用于水下金屬探測(cè)成像的壓電式微機(jī)械超聲波換能器

摘要：為滿足目前對(duì)水下金屬、蛙人等檢測(cè)的應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)一種用于水下金屬探測(cè)成像的壓電式微機(jī)械超聲換能器。在該結(jié)構(gòu)中，在頂部電極和下電級(jí)之間插入AIN層，用于發(fā)射和接收超聲。當(dāng)測(cè)試距離達(dá)到10m以上就可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求，而該換能器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出最遠(yuǎn)的測(cè)試距離為12.8m，且在12.8m處測(cè)試值與理論值誤差僅為0.67cm，完全可以達(dá)到實(shí)際檢測(cè)需要。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，利用微系統(tǒng)激光分析儀MSA400對(duì)該傳感器進(jìn)行膜位移測(cè)量，其測(cè)量值為0.28μm，與理論結(jié)果誤差為1%。并且詳細(xì)介紹該傳感器的工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程。利用該傳感器實(shí)現(xiàn)二維水下超聲成像，證明水下存在金屬矩形物體。該實(shí)驗(yàn)有利于水下超聲成像系統(tǒng)的建立。

關(guān)鍵詞：PMUT;C-V測(cè)試;超聲成像;遠(yuǎn)距離

中圖分類號(hào)：O426.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）09-0084-05

收稿日期：2018-12-26;收到修改稿日期：2019-01-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61525108）

作者簡(jiǎn)介：楊晉玲（1992-），女，山西太原市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡娮訙y(cè)量技術(shù)。

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（micro electromechanical system，MEMS）的概念始于20世紀(jì)80年代，其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)[1-2]。1962年，最早的MEMS傳感器一硅微壓力傳感器問(wèn)世，隨后MEMS傳感器得到了快速發(fā)展。雖然當(dāng)時(shí)壓電式傳感器的概念也被提出，但是受到半導(dǎo)體工藝水平的限制，一直沒(méi)有得到實(shí)際的應(yīng)用。得益于微加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，1999年，成功研制出了動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)100dB且可進(jìn)行空氣耦合無(wú)損檢測(cè)的超聲傳感器[3-8]。2016年，隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，壓電式微機(jī)械超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)和水下中得到了應(yīng)用[9-13]。壓電式微機(jī)械超聲波傳感器采用微加工工藝，其傳感器的一致性高，更容易與水環(huán)境實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配，容易制成陣列而實(shí)現(xiàn)二維和三維成像。另外，其加工工藝與集成電路的加工工藝具有兼容性，可以實(shí)現(xiàn)傳感器與電路的集成封裝。因此，世界科技強(qiáng)國(guó)對(duì)電容式微機(jī)械超聲波換能器進(jìn)行了大量研究。但是現(xiàn)在各國(guó)對(duì)壓電式微機(jī)械超聲波換能器都集中在中高頻率、短距離方面的應(yīng)用，在遠(yuǎn)距離成像領(lǐng)域的應(yīng)用少見報(bào)道。近些年來(lái)，世界各個(gè)國(guó)家都加大了對(duì)海洋的開發(fā)與利用，如水下避障，沉物的搜索與打撈，水下測(cè)距等。因此，超聲成像在遠(yuǎn)距離水下應(yīng)用方面有迫切需求和廣泛應(yīng)用前景。

目前在金屬探測(cè)成像使用的超聲換能器中，壓電式超聲換能器以其較好的性能、成熟穩(wěn)定的制作工藝和較低的成本，處于絕對(duì)主導(dǎo)地位。但是隨著超聲換能器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，傳統(tǒng)壓電式超聲換能器的不足之處也逐漸暴露。其中最主要的問(wèn)題是壓電材料與工作介質(zhì)如水之間的聲阻抗失配，這不僅會(huì)降低界面處的聲波透射系數(shù)，還會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)射及接收靈敏度、軸向分辨率和信息的豐富程度，降低系統(tǒng)的帶寬和能量耦合效率。而解決阻抗失配的方法，一般是在壓電晶片和工作介質(zhì)層之間加一個(gè)匹配層。但是這種方法又會(huì)帶來(lái)帶寬損失、增加系統(tǒng)復(fù)雜度和增加制作成本等問(wèn)題。

因此，針對(duì)以上問(wèn)題，進(jìn)行了水下遠(yuǎn)距離成像設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用壓電式微機(jī)械超聲波換能器（PUMT）進(jìn)行遠(yuǎn)距離水下成像，目前并未見到相關(guān)的報(bào)道。本文設(shè)計(jì)的PMUT工藝簡(jiǎn)單，可以量產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)新穎，空腔設(shè)計(jì)合理，可以滿足遠(yuǎn)距離水下金屬檢測(cè)與成像的需求。

1 原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)能量會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗的大小與介質(zhì)的種類、溫度、傳播距離和超聲波的頻率有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)超聲波在水下遠(yuǎn)距離探測(cè)的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種工作頻率為400kHz的超聲換能器PMUT。PMUT主要由振動(dòng)薄膜、襯底、上下電極、支撐、AIN和空腔組成，每個(gè)傳感器由若干個(gè)敏感單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。PMUT工作在發(fā)射模式時(shí)，根據(jù)AIN的特性，對(duì)AIN施加交流激勵(lì)電壓（VAC）使AIN振動(dòng)，引起介質(zhì)的振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲波。PMUT工作在接收模式時(shí)，超聲波使振動(dòng)薄膜產(chǎn)生受迫振動(dòng)，引起AIN電壓的變化從而產(chǎn)生電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

工作頻率是PMUT的重要性能參數(shù)之一。PMUT振動(dòng)頻率與AIN的厚度和半徑有關(guān)。所以對(duì)于同一個(gè)頻率可以由不同的AIN厚度和半徑組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)AIN薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)要權(quán)衡考慮。通過(guò)Ansys力電耦合仿真，本文所設(shè)計(jì)的壓電式微機(jī)械超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，滿足遠(yuǎn)距離水下金屬檢測(cè)的要求。

1.2 工藝

本文設(shè)計(jì)的傳感器用的是6寸（1寸=3.33cm）的氧化片與SOI片進(jìn)行鍵合，SOI片與氧化片晶向均為<100>，主要工藝流程如圖2所示。

1）在氧化硅的正面做圖形，刻蝕0.65μm的SiO₂，見圖2（a）。

2）SOI片和氧化片鍵合。SOI片器件層與圖形化的氧化片硅一硅鍵合，見圖2（b）。

3）去掉SOI片襯底層與背面氧化層，見圖2（c）。

4）在正面沉積Al，作為下電級(jí)，見圖2（d）。

5）在正面沉積AIN，見圖2（e）。

6）在正面沉積A1，作為上電級(jí)，見圖2（f）。

在以上工藝過(guò)程中，低溫晶片鍵合技術(shù)是至關(guān)重要的。因?yàn)榈蜏丶庸つ苡行П苊鉄釕?yīng)力、污染等問(wèn)題的引入，從而提高鍵合的強(qiáng)度。且能保證PIVM在水中工作時(shí)傳感器腔的密封性，在高電場(chǎng)下防止水的水解，減少能量損失，而有效得避免傳感器膜的擊穿。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 C-V特性曲線測(cè)試

對(duì)PMUT進(jìn)行C-V曲線測(cè)試（E4990A阻抗分析儀），施加從-80V到80V的直流偏置電壓，頻率為1.52MHz，測(cè)量結(jié)果如圖3中的黑色曲線。紅色曲線是通過(guò)Ansys仿真得到的理論C-V曲線，從圖中可以看出，PMUT的理論C-V特性與測(cè)量結(jié)果基本相同。測(cè)量時(shí)電壓超過(guò)75V后，隨著電壓的增加，電容的增加變慢，說(shuō)明此時(shí)振動(dòng)薄膜已塌陷，PIVM的塌陷電壓為75V，與仿真70V的誤差為7%，這可能是由于加工過(guò)程中腔高、絕緣層的厚度誤差等原因造成的。當(dāng)直流偏置電壓為0v時(shí)，PMUT靜態(tài)電容值為900pF，與設(shè)計(jì)值910pF，誤差為1%。

2.2 振動(dòng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)微電容式超聲波換能器的性能，用微系統(tǒng)激光分析儀MSA400對(duì)換能器進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)微壓電超聲波換能器的交流激勵(lì)電壓為20V時(shí)，測(cè)得換能器的諧振頻率為1.60MHz，如圖4所示。與仿真固有頻率1.5MHz的誤差為6.7%。產(chǎn)生的誤差主要是由于加工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差引起的。AIN薄膜振動(dòng)到最低位置和最高位置時(shí)如圖5所示，從圖中可以看出薄膜的最大位移為280pm，PMUT具有發(fā)射超聲波的能力。

2.3 水下遠(yuǎn)距離測(cè)試實(shí)驗(yàn)

PMUT進(jìn)行水下測(cè)距的實(shí)驗(yàn)方案如圖6所示。首先，利用信號(hào)發(fā)生器（Tektronix DPO）產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖信號(hào)包含3個(gè)頻率為400kHz，幅度為800mV的正弦信號(hào)。然后，功率放大器（GA-2500A）將脈沖信號(hào)放大100倍驅(qū)動(dòng)PMUT發(fā)射超聲波。超聲波達(dá)到PMUT時(shí)，引起PMUT膜的振動(dòng)，從而引起電荷量的變化產(chǎn)生電壓信號(hào)，將信號(hào)輸入示波器（Tektronix AFG3022C）得到PMUT的接受信號(hào)，如圖7所示。超聲波在水中的傳播速率為1480m/s，通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)發(fā)和發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差可以得到發(fā)射PMUT和接收PMUT之間的距離。利用這種測(cè)試方法測(cè)出PMUT的最大發(fā)射距離為12.8m，能夠滿足水下遠(yuǎn)距離應(yīng)用的目的并且測(cè)試距離遠(yuǎn)超現(xiàn)在所報(bào)道的器件。距離測(cè)試如表2所示。

2.4 水下成像

實(shí)驗(yàn)水下成像裝置如圖8（a）所示。成像目標(biāo)是放置在距離傳感器1m的指定距離的鋁塊。利用收發(fā)一體PMUT進(jìn)行發(fā)射與接收。將PMUT傳感器從水箱的左側(cè)移動(dòng)到成像目標(biāo)的右側(cè)，采集接收信號(hào)。利用Matlab進(jìn)行算法成像，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，獲得初始二維超聲成像結(jié)果，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)、對(duì)數(shù)壓縮、圖像處理、灰度轉(zhuǎn)換，最后得出金屬灰度圖如圖8（b）所示。從圖中可以明顯看出目標(biāo)的存在，并且可以大致判斷目標(biāo)金屬的大體輪廓。因此，本實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的換能器可以用于水下遠(yuǎn)距離金屬成像。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于水下成像的PMUT，詳細(xì)介紹了其工藝制作過(guò)程及所用材料的參數(shù)，為PMUT設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)提供參考。設(shè)計(jì)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)具有良好的重復(fù)性，且設(shè)計(jì)的壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）最大測(cè)試距離為12.8m，最大誤差為0.67cm，能夠滿足遠(yuǎn)距離水下測(cè)試與成像的要求，具有良好的應(yīng)用前景。本文的成像方法對(duì)水下超聲成像具有參考意義。

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（編輯：商丹丹）