电容式微机械超声换能器的发射性能研究*

王子渊, 何常德, 任勇峰, 王红亮, 焦新泉, 张文栋

(中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051)

0 引 言

超声波是指频率超过20 kHz的声波,超声波具有波长短、方向性强、物体穿透性好等特性,这些特性使其在医疗、工业、国防等领域有着广泛的应用[1]。目前,锆钛酸铅(Pb-based lanthanum-doped zirconate titanated,PZT)的压电陶瓷超声换能器仍然在超声市场中占据着主导地位。在其满足声学测试基本要求条件下,存在着频带窄、阵元集成度难以大幅提高的局限性[2]。电容式微机械超声换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)的出现,其频带宽,与人体声阻抗匹配性好，批量化制造、与IC电路易于集成等优势[3],使得CMUT在医学成像、无损检测,水下成像等多领域内有着广泛应用前景,CMUT的发射能力在众多应用中具备着不可或缺的作用。

本文利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术制备了小型CMUT换能器,并完成了换能器的发射性能测试[4,5],为未来实现CMUT换能器的应用提供了技术支撑。

1 CMUT换能器结构设计

CMUT换能器是由多层结构和多层材料构成。CMUT电容单元结构如图1所示,从上到下依次为金属铝上电极、氧化硅电气隔离层、绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)晶圆顶层硅制成的振动膜、在氧化硅上蚀刻的真空腔、氧化硅隔离层、硅衬底和金属铝底电极。在外界大气压强的作用下,薄膜向下凹陷。CMUT在工作状态下需要在上下电极之间施加直流偏置电压,通过提高薄膜应力来提高灵敏度。发射状态下,在上下电极板之间施加直流偏置,通过交流电压和直流偏置电压的叠加,使薄膜随着交流信号产生简谐振动,发生电能向机械能的转换,产生超声波；接收状态下,在上下电极板之间施加直流偏置,振动薄膜在受到超声波的声压作用而发生振动,引起电容值的改变,通过检测电容变化从而实现对超声波的检测,实现机械能向电能的转换[6～8]。

图1 CMUT换能器单元结构

根据CMUT薄膜振动频率与薄膜半径和厚度的关系,并参照薄膜振动应力和电容变化,根据水下成像频率范围和工艺制备条件,将CMUT薄膜的半径和厚度分别确定为50 μm和2 μm。在确定空腔高度时,由于较大的腔隙在发射模式下使换能器具有较高的信号输出,接收模式下需要较小的腔隙才能获得较大的接收信号[9]。与此同时还要考虑塌陷电压,综合以上考虑,将空腔高度设定为300 nm。CMUT参数如下:硅振膜厚度为2 μm,真空腔高度为0.3 μm,真空腔直径为50 μm,真空腔下绝缘层厚度为0.2 μm,金属上电极直径为35 μm,金属上下电极厚度为0.5 μm,上电极下绝缘层厚度为0.2 μm,硅衬底厚度为375 μm,单元数量为35,CMUT换能器尺寸为1 000 μm×1 000 μm。

2 CMUT换能器制备工艺过程

根据确定的CMUT参数,对换能器进行制备。1)准备氧化层厚度为500 nm的氧化片(低阻硅)和器件层厚度为2 μm的SOI晶圆,器件层的2μ m薄膜将作为换能器单元的振动薄膜,图2(a)；2)通过反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE),在氧化硅氧化层表面刻蚀300 nm的空腔,用作CMUT换能器的真空腔隙,图2(b)；3)在真空环境下对刻蚀有空腔的氧化片和SOI晶圆器件层进行硅—硅键合,随即在高温退火炉中进行退火处理,使得晶圆间的范德华力作用转变为化学键作用,图2(c)；4)将键合片的埋氧层以上部分去除,用BOE漂洗掉顶层和底层的氧化硅,为背面金属附着做准备,图2(d)；5)利用等离子增强化学气相淀积(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在振膜上表面生长200 nm的氧化硅作为振膜与上电极金属的电气隔离,图2(e)；6)通过磁控溅射仪器在正反面溅射500nm的金属铝,并对上表面金属通过磷酸腐蚀进行图形化,最后在真空退火炉中进行退火处理,用于修复晶格损伤并形成良好的欧姆接触,图2(f)。至此,CMUT换能器制备完成。换能器芯片显微图见图3。

图2 工艺制备流程图

图3 CMUT换能器芯片

3 换能器测试结果分析

3.1 正弦交流脉冲激励个数对输出性能的影响

为了评估CMUT换能器随驱动正弦交流脉冲个数变化时动态响应情况,将CMUT换能器与标准针式水听器在硅油中固定于相距2 cm位置处,使其中心轴线保持一致。如图4所示,对CMUT换能器施加直流偏置电压25 V,交流正弦脉冲峰峰值15 V,依次改变脉冲个数从1到7,保持标准针式水听器位置不变来获取接收信号,将信号提取并制作图,见图5(a),从图5(a)中可以清楚看到随着正弦交流脉冲个数的改变,标准针式水听器的接收信号波形周期数也随之改变,保持一致,信号拖尾现象不明显。随后提取每个信号的峰峰值如图5(b),通过观察结果可以得到以下结论：在驱动波周期个数偏少时(1～4),标准针式水听器接收信号逐渐增大(发射能力逐渐增强)；当脉冲个数达到4个时,水听器接收信号趋于稳定维持在3.8 mV左右,表明声压趋于稳定,输出能力不再随脉冲个数发生较大波动,因此本文实验选择脉冲激励个数在5个。

图4 正弦交流脉冲激励个数对输出性能的影响测试示意

图5 仿真结果

3.2 轴向声压测试

根据标准针式水听器输出电压V0和标准针式水听器的灵敏度S(dB),声压级可以表示为

SPL=20log10(V0)-S

(1)

声压为

P=10SPL/20Pref

(2)

式中Pref为1 μPa,标准针式水听器灵敏度-239.88 dB@4 MHz。

轴向声压测试实验在硅油中进行,通过施加25 V的直流偏置电压和峰峰值为15 V的5个正弦脉冲来驱动CMUT,在4 MHz时对换能器轴向声压进行测试。CMUT换能器和标准针式水听器固定在平台,保证相对位置不会发生偏移,如图6(a)示意图所示,通过保持在中轴线上以间隔为1 cm移动水听器,分别测试距离1,2,3,4,5,6 cm时标准针式水听器接收的信号。通过式(1),式(2)计算得到硅油中的声压见表1,得到图6(b)的声压衰减曲线。通过曲线可以看出,硅油中的声压随着距离的增加呈指数型减小。

图6 轴向声压测试和衰减曲线

表1 轴向声压测试中水听器接收声压计算

3.3 线性度测试

在线性度测试中,将CMUT换能器与标准针式水听器固定在硅油中相距2 cm处并使其中心轴线对齐,测试装置如图7(a)所示。同样施加25 V的直流偏置电压,通过改变交流电压峰峰值从10 V以2 V为步长增长到20 V,根据标准针式水听器接收的电压信号通过式(1)、式(2)计算得到声压,如表2所示。如图7(b)所示为根据最小二乘法拟合得到拟合曲线,拟合曲线方程为

表2 线性度测试中水听器接收声压计算

图7 线性度测试

P=241.33·V+129.14

(3)

式中P为声压,V为标准针式水听器接收信号峰峰值,根据线性度公式

(4)

根据式(4)计算可以得到,换能器的线性度δ=2.06 %,可见传感器呈良好的线性。

3.4 带宽测试

本文采用扫频法测试CMUT换能器的带宽,通过信号发生器改变正弦交流驱动信号频率,标准针式水听器接收由CMUT发射的声压信号,经由后期处理得到换能器的带宽曲线。将CMUT换能器和标准针式水听器在硅油中相距5 cm放置并固定,保持中心轴线对齐,测试装置示意图如图8(a)所示。对CMUT换能器施加25 V直流偏置电压和5个周期峰峰值15 V的正弦交流脉冲来驱动,通过改变信号发生器的频率从1 MHz按步长1 MHz增长到6 MHz。依次记录数据,并对数据进行处理得到归一化幅度,见图8(b)所示。测试得到,CMUT换能器的中心频率约为4 MHz,3 dB带宽范围约为2.1～5.6 MHz,相对带宽(FBW)为87.5 %,相比于压电陶瓷换能器的3 dB相对带宽(50 %～60 %)得到了巨大的提升,在提高水下成像精度方面提供了硬件传感器。

图8 带宽测试

发射换能器在某频率下,在指定方向上的远场中离其声中心某参考距离处的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端电压的比值成为该换能器的发送电压响应,符号为SV,单位是Pa·m/V,当用分贝表示时,称发送电压响应级SV,参考值为1 μPa·m/V[10]。根据实验数据,VN为水听器输出信号的峰峰值,SN为水听器的灵敏度,SV即是所求的发送电压响应级。CMUT换能器在3,4,5 MHz时的发送电压响应级分别是133.19,133.97,133.34 dB。

表3 CMUT发射性能测试数据

4 结束语

本文介绍的电容式微机械超声换能器,其工艺采用硅微加工技术,制备的换能器误差小、操作简单,具备量产的条件。利用标准针式水听器探究了正弦激励脉冲个数对CMUT输出性能的影响；测试了硅油中换能器发射声压的衰减；测试了换能器的线性度,换能器的线性度为2.06 %,说明CMUT换能器的输出和驱动信号之间呈现良好的线性关系,便于在一些特定场所应用；最后的带宽测试显示中心频率约为4 MHz,3 dB相对带宽(FBW)87.5 %,工作范围覆盖2.1～5.6 MHz,显示了CMUT的宽频带特性。基于本文提出并制备的CMUT换能器具有面积小,宽频带,非线性误差小(线性度好)等优势,在无损检测,水下高清晰度成像领域能够提供足够的硬件支撑。