面向水下应用的电容式微机械超声换能器∗

何常德 张盛东 张斌珍 张文栋 薛晨阳

(1 北京大学信息工程学院 深圳 518055)

(2 北京大学信息科学技术学院 北京 100871)

(3 中北大学动态测试技术省部共建实验室 太原 030051)

0 引言

电容式微机械超声换能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)是一种静电式超声换能器，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器。CMUT 换能器具有宽频带、易于制造二维阵列、与信号处理电路集成制造、与水和人体的声阻抗匹配性好、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中，CMUT 换能器二维阵列[4−7]和环形阵列[8−10]被制造出来，CMUT 换能器的二维阵列制造优势、宽频带特性和与专用电路集成制造的优势已经得到了充分的验证。

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像设备。在相控阵三维图像声呐中，作为核心部件的接收基阵由二维阵列换能器构成[11−12]，用于接收目标体的回波信息。目前，利用压电超声换能器技术制备二维阵列换能器还存在制造难度大且成本高的问题，制约了三维图像声呐技术的发展。CMUT换能器具有二维阵列制造的优势，但是目前面向图像声呐应用的低频CMUT 换能器还没有被充分研究和验证。

本文针对图像声呐系统中对低频超声换能器的迫切需求，设计一种CMUT 换能器结构，利用硅微加工技术制备出该CMUT 换能器，并完成该CMUT换能器的性能测试，评估该换能器结构在图像声呐系统中应用的可行性。

1 CMUT换能器结构

CMUT 换能器的基本单元是由一个可动薄极板和一个固定极板构成的平行板电容器，可动薄极板下面为一个真空腔体。当两个导电极板之间施加电压时，两个极板之间的静电吸引力使可动薄极板变形。当在两个导电极板上施加固定直流偏置电压的基础上叠加一个较小的交流电压，可动薄极板随着交流电压的变化而振动，产生超声波；当在两个导电极板上施加固定直流偏置电压的同时，入射超声波作用于平行板电容器，可动薄极板随着入射超声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 换能器的电容单元结构如图1所示，表1给出了换能器主要的结构参数。

图1 CMUT 换能器电容单元结构Fig.1 The capacitor cell structure of CMUT

表1 CMUT 换能器结构参数Table 1 Structure parameters of CMUT

该CMUT 换能器由900 个电容单元并联构成，在每个电容单元的底部和上表面分别制作了金属下电极和金属上电极。硅薄板下面的二氧化硅绝缘层与硅衬底层主要作用是支撑硅薄板，二氧化硅绝缘层也充当绝缘介质层。在换能器制备工艺过程中，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在塌陷模式工作时高掺杂导电的硅薄板和硅衬底直接接触而形成短路。高掺杂硅衬底与金属下电极之间形成欧姆接触，整体构成CMUT换能器的固定极板。在硅薄板与金属上电极之间增加了一层绝缘层，防止在过大电压下真空腔体底部绝缘层击穿时造成短路的发生，这3 层介质共同构成了可动薄极板。利用传统的硅晶圆键合工艺制造方法[13−14]制备出了该CMUT 换能器芯片，如图2所示。图3给出了CMUT 换能器的电容单元局部细节显微照片，照片内显示了12 个电容单元的金属上电极互联的方式，从照片中也可以看出，电容单元的可动薄极板在大气压的作用下出现了变形。

图2 CMUT 换能器芯片Fig.2 Fabricated CMUT device

图3 多个电容单元的显微照片Fig.3 Micrograph of magnified view of cells

2 CMUT换能器的性能测试与讨论

用环氧树脂导电胶将CMUT 换能器芯片的金属下电极粘接于印制电路板的金属焊盘上，将CMUT 换能器芯片的金属上电极焊盘与印制电路板上的金属焊盘通过引线连接，从印制电路板上引出上电极和下电极的测试导线。由于硅油与水具有相近的声阻抗参数，以及测试过程中电绝缘的需要，对CMUT 换能器的测试在硅油中进行。本文对制备出的CMUT换能器的接收灵敏度、带宽和脉冲回波响应性能进行了测试和分析。

2.1 接收灵敏度测试

本文采用互易校准法测试CMUT 换能器的接收灵敏度[15−16]，图4给出了接收灵敏度测试装置示意图。1 号CMUT 换能器为发射换能器，将已知接收灵敏度的针式水听器接收发射换能器发出的超声波信号，示波器记录其输出电压信号，测试装置如图4(a)所示。再将待测的2号CMUT换能器放置于针式水听器相同的位置，接收发射换能器发出的超声波信号，示波器记录经低噪放大器后的输出电压信号，测试装置如图4(b)所示。

图4 CMUT 换能器接收灵敏度的装置示意图Fig.4 Schematic of the measurement setup of the CMUT receiving sensitivity

在CMUT 换能器接收灵敏度测试中，1 号CMUT 换能器始终施加了20 V 直流偏置电压，峰-峰值幅度为20 V 的3 个正弦脉冲电压驱动换能器发出超声波信号。2号CMUT 换能器也始终施加了20 V 直流偏置电压。分别测试得到在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 频率时针式水听器的输出电压信号(如图5(a)所示)和2 号CMUT 换能器的输出电压信号(如图5(b) 所示)。2 号CMUT 换能器的输出经低噪运算放大器输出至示波器，但在测试过程中该低噪运算放大器的增益设置为0 dB，其作用是将换能器的输出电流转换为电压信号。

图5 针式水听器和2 号CMUT 换能器的输出响应Fig.5 Response waveforms of the needle hydrophone and CMUT transducer (No.2)

表2中分别列出了在不同频率下针式水听器输出电压信号的峰-峰值幅度(VN)、针式水听器的接收灵敏度(SN)、2 号CMUT换能器输出电压信号的峰-峰值幅度(VC)、计算得到的2 号CMUT 换能器的接收灵敏度(SC)和分贝量表示的接收灵敏度(SCdB)。在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 频率时，2 号CMUT 换能器的接收灵敏度分别为−218.29 dB、−219.39 dB 和−218.11 dB，其中参考灵敏度为1 V/µPa。在CMUT 换能器接收灵敏度测试过程中，1 号换能器和2 号换能器具有相同结构参数，作为发射换能器的1 号CMUT 换能器工作稳定可靠，验证了制备的CMUT 换能器具有发射超声波的功能。由于针式水听器的接收电压和灵敏度已知，可以计算得到在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 频率时，1 号CMUT 换能器的发送电压响应级分别为160.81 dB、168.44 dB 和174.76 dB，其中基准值为1 µPa·m/V。

表2 接收灵敏度测试实验数据Table 2 Experiment results of CMUT receiving sensitivity measurement

2.2 脉冲回波响应测试

2 号CMUT 换能器在脉冲激励下发出超声波信号，经铝块反射后的超声波回波信号由相同换能器接收，以验证CMUT换能器的发射和接收超声波的功能。CMUT 换能器的脉冲回波(pulse-echo)响应测试装置示意图如图6所示。图7给出了实际测试装置，图中也给出了CMUT换能器与铝块的位置关系，CMUT 换能器与铝块的前表面之间距离为10 cm，铝块厚度为6.5 cm。

图6 脉冲回波响应测试装置示意图Fig.6 Schematic of the pulse-echo response measurement setup

图7 脉冲回波响应测试装置Fig.7 Photograph of the pulse-echo response measurement setup

在脉冲回波响应测试中，2 号CMUT 换能器施加了20 V直流偏置电压，基于MAX14808芯片的双极性高压脉冲产生电路产生3 个双极性方波脉冲电压驱动换能器发出超声波信号。每个方波脉冲的周期为0.5 µs (频率为2 MHz)，高电平为5 V，占50%时间，低电平为−5 V，占50%时间。2 号CMUT 换能器将接收到的超声波回波信号转换为电信号经低噪运算放大器转换和放大后输出至示波器，在测试过程中该低噪运算放大器的增益为30 dB。图8给出了CMUT换能器的脉冲回波测试结果，第一次回波信号和第二次回波信号清晰可见，这两次信号均为入射超声波在铝块的前表面反射回波信号。

图8 脉冲回波响应测试结果Fig.8 Results of pulse-echo impulse response

图9给出了第一次回波信号的细节图，从图中得到信号到达时间约为201.7 µs，根据测试所得的硅油中声速约为991.3 m/s，计算得到声波传播距离为20.0 cm，超声波在换能器与铝块之间的硅油中来回传播理论路程为20 cm，测试结果与理论相符合。图10给出了第二次回波信号的细节图，从图中得到信号到达时间约为403.5 µs，可以计算得到声波传播距离为40.0 cm，超声波在铝块之间的硅油中两次来回传播的理论路程为40 cm，测试结果与理论相符合。

图9 第一次回波信号Fig.9 The first echo signal

图10 第二次回波信号Fig.10 The second echo signal

在脉冲回波测试中，尽管由于硅油与铝块的声阻抗参数值相差较大，超声波到达铝块的前表面应该同时存在超声波的反射和透射现象，理论上大部分入射超声波应在铝块的前表面反射进入硅油，但也应有超声波透射进入金属铝块内。在图8的脉冲回波响应测试结果中，观察到了铝块的后表面的反射回波信号。图11给出了铝块前后表面的反射回波信号的细节。从图11中可以得到，两次回波信号的时间差约为20.7 µs，根据理论的铝块中声速[17]为6260 m/s，计算得到超声波在铝块内的传播距离约为13.0 cm，超声波在铝块内来回传播的理论路程为13 cm，测试结果与理论相符。

图11 铝块的前表面和后表面的反射回波信号Fig.11 Echo signals reflected from the front surface and back surface of the aluminum block

2.3 带宽测试

2 号CMUT 换能器的带宽测试采用了脉冲回波法，测试装置示意图如图12所示，超声波脉冲发射接收器是型号为奥林巴斯5073PR 的超声换能器带宽测试商业仪器。在测试中，2 号CMUT 换能器施加了20 V 直流偏置电压，5073PR 仪器产生单个窄脉冲电压信号驱动2 号CMUT 换能器发射超声波，该换能器接收到经铝块反射后的超声回波信号再经5073PR 仪器内的低噪放大器转换和放大输出至示波器，如图13所示。对回波信号进行傅里叶变换后得到换能器的频率响应图，如图14所示。测试得到，2 号CMUT 换能器的中心频率为1.965 MHz，6 dB 带宽范围为0.89～3.04 MHz，相对带宽(FBW)达到109.4%。CMUT 换能器的相对带宽远大于传统压电陶瓷换能器70%～80%的相对带宽，且该换能器工作频率满足了高频图像声呐系统的需求。

图12 CMUT 换能器带宽测试装置示意图Fig.12 Schematic of the CMUT bandwidth measurement setup

图13 CMUT 换能器脉冲回波响应信号Fig.13 CMUT pulse-echo response signal

图14 CMUT 换能器频率响应图Fig.14 The frequency response of CMUT

3 结论

本文针对图像声呐系统的应用需求，设计了一种CMUT 换能器结构，基于硅晶圆键合工艺制备出了CMUT 换能器，最后对换能器的主要性能参数进行了测试和分析。测试验证了该CMUT 换能器具有发射和接收超声波的功能，其中心工作频率为1.965 MHz，在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 频率时的接收灵敏度分别为−218.29 dB、−219.39 dB 和−218.11 dB，6 dB相对带宽(FBW)达到109.4%，显示出优秀的宽频带特性，工作频率也满足了高频图像声呐系统的需求。在脉冲回波测试中，CMUT 换能器与铝块之间的距离测量结果和铝块厚度测量结果均与理论相符，显示了该CMUT换能器具备了基本的测试能力。基于本文提出的CMUT 换能器的电容单元结构参数，结合硅微加工制造优势，设计和制备CMUT换能器二维阵列，将能够满足日益增长的三维图像声呐系统对二维阵列换能器的迫切需求。