為CMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)，dB；us為接收電壓幅值，V；l為接收端和發(fā)射端之間的距離，m；uf為發(fā)射電壓的幅值，V；M0為標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器的接收靈敏度，dB。

3.5 接收靈敏度

接收靈敏度，指的是當(dāng)CMUT器件處于工作狀態(tài)下，單位聲壓強(qiáng)度的聲信號(hào)輻射到振動(dòng)薄膜表面產(chǎn)生的電壓信號(hào)強(qiáng)度。是衡量CMUT器件對(duì)信號(hào)接收能力重要指標(biāo)。該值以dB表示，參考值為1 V／μPa。

接收靈敏度的測(cè)量，通常采用對(duì)比測(cè)量法。測(cè)量步驟與圖4（a）相似，但需要兩步完成。第一步，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器作為發(fā)射端，激勵(lì)源在發(fā)射端施加5個(gè)從1 MHz至5 MHz的40 Vpp正弦脈沖交流信號(hào)，在同一高度且水平距離l0（m）處安置標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器（PZT-3MHz）作為接收端，接收到的電壓信號(hào)記作u0（V）；第二步，保持發(fā)射條件不變的情況下用施加直流偏置40 V 的CMUT 替換接收端的標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器，保持CMUT和發(fā)射端在同一高度且水平距離記為l1（m），這里l0（m）和l1（m）被取為10 cm，CMUT接收到的電壓幅值記為u1（V），接收端標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器的靈敏度記為M0（dB），則CMUT的接收靈敏度MX（dB）［12］為

繪制CMUT接收靈敏度曲線如圖8所示。

圖8 接收靈敏度曲線

3.6 指向性

同發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)和接收靈敏度一樣，CMUT 器件的指向性也是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)之一。它是指CMUT器件在工作狀態(tài)下在空間內(nèi)向各個(gè)方向傳輸信號(hào)的能力。通常，CMUT器件的指向性峰值在從器件幾何中心出發(fā)并垂直于其表平面的軸線上。整個(gè)空間指向性以軸為中心軸對(duì)稱遞減分布。

根據(jù)圖9（a）所示，CMUT傳感器被放置在精密分度轉(zhuǎn)盤下方作為發(fā)射端，而標(biāo)準(zhǔn)壓電傳感器（PZT-3 MHz）則用作接收端以捕獲信號(hào)，并將其放置在距離CMUT傳感器設(shè)備前方10 cm處且保持相等的高度。激勵(lì)源在CMUT兩端施加5個(gè)3 MHz的40 Vpp正弦脈沖交流信號(hào)和40 V 直流偏置電壓，控制精密分度轉(zhuǎn)盤以1°為步長(zhǎng)從-40°至40°旋轉(zhuǎn)CMUT，記錄各角度下接收端示波器接收到的電壓幅值，指向性歸一化繪圖如圖9（b）所示。測(cè)試結(jié)果顯示，該CMUT傳感器對(duì)稱性良好。 -6 dB 波束寬度為26°，由圖9（b）可以看出，該CMUT 指向性旁瓣非常小，可以減少成像偽影的產(chǎn)生，有效提高成像分辨率［13］。

圖9 指向性測(cè)試示意及歸一化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于犧牲層釋放工藝，設(shè)計(jì)并成功制造了微小精密的CMUT傳感器。該傳感器由1 375 個(gè)微元以多個(gè)同心圓布局集中排列構(gòu)成邊長(zhǎng)為1.8 mm 的方形CMUT 陣元。詳細(xì)介紹了該CMUT陣元的工藝流程，并通過標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器在水中進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試來表征其性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：CMUT的軸向聲壓符合負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律；發(fā)射線性度和不同直流偏置下的輸出響應(yīng)均表現(xiàn)出良好特性，非線性度僅為0.74%；同時(shí)，該CMUT 具有良好的發(fā)射和接收靈敏度；此外，該傳感器具有出色的對(duì)稱性指向性，其-6 dB 主瓣寬度為26°且旁瓣極小，可有效提高成像分辨率。該CMUT具備多項(xiàng)優(yōu)異特性，在醫(yī)學(xué)診斷和成像、便攜式超聲設(shè)備等領(lǐng)域有望發(fā)揮重要作用。