Page 84 - 《应用声学》2022年第3期
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                                                               波作用于平行板电容器,可动薄极板随着入射超声
             0 引言                                              波的声压变化而振动,检测电容器的电参量变化而

                                                               实现超声波的检测。本文提出的 CMUT 换能器的
                 电容式微机械超声换能器 (Capacitive micro-
                                                               电容单元结构如图 1 所示,表 1 给出了换能器主要
             machined ultrasonic transducer, CMUT)是一种静
                                                               的结构参数。
             电式超声换能器,它随着硅微制造技术的发展而
             快速发展,目前已成为一种重要的新型超声换能                                               ᧛࡛ʽႃౝ(ᨸ)
                                                                                 ̄තӑᆪፐᎆࡏ
             器。CMUT 换能器具有宽频带、易于制造二维阵                                                ᆪᘙ౜
             列、与信号处理电路集成制造、与水和人体的声阻                                     ̄තӑᆪ       ᄾቇᑿʹ
                                                                         ፐᎆࡏ
             抗匹配性好、高机电转换效率等诸多内在特性和优
             势  [1−3] ,弥补了处于主流地位的压电超声换能器的                                           ᆪᛮअ
             一些方面的不足,已经在高频医学超声成像应用中
             得到广泛的关注和研究。在医学三维超声成像应用                                              ᧛࡛ʾႃౝ(ᨸ)
             中,CMUT 换能器二维阵列           [4−7]  和环形阵列    [8−10]            图 1  CMUT 换能器电容单元结构
             被制造出来,CMUT 换能器的二维阵列制造优势、                              Fig. 1 The capacitor cell structure of CMUT
             宽频带特性和与专用电路集成制造的优势已经得
                                                                         表 1   CMUT 换能器结构参数
             到了充分的验证。
                                                                   Table 1 Structure parameters of CMUT
                 相控阵三维图像声呐是近年来为满足日益增
             长的水下目标三维探测需求而发展起来的超声成                                           参数                   值
             像设备。在相控阵三维图像声呐中,作为核心部                                    CMUT 换能器尺寸/µm            8800 × 8800
             件的接收基阵由二维阵列换能器构成                  [11−12] ,用于               电容单元数量               900 (30 × 30)
             接收目标体的回波信息。目前,利用压电超声换能                                      硅薄板厚度/µm                 2.83
             器技术制备二维阵列换能器还存在制造难度大且                                      真空腔体直径/µm                 180
                                                                        真空腔体高度/µm                 0.65
             成本高的问题,制约了三维图像声呐技术的发展。
                                                                    真空腔体底部绝缘层厚度/µm                0.15
             CMUT换能器具有二维阵列制造的优势,但是目前
                                                                       金属上电极直径/µm                 90
             面向图像声呐应用的低频 CMUT 换能器还没有被
                                                                    金属上电极和下电极厚度/µm                 1
             充分研究和验证。                                                    硅衬底厚度/µm                 430
                 本文针对图像声呐系统中对低频超声换能器
                                                                   该 CMUT 换能器由 900 个电容单元并联构成,
             的迫切需求,设计一种 CMUT 换能器结构,利用
                                                               在每个电容单元的底部和上表面分别制作了金属
             硅微加工技术制备出该 CMUT 换能器,并完成该
                                                               下电极和金属上电极。硅薄板下面的二氧化硅绝缘
             CMUT换能器的性能测试,评估该换能器结构在图
                                                               层与硅衬底层主要作用是支撑硅薄板,二氧化硅绝
             像声呐系统中应用的可行性。
                                                               缘层也充当绝缘介质层。在换能器制备工艺过程
             1 CMUT换能器结构                                       中,在真空腔体与硅衬底之间保留了 150 nm 厚度
                                                               的二氧化硅绝缘层,以防止换能器在工作过程中或
                 CMUT 换能器的基本单元是由一个可动薄极                         在塌陷模式工作时高掺杂导电的硅薄板和硅衬底
             板和一个固定极板构成的平行板电容器,可动薄极                            直接接触而形成短路。高掺杂硅衬底与金属下电极
             板下面为一个真空腔体。当两个导电极板之间施加                            之间形成欧姆接触,整体构成CMUT换能器的固定
             电压时,两个极板之间的静电吸引力使可动薄极板                            极板。在硅薄板与金属上电极之间增加了一层绝缘
             变形。当在两个导电极板上施加固定直流偏置电压                            层,防止在过大电压下真空腔体底部绝缘层击穿时
             的基础上叠加一个较小的交流电压,可动薄极板随                            造成短路的发生,这 3 层介质共同构成了可动薄极
             着交流电压的变化而振动,产生超声波;当在两个导                           板。利用传统的硅晶圆键合工艺制造方法                    [13−14]  制
             电极板上施加固定直流偏置电压的同时,入射超声                            备出了该 CMUT 换能器芯片,如图 2 所示。图 3 给
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