新型电容式微机械超声波换能器(CMUT)设计及仿真分析∗

宋金龙，郑欣怡，凤 瑞，周 铭，商兴莲

(华东光电集成器件研究所，江苏 苏州 621000)

超声波具有广泛的应用前景，如金属无损探伤和测厚，超声测距、测流量，水下定位与通讯，地下资源勘查，超声检测、医学成像，超声清洗，指纹识别等[1－4]。据报道，仅在医疗、工业和消费类应用的超声波传感市场总规模，预计将在2023 年增长至约60亿美元。超声波换能器是发射和接收超声波的核心元件。目前应用的体压电换能器的压电材料与空气的声阻抗匹配性较差[5－7]、带宽小，而且难以满足对换能器小型化、集成化、阵列化的需求。近来年，基于MEMS 技术的MUT 换能器具有一致性高、成本低、易于加工面阵、可与ASIC 电路集成等优点[8]，成为未来超声波换能器的发展方向。根据工作原理的不同，MUT 可分为PMUT 和CMUT 两种[9－11]。PMUT 工作时有将近一半的能量会被非压电层完全消耗，另外，压电层的厚度难以在整个晶圆上精确控制。因此，众多的学者展开了对CMUT 的研究。当前研究的CMUT 敏感单元的上电极都在振动薄膜的顶部[12－13]，振动薄膜的厚度增加了电容器上、下极板之间的有效间距，直接影响到CMUT 的静电力、初始电容和电容变化的大小，最终影响了CMUT 的发射和接收性能。Kerem Enhos 等人[14]设计的CMUT 发射灵敏度约5.81 kPa/V。张慧等人[15]设计的CMUT 单个敏感单元的接收灵敏度约为0.04 μA/Pa，接收灵敏度约为28 Pa/V。文献[16－18]理论分析结果表明，减小空腔的厚度即减小两电极间的有效距离，可以提高传感器的机电转换效率进而提高发射性能和接收性能。

为提高CMUT 的发射和接收性能，本文设计了上电极在振动薄膜底部的新型结构CMUT。

1 CMUT 结构及工作原理

1.1 传统CMUT 结构

CMUT 由若干个敏感单元组成，传统结构敏感单元的剖视图如图1 所示。每个敏感单元主要由上电极、振动薄膜、腔体、支撑、硅衬底和下电极组成。硅衬底的电阻率为0.001 Ω·cm，与金属欧姆接触后作为下电极，上电极在振动薄膜的表面，上电极可随振动薄膜变形，下电极是刚体。假设CMUT 敏感单元为一个理想电容器，则上极板受到的静电力F为

图1 传统CMUT 结构敏感单元剖视图

式中:E为电场强度，Q为电容器的电荷量，ε0为真空介电常数，S为两极之间的有效面积，d为两极板之间的有效距离。

1.2 CMUT 工作原理

根据CMUT 工作时激励信号的不同，其工作模式可分为发射模式和接收模式，原理如图2 所示。CMUT 工作在发射模式时开关闭合，振动薄膜在直流偏置电压和交流激励电压的作用下产生振动，从而导致声场中介质振动，实现电信号到声波信号的转换；CMUT 工作在接收模式时开关断开，直流偏置电压使电容器充满电荷，超声波信号作用在振动薄膜上使其振动，导致在振动薄膜表面的电极也发生振动，引起电容器电荷的变化从而产生电流，实现声波信号到电信号的转换。

图2 CMUT 工作原理示意图

假设振动薄膜的弹性系数为k，交流激励电压的频率为f，则上电极的平均振动速度为

工作在接收模式时产生的电流I为

式中:x为振动薄膜的位移。

从式(2)～式(4)可以看出，CMUT 发射功率和接收电流随着上、下极板之间有效距离d的减小而增加，且与d的四次方有关。因此，减小CMUT 两极板之间的有效距离可以极大地提高CMUT 的发射和接收性能。

1.3 新型CMUT 结构

为了提高CMUT 的发射和接收性能，本文设计了一种新型结构的CMUT，如图3 所示，上极板在振动薄膜的底部，可以减小上、下极板之间的有效距离。

图3 新型CMUT 结构敏感单元剖视图

假设CMUT 振动薄膜的厚度(mt)为2 μm，振动薄膜上两层氧化层的厚度(ot)均为300 nm，腔体的高度(hg)为198.5 nm，硅和二氧化硅的相对介电常数分别为11.5 和3.78。则传统和新型结构CMUT上、下两极板之间的有效距离分别为

从式(5)和式(6)可以看出，新型结构CMUT 比传统结构CMUT 上、下两极板之间的有效距离减小了47.64%(253 nm)。因此，本文提出的新型结构CMUT 可以有效地提高发射和接收性能。

2 工艺流程

新型结构CMUT 的加工需要SOI 片和低阻硅片各一片。本文仅以CMUT 一个敏感单元为例简要说明其加工过程。

(1)SOI 片氧化。在SOI 片器件层表面氧化生长一层二氧化硅作为上电极与器件层之间的绝缘层，如图4(a)。

1.1 有机肥和无机肥搭配使用。为了实现土壤的可持续利用。必须将有机肥与无机肥两者搭配在一起，实现优势互补，提升了土壤的养分，为农作物的高产稳产创造良好的基础条件。但在具体使用的过程中，必须对肥料的自身性质进行确定。一般情况下，酸性肥料和碱性肥料不能混合使用；常见的磷肥与石灰、草木灰等碱性物质不能混用，如果将其混合的话，肥料的有效成分会不稳定，不仅会影响到肥效的发挥，同时也会对农作物的产量产生影响。

(2)湿法腐蚀。先用HF 酸腐蚀器件层表面的氧化层，然后用KOH(或TMAH)溶液腐蚀器件层，再用HF 腐蚀SOI 片的氧化层，最后用KOH(或TMAH)腐蚀SOI 片的衬底层，如图4(b)。

(3)淀积金属并图形化。在SOI 片器件层表面淀积一层金属金并图形化，如图4(c)。在淀积金属金之前要先在器件层表面淀积一层Cr 或Ti 作为粘附层，金图形化可以用剥离工艺。

(4)硅片刻蚀腔体。在硅片上刻蚀腔体使电容的上极板与下极板之间形成间隙，如图4(d)。

(5)氧化。对硅片进行氧化工艺，在腔体表面生长一层氧化层，防止CMUT 塌陷时上电极与下电极直接接触发生短路，如图4(e)。

(6)淀积金属并图形化。在硅片有腔体的一面淀积金属金并图形化，如图4(f)。两侧的金起键合作用，中间的金将上电极引到CMUT 的表面。

图4 新型结构CMUT 加工工艺流程

(7)SOI 片与硅片键合。先将SOI 片器件层与硅片有腔体一侧进行对准，再进行金－金热压键合，如图4(g)。

(8)去除SOI 片衬底层和氧化层。先用CMP对SOI 片的衬底层进行减薄，然后用KOH(或TMAH)溶液将衬底层去除干净，最后用HF 将SOI片的氧化层去除，在这个过程中硅片表面的氧化层也被去除，如图4(h)。在该工艺过程中KOH(或TMAH)溶液和HF 不会腐蚀金。

(9)生长氧化层并图形化。先用PECVD 在CMUT 振动薄膜表面生长一层二氧化硅，将金属与振动薄膜绝缘隔离，再用HF 腐蚀焊盘处的二氧化硅将金露出来，如图4(i)。

(10)淀积金属并图形化。先在振动薄膜表面和重掺硅片表面分别淀积一层金，再将振动薄膜表面的金图形化得到焊盘，最后进行退火使金与重掺硅形成良好的欧姆接触，如图4(j)。

(11)划片。根据需要将晶圆划成CMUT 阵列或阵元。

3 仿真分析

为了验证提出的新型结构CMUT 可以提高发射和接收性能，对所设计的CMUT 进行了仿真分析。用Comsol Multiphysics 案例库中电容式谐振器的结构尺寸及材料属性对CMUT 敏感单元进行仿真分析，CMUT 敏感单元结构尺寸及材料属性如表1 所示。

表1 CMUT 敏感单元结构尺寸及材料属性

建立的二维仿真模型示意图如图5 所示。由于振动薄膜上二氧化硅层的厚度远小于硅的厚度，为了提高仿真时的计算效率，在建模时没有考虑二氧化硅层的厚度。本文建立的模型与案例库中的模型相比增加了支撑将腔体与水域隔离开。

图5 仿真模型结构示意图

3.1 吸合分析

CMUT 工作在发射模式和接收模式下都需要直流偏置电压的作用。随着直流偏置电压的增加，振动薄膜中心与下电极的距离不断减小，减小到一定值时振动薄膜会突然吸合到下电极上。CMUT 吸合仿真分析结果如图6 所示，从图中可以看出当振动薄膜中心的坐标为126 nm，即位移量为72.5 nm 时发生吸合现象。振动薄膜吸合时中心点的位移为腔高的36.52%，接近理论值的三分之一。

图6 吸合分析结果

3.2 有预应力模态分析

直流偏置电压35 V 时，新型结构CMUT 敏感单元模态仿真分析结果如图7 所示，从图中可以看出一阶固有频率为6.09 MHz，振动薄膜沿其法线方向振动，中心位置处的位移最大，边缘位置处的位移最小。

图7 模态仿真结果

3.3 有预应力频域分析

直流偏置电压35 V，谐波扰动电压0.1 V 时，新型结构CMUT 的有预应力频域分析结果如图8 所示。从图中可以看出一阶谐振频率为6.05 MHz，考虑到仿真误差的影响，有预应力频域仿真与有预应力模态仿真得到的一阶固有频率相同。

图8 有预应力频域仿真结果

Comsol Multiphysics 案例库中发生吸合现象时中心点处的位移为74 nm，有预应力模态分析和有预应力频域分析得到的一阶固有频率为8.08 MHz。产生误差的主要原因是振动薄膜约束的边界条件不同，案例库中将振动薄膜的周边位移约束为零，而本文中振动薄膜固定在支撑上，支撑的位移约束为零，本文中的模型更接近于CMUT 的实际工作情况。将案例库中约束改为本文的约束方法之后，当振动薄膜中心的坐为127 nm，即位移量为71.5 nm 时振动薄膜会吸合到下电极上，预应力模态分析和预应力频域分析得到一阶固有频率为6.1 MHz，与本文的仿真结果一致。因此，本文所建立的仿真模型是有效且准确的。

3.4 瞬态分析

当直流偏置电压为35 V，交流激励电压为1 V、频率为6 MHz 时，CMUT 敏感单元工作在发射模式时的仿真结果如图9 所示。实线表示新型结构振动薄膜顶部中心处的声压，虚线表示相同条件下传统结构振动薄膜顶部中心处的声压。从图中可以看出新型结构CMUT 敏感单元的发射能力8.00 kPa/V，为传统结构的11.9 倍。

图9 CMUT 敏感单元发射性能仿真结果

直流偏置电压为35 V，超声波信号的幅值为10 Pa、频率为6 MHz 时，CMUT 敏感单元工作在接收模式时的仿真结果如图10 所示。虚线表示新型结构CMUT 敏感单元产生的电流，实线表示传统结构CMUT 敏感单元产生的电流，从图中可以看出新型结构单个CMUT 敏感单元的接收灵敏度约0.3 μA/Pa，约为传统结构的12.2 倍。

图10 接收性能仿真分析结果

从CMUT 单个敏感单元的时域仿真结果可以看出，本文设计的新型结构CMUT 的发射能力和接收能力明显优于传统结构CMUT 的发射和接收性能。

4 结束语

理论分析表明减小CMUT 上、下极板之间的有效距离可以增强其发射和接收性能，基于该结论通过将CMUT 敏感单元的上电极设计在振动薄膜的底部提出了一种新型结构CMUT。设计了新型结构CMUT 的加工工艺流程，利用金－金热压键合的方法在实现了SOI 片器件层转移到硅片上的同时，将振动薄膜底部的信号引到顶部。对新型结构的CMUT进行了吸合分析、有预应力模态分析和有预应力频域分析，仿真结果与Comsol Multiphysics 案例库的结果一致，证明了所建模型的准确性，发射模式和接收模式时域仿真结果表明，本文提出的新型结构CMUT 相对于传统结构CMUT 可以明显地提高其发射和接收性能。