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)
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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
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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