基于CMUT電容單元剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計

超聲波檢測技術(shù)以其非接觸性、實時性和高靈敏度等優(yōu)勢在無損檢測、醫(yī)學(xué)超聲、手勢識別及水下探測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，這些應(yīng)用大多要求超聲換能器具有寬頻帶和高聲壓特性，以滿足高分辨率和良好的信噪比需求。一般來說，對發(fā)射端超聲換能器的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率要求較高，而對接收端超聲換能器的靈敏度及帶寬要求較高。

電容式微機械超聲換能器（CMUT）采用硅基集成電路制造工藝，可制作形成高密度、小尺寸CMUT陣列，同時具有寬頻帶特性、與水和人體良好的聲阻抗匹配特性，被認為是傳統(tǒng)壓電塊體超聲換能器的一種理想替代技術(shù)，并且在水下超聲成像和醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域得到了廣泛的研究，因此研制能夠滿足水下應(yīng)用要求并具備寬頻帶特性的CMUT至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中北大學(xué)和中國工程物理研究院電子工程研究所的研究人員合作設(shè)計了一款寬頻帶CMUT，可用于主動探測與其自身相距20 cm以上的物體，這項研究為后期高密度CMUT陣列的設(shè)計、封裝及水下探測提供了參考。相關(guān)研究成果以“電容式微機械超聲換能器的水下收發(fā)性能”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

該研究設(shè)計的CMUT電容單元剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，從上到下依次為金屬鋁上電極、氧化硅絕緣層、絕緣體上的硅振動薄膜、真空腔、氧化硅隔離層、硅襯底和金屬鋁下電極。研究人員首先對CMUT進行水密封裝，隨后利用阻抗分析儀對封裝后的CMUT的C-V特性進行測試，并建立了水下超聲實驗平臺，用于對CMUT的發(fā)射和接收性能進行測試與分析。

圖1 CMUT電容單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖

CMUT的封裝

劃片后的單個CMUT的尺寸為8.8 mm × 8.8 mm。研究人員使用導(dǎo)電膠將芯片底部粘接在印刷電路板（PCB）上，從而使芯片的下電極與PCB焊盤電氣互連，再通過PCB內(nèi)部連接線將芯片下電極引至另一焊盤后接外部導(dǎo)線，芯片頂部的焊點通過金絲引線鍵合連接至PCB焊盤后接外部導(dǎo)線，以便測試CMUT的電學(xué)性能以及收發(fā)特性，圖2為CMUT的PCB封裝示意圖。

圖2 CMUT的PCB封裝示意圖

將PCB封裝后的CMUT進行二次聚氨酯封裝，考慮到硅油耦合聚氨酯封裝工藝的復(fù)雜性，該研究采用了聚氨酯直接封裝的方式，使其具有水密特性，進而完成水中的收發(fā)測試與性能評估。CMUT的二次封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖4為二次封裝后的CMUT實物圖，其中圖4（a）展示了CMUT的上表面，圖4（b）展示了其側(cè)面。

圖3 CMUT的封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 封裝后的CMUT實物圖

CMUT性能測試與分析

研究人員測試了封裝后的CMUT的C-V特性、發(fā)送電壓響應(yīng)級、接收靈敏度以及回波信號特性。測試結(jié)果表明，封裝后的CMUT具有良好的C-V特性，電容變化量最大可達313.7 pF，其發(fā)送電壓響應(yīng)級最大值為163.83 dB@2 MHz，接收靈敏度最大值為-228.27 dB@1 MHz，因此其在水下環(huán)境具備良好的發(fā)射超聲波與接收超聲波的能力。

綜上所述，該研究設(shè)計、封裝的CMUT具有優(yōu)秀的寬頻帶特性，為未來CMUT更廣泛的水下探測應(yīng)用提供了支持，并且為后期CMUT高密度陣列的優(yōu)化設(shè)計以及封裝提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。

審核編輯：彭菁