面向水下應用的電容式微機械超聲換能器?

何常德 張盛東 張斌珍 張文棟 薛晨陽

(1 北京大學信息工程學院 深圳 518055)

(2 北京大學信息科學技術學院 北京 100871)

(3 中北大學動態(tài)測試技術省部共建實驗室 太原 030051)

0 引言

電容式微機械超聲換能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)是一種靜電式超聲換能器，它隨著硅微制造技術的發(fā)展而快速發(fā)展，目前已成為一種重要的新型超聲換能器。CMUT 換能器具有寬頻帶、易于制造二維陣列、與信號處理電路集成制造、與水和人體的聲阻抗匹配性好、高機電轉(zhuǎn)換效率等諸多內(nèi)在特性和優(yōu)勢[1?3]，彌補了處于主流地位的壓電超聲換能器的一些方面的不足，已經(jīng)在高頻醫(yī)學超聲成像應用中得到廣泛的關注和研究。在醫(yī)學三維超聲成像應用中，CMUT 換能器二維陣列[4?7]和環(huán)形陣列[8?10]被制造出來，CMUT 換能器的二維陣列制造優(yōu)勢、寬頻帶特性和與專用電路集成制造的優(yōu)勢已經(jīng)得到了充分的驗證。

相控陣三維圖像聲吶是近年來為滿足日益增長的水下目標三維探測需求而發(fā)展起來的超聲成像設備。在相控陣三維圖像聲吶中，作為核心部件的接收基陣由二維陣列換能器構成[11?12]，用于接收目標體的回波信息。目前，利用壓電超聲換能器技術制備二維陣列換能器還存在制造難度大且成本高的問題，制約了三維圖像聲吶技術的發(fā)展。CMUT換能器具有二維陣列制造的優(yōu)勢，但是目前面向圖像聲吶應用的低頻CMUT 換能器還沒有被充分研究和驗證。

本文針對圖像聲吶系統(tǒng)中對低頻超聲換能器的迫切需求，設計一種CMUT 換能器結構，利用硅微加工技術制備出該CMUT 換能器，并完成該CMUT換能器的性能測試，評估該換能器結構在圖像聲吶系統(tǒng)中應用的可行性。

1 CMUT換能器結構

CMUT 換能器的基本單元是由一個可動薄極板和一個固定極板構成的平行板電容器，可動薄極板下面為一個真空腔體。當兩個導電極板之間施加電壓時，兩個極板之間的靜電吸引力使可動薄極板變形。當在兩個導電極板上施加固定直流偏置電壓的基礎上疊加一個較小的交流電壓，可動薄極板隨著交流電壓的變化而振動，產(chǎn)生超聲波；當在兩個導電極板上施加固定直流偏置電壓的同時，入射超聲波作用于平行板電容器，可動薄極板隨著入射超聲波的聲壓變化而振動，檢測電容器的電參量變化而實現(xiàn)超聲波的檢測。本文提出的CMUT 換能器的電容單元結構如圖1所示，表1給出了換能器主要的結構參數(shù)。

圖1 CMUT 換能器電容單元結構Fig.1 The capacitor cell structure of CMUT

表1 CMUT 換能器結構參數(shù)Table 1 Structure parameters of CMUT

該CMUT 換能器由900 個電容單元并聯(lián)構成，在每個電容單元的底部和上表面分別制作了金屬下電極和金屬上電極。硅薄板下面的二氧化硅絕緣層與硅襯底層主要作用是支撐硅薄板，二氧化硅絕緣層也充當絕緣介質(zhì)層。在換能器制備工藝過程中，在真空腔體與硅襯底之間保留了150 nm 厚度的二氧化硅絕緣層，以防止換能器在工作過程中或在塌陷模式工作時高摻雜導電的硅薄板和硅襯底直接接觸而形成短路。高摻雜硅襯底與金屬下電極之間形成歐姆接觸，整體構成CMUT換能器的固定極板。在硅薄板與金屬上電極之間增加了一層絕緣層，防止在過大電壓下真空腔體底部絕緣層擊穿時造成短路的發(fā)生，這3 層介質(zhì)共同構成了可動薄極板。利用傳統(tǒng)的硅晶圓鍵合工藝制造方法[13?14]制備出了該CMUT 換能器芯片，如圖2所示。圖3給出了CMUT 換能器的電容單元局部細節(jié)顯微照片，照片內(nèi)顯示了12 個電容單元的金屬上電極互聯(lián)的方式，從照片中也可以看出，電容單元的可動薄極板在大氣壓的作用下出現(xiàn)了變形。

圖2 CMUT 換能器芯片F(xiàn)ig.2 Fabricated CMUT device

圖3 多個電容單元的顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of magnified view of cells

2 CMUT換能器的性能測試與討論

用環(huán)氧樹脂導電膠將CMUT 換能器芯片的金屬下電極粘接于印制電路板的金屬焊盤上，將CMUT 換能器芯片的金屬上電極焊盤與印制電路板上的金屬焊盤通過引線連接，從印制電路板上引出上電極和下電極的測試導線。由于硅油與水具有相近的聲阻抗參數(shù)，以及測試過程中電絕緣的需要，對CMUT 換能器的測試在硅油中進行。本文對制備出的CMUT換能器的接收靈敏度、帶寬和脈沖回波響應性能進行了測試和分析。

2.1 接收靈敏度測試

本文采用互易校準法測試CMUT 換能器的接收靈敏度[15?16]，圖4給出了接收靈敏度測試裝置示意圖。1 號CMUT 換能器為發(fā)射換能器，將已知接收靈敏度的針式水聽器接收發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波信號，示波器記錄其輸出電壓信號，測試裝置如圖4(a)所示。再將待測的2號CMUT換能器放置于針式水聽器相同的位置，接收發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波信號，示波器記錄經(jīng)低噪放大器后的輸出電壓信號，測試裝置如圖4(b)所示。

圖4 CMUT 換能器接收靈敏度的裝置示意圖Fig.4 Schematic of the measurement setup of the CMUT receiving sensitivity

在CMUT 換能器接收靈敏度測試中，1 號CMUT 換能器始終施加了20 V 直流偏置電壓，峰-峰值幅度為20 V 的3 個正弦脈沖電壓驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波信號。2號CMUT 換能器也始終施加了20 V 直流偏置電壓。分別測試得到在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時針式水聽器的輸出電壓信號(如圖5(a)所示)和2 號CMUT 換能器的輸出電壓信號(如圖5(b) 所示)。2 號CMUT 換能器的輸出經(jīng)低噪運算放大器輸出至示波器，但在測試過程中該低噪運算放大器的增益設置為0 dB，其作用是將換能器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖5 針式水聽器和2 號CMUT 換能器的輸出響應Fig.5 Response waveforms of the needle hydrophone and CMUT transducer (No.2)

表2中分別列出了在不同頻率下針式水聽器輸出電壓信號的峰-峰值幅度(VN)、針式水聽器的接收靈敏度(SN)、2 號CMUT換能器輸出電壓信號的峰-峰值幅度(VC)、計算得到的2 號CMUT 換能器的接收靈敏度(SC)和分貝量表示的接收靈敏度(SCdB)。在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時，2 號CMUT 換能器的接收靈敏度分別為?218.29 dB、?219.39 dB 和?218.11 dB，其中參考靈敏度為1 V/μPa。在CMUT 換能器接收靈敏度測試過程中，1 號換能器和2 號換能器具有相同結構參數(shù)，作為發(fā)射換能器的1 號CMUT 換能器工作穩(wěn)定可靠，驗證了制備的CMUT 換能器具有發(fā)射超聲波的功能。由于針式水聽器的接收電壓和靈敏度已知，可以計算得到在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時，1 號CMUT 換能器的發(fā)送電壓響應級分別為160.81 dB、168.44 dB 和174.76 dB，其中基準值為1 μPa·m/V。

表2 接收靈敏度測試實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experiment results of CMUT receiving sensitivity measurement

2.2 脈沖回波響應測試

2 號CMUT 換能器在脈沖激勵下發(fā)出超聲波信號，經(jīng)鋁塊反射后的超聲波回波信號由相同換能器接收，以驗證CMUT換能器的發(fā)射和接收超聲波的功能。CMUT 換能器的脈沖回波(pulse-echo)響應測試裝置示意圖如圖6所示。圖7給出了實際測試裝置，圖中也給出了CMUT換能器與鋁塊的位置關系，CMUT 換能器與鋁塊的前表面之間距離為10 cm，鋁塊厚度為6.5 cm。

圖6 脈沖回波響應測試裝置示意圖Fig.6 Schematic of the pulse-echo response measurement setup

圖7 脈沖回波響應測試裝置Fig.7 Photograph of the pulse-echo response measurement setup

在脈沖回波響應測試中，2 號CMUT 換能器施加了20 V直流偏置電壓，基于MAX14808芯片的雙極性高壓脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生3 個雙極性方波脈沖電壓驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波信號。每個方波脈沖的周期為0.5 μs (頻率為2 MHz)，高電平為5 V，占50%時間，低電平為?5 V，占50%時間。2 號CMUT 換能器將接收到的超聲波回波信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)低噪運算放大器轉(zhuǎn)換和放大后輸出至示波器，在測試過程中該低噪運算放大器的增益為30 dB。圖8給出了CMUT換能器的脈沖回波測試結果，第一次回波信號和第二次回波信號清晰可見，這兩次信號均為入射超聲波在鋁塊的前表面反射回波信號。

圖8 脈沖回波響應測試結果Fig.8 Results of pulse-echo impulse response

圖9給出了第一次回波信號的細節(jié)圖，從圖中得到信號到達時間約為201.7 μs，根據(jù)測試所得的硅油中聲速約為991.3 m/s，計算得到聲波傳播距離為20.0 cm，超聲波在換能器與鋁塊之間的硅油中來回傳播理論路程為20 cm，測試結果與理論相符合。圖10給出了第二次回波信號的細節(jié)圖，從圖中得到信號到達時間約為403.5 μs，可以計算得到聲波傳播距離為40.0 cm，超聲波在鋁塊之間的硅油中兩次來回傳播的理論路程為40 cm，測試結果與理論相符合。

圖9 第一次回波信號Fig.9 The first echo signal

圖10 第二次回波信號Fig.10 The second echo signal

在脈沖回波測試中，盡管由于硅油與鋁塊的聲阻抗參數(shù)值相差較大，超聲波到達鋁塊的前表面應該同時存在超聲波的反射和透射現(xiàn)象，理論上大部分入射超聲波應在鋁塊的前表面反射進入硅油，但也應有超聲波透射進入金屬鋁塊內(nèi)。在圖8的脈沖回波響應測試結果中，觀察到了鋁塊的后表面的反射回波信號。圖11給出了鋁塊前后表面的反射回波信號的細節(jié)。從圖11中可以得到，兩次回波信號的時間差約為20.7 μs，根據(jù)理論的鋁塊中聲速[17]為6260 m/s，計算得到超聲波在鋁塊內(nèi)的傳播距離約為13.0 cm，超聲波在鋁塊內(nèi)來回傳播的理論路程為13 cm，測試結果與理論相符。

圖11 鋁塊的前表面和后表面的反射回波信號Fig.11 Echo signals reflected from the front surface and back surface of the aluminum block

2.3 帶寬測試

2 號CMUT 換能器的帶寬測試采用了脈沖回波法，測試裝置示意圖如圖12所示，超聲波脈沖發(fā)射接收器是型號為奧林巴斯5073PR 的超聲換能器帶寬測試商業(yè)儀器。在測試中，2 號CMUT 換能器施加了20 V 直流偏置電壓，5073PR 儀器產(chǎn)生單個窄脈沖電壓信號驅(qū)動2 號CMUT 換能器發(fā)射超聲波，該換能器接收到經(jīng)鋁塊反射后的超聲回波信號再經(jīng)5073PR 儀器內(nèi)的低噪放大器轉(zhuǎn)換和放大輸出至示波器，如圖13所示。對回波信號進行傅里葉變換后得到換能器的頻率響應圖，如圖14所示。測試得到，2 號CMUT 換能器的中心頻率為1.965 MHz，6 dB 帶寬范圍為0.89～3.04 MHz，相對帶寬(FBW)達到109.4%。CMUT 換能器的相對帶寬遠大于傳統(tǒng)壓電陶瓷換能器70%～80%的相對帶寬，且該換能器工作頻率滿足了高頻圖像聲吶系統(tǒng)的需求。

圖12 CMUT 換能器帶寬測試裝置示意圖Fig.12 Schematic of the CMUT bandwidth measurement setup

圖13 CMUT 換能器脈沖回波響應信號Fig.13 CMUT pulse-echo response signal

圖14 CMUT 換能器頻率響應圖Fig.14 The frequency response of CMUT

3 結論

本文針對圖像聲吶系統(tǒng)的應用需求，設計了一種CMUT 換能器結構，基于硅晶圓鍵合工藝制備出了CMUT 換能器，最后對換能器的主要性能參數(shù)進行了測試和分析。測試驗證了該CMUT 換能器具有發(fā)射和接收超聲波的功能，其中心工作頻率為1.965 MHz，在1 MHz、2 MHz 和3 MHz 頻率時的接收靈敏度分別為?218.29 dB、?219.39 dB 和?218.11 dB，6 dB相對帶寬(FBW)達到109.4%，顯示出優(yōu)秀的寬頻帶特性，工作頻率也滿足了高頻圖像聲吶系統(tǒng)的需求。在脈沖回波測試中，CMUT 換能器與鋁塊之間的距離測量結果和鋁塊厚度測量結果均與理論相符，顯示了該CMUT換能器具備了基本的測試能力。基于本文提出的CMUT 換能器的電容單元結構參數(shù)，結合硅微加工制造優(yōu)勢，設計和制備CMUT換能器二維陣列，將能夠滿足日益增長的三維圖像聲吶系統(tǒng)對二維陣列換能器的迫切需求。