基于硅硅鍵合的電容式微超聲波換能器設(shè)計(jì)與測(cè)試

楊 樂， 張 亞

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

目前，基于鋯鈦酸鉛(Pb-based zirconate titanate,PZT)的壓電超聲換能器在水下成像技術(shù)中占據(jù)著主導(dǎo)的地位。但其存在著制作二維陣列困難、成本高、帶寬小等嚴(yán)重缺陷。微制造技術(shù)的進(jìn)步使得電容式微超聲換能器(capacitive micro ultrasonic transducer,CMUT)制造技術(shù)得以發(fā)展，其寬帶寬和設(shè)計(jì)靈活性已成為替代老化的PZT換能器的有力技術(shù)。此外，其與集成電路的兼容性等為CMUT的發(fā)展提供了很好的前景。CMUT的制造技術(shù)、陣列配置能力、良好的聲阻抗匹配，為工作于液體環(huán)境中的高運(yùn)行效率設(shè)備提供了下一代傳感器。

超聲波換能器是水下探測(cè)和超聲成像系統(tǒng)的核心，本文針對(duì)CMUT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力電耦合分析，完成了微小敏感單元的設(shè)計(jì)。以惠更斯原理及Bridge乘積定理為依據(jù)，研究了陣元形狀、陣元大小、陣元數(shù)目及陣元間距對(duì)陣列指向性的影響，研究了CMUT陣列設(shè)計(jì)方法，測(cè)試證明該陣列具有良好的指向性并與仿真結(jié)果一致。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CMUT的振動(dòng)頻率與膜的半徑與膜的厚度有關(guān)[1～5]。因?yàn)槌暡ㄔ谳^低的頻率上可以進(jìn)行較遠(yuǎn)的距離探測(cè)，根據(jù)以前的研究和工藝條件，設(shè)計(jì)CMUT膜的半徑和膜的厚度分別為110 μm和3.4 μm。

CMUT工作在發(fā)射模式下需要高的腔高才能獲得高的信號(hào)輸出。而CMUT工作在接收模式下?lián)Q能器需要腔高度小才能獲得高電平，從而才能獲得高的靈敏度[2～4]。經(jīng)過平衡考慮，確定了最佳空腔高度為1.2 μm。當(dāng)CMUT頂部電極的半徑是膜的半徑的40 %～50 %時(shí)，換能器可以獲得寬頻帶，所以，頂部電極半徑為55 μm。利用高摻雜硅(Si)晶片作為襯底與電極形成歐姆接觸[5～8]。為使膜與上電極分離，防止傳感器發(fā)生短路[9～11]，在頂部電極和振動(dòng)膜之間添加一層二氧化硅(SiO2)絕緣層[12～14]。在CMUT中，多個(gè)相同的陣元(element)以一維或二維結(jié)構(gòu)排列形成線陣或面陣[15]。Element由許多單個(gè)微小敏感單元(cell)組成，每個(gè)cell由頂部電極、振動(dòng)薄膜、絕緣層、真空腔和硅襯底、底部電極組成。CMUT的cell橫截面圖如圖1(a)所示，單個(gè)Element如圖1(b)所示。

圖1 器件圖

另外，本文所設(shè)計(jì)的電容式微機(jī)械超聲波傳感器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為：塌陷電壓80 V，空氣中頻率2.8 MHz。

CMUT膜是絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)器件層硅(各向同性)，方向?yàn)椤?11〉,電阻率為0.001Ω.cm 。絕緣層為在鍵合之前濕氧單晶硅，氧化厚度為1 μm，襯底是500 μm厚的單晶硅，電阻率為0.001 Ω·cm，方向?yàn)椤?00〉。Si具體參數(shù)為：密度為2 330 kg/m3,泊松比為0.27，楊氏模量為169 GPa;SiO2參數(shù)為密度為2 200 kg/m3，泊松比為0.17，楊氏模量為70 GPa，相對(duì)介電常數(shù)為3.9。

本文設(shè)計(jì)的CMUT工藝主要包括干法刻蝕(ICP,深硅刻蝕)、陽極鍵合、濕法腐蝕等主要工藝。利用SOI與氧化硅鍵合時(shí)，將SOI片的鍵合面與氧化硅的圖形面相對(duì)，利用氧化硅晶圓與托盤中的金屬配件將SOI片的鍵合面與金屬托盤連通，實(shí)現(xiàn)氧化硅與SOI片鍵合面、托盤之間的導(dǎo)通，進(jìn)行陽極鍵合。具體工藝步驟：1)備片；2)在氧化硅的正面做圖形(2(b))；3)SOI與氧化硅鍵合(如圖2(c))；4)去掉SOI片襯底層(如圖2(d))；5)去掉氧化片背面氧化層(如圖2(e))；6)正面刻蝕硅形成隔離通道(如圖2(f))；7)在氧化片背面進(jìn)行離子注入(如圖2 (g))；8)金屬圖形化，形成上下電極(如圖2(h))。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程

2 有限元仿真

2.1 圓膜在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的諧響應(yīng)分析

利用ANSYS仿真軟件建立CMUT模型，選用實(shí)體單元SOLID187，對(duì)其應(yīng)力分析。對(duì)其振動(dòng)膜上表面施加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，施加z方向的靜電力，從而耦合TRANS126單元，隨著靜電力的增大，薄膜受到靜電力的作用而向CMUT腔內(nèi)塌陷，從而仿真得出CMUT的塌陷電壓為80 V。而本文設(shè)計(jì)的CMUT傳感器工作于沒有塌陷的模式下，可以保證傳感器的可靠性。

2.2 圓膜在水中的諧響應(yīng)分析

用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，建半球模型模擬水中環(huán)境，加直流偏置電壓50 V和一個(gè)從0～5 mHz的聲壓，薄膜采用SOLID187單元，水中的環(huán)境采用SOLID163單元，腔氣隙采用TRANS126單元分析，對(duì)其進(jìn)行耦合，得出其共振頻率為3 MHz，而本文所設(shè)計(jì)的傳感器在封裝后測(cè)得其頻率為2.8 MHz，造成頻率差的原因主要為封裝時(shí)所采用材料，另外，在對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí)采用完全法，分析時(shí)沒有考慮預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有誤差[16]。

3 性能測(cè)試

3.1 C-V特性

利用阻抗分析儀對(duì)CMUT進(jìn)行C-V曲線測(cè)試，施加從-100～100 V的直流偏置電壓，頻率為2.8 MHz，得到的C-V曲線如圖3所示，從圖中可以看出，在0 V時(shí)單個(gè)傳感器的電容值最小，在80～100 V之間，電容值不發(fā)生變化，其原因?yàn)閷?duì)CMUT施加80 V電壓時(shí)，CMUT發(fā)生了塌陷，從而電容值不變。

圖3 C-V測(cè)試

3.2 單個(gè)電容傳感器測(cè)試與一致性

CMUT中每個(gè)cell膜的半徑和膜的厚度分別為110 μm和3.4 μm，初始電容值為：C=nεA/d(ε為真空介電常數(shù)，A為極板面積，d為極板間距)得到CMUT初始電容值680 pF。

利用阻抗分析儀將CMUT中上下極板連接起來，測(cè)得單個(gè)電容傳感器C-V曲線。如圖4(a)所示，重復(fù)測(cè)量單個(gè)陣元電容值，平均值680.62 pF。陣列上不同陣元電容測(cè)試如圖4(b)所示，計(jì)算得到陣列上電容平均值680 pF，誤差為0.62 pF，一致性良好。分析實(shí)際值與設(shè)計(jì)值有差距是傳感器中可能存在雜散電容值，或片內(nèi)腔高、膜厚等參數(shù)存在加工誤差。

圖4 單個(gè)陣元與陣列靜態(tài)電容測(cè)試

3.3 發(fā)射性能測(cè)試

對(duì)CMUT進(jìn)行水下性能測(cè)試，在一個(gè)長5 m、寬3 m、高2 m的水槽內(nèi)放滿水，將收發(fā)CMUT傳感器對(duì)準(zhǔn)間距為5 m，固定于水槽內(nèi)，利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一個(gè)正弦脈沖信號(hào)，頻率為2.8 MHz，幅度為2VPP。將信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦脈沖信號(hào)經(jīng)過功率放大器，放大100倍，接上發(fā)射用CMUT，驅(qū)動(dòng)其發(fā)出超聲波，從而引起接收CMUT膜的振動(dòng)，引起電容值變化。利用信號(hào)采集電路將采集到的信號(hào)在上位機(jī)上顯示。超聲波在水中的傳播速率為1 480 m/s，通過計(jì)算接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差可以得到發(fā)射CMUT和接收CMUT之間的距離。利用這種測(cè)試方法測(cè)出CMUT的最大發(fā)射距離為5 m，測(cè)得的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)如圖5(a)所示。把發(fā)射用CMUT換成標(biāo)準(zhǔn)傳感器，接收CMUT陣列不變，從而測(cè)出本文設(shè)計(jì)的CMUT帶寬如圖5(b)所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果

3.4 重復(fù)性測(cè)試

使用阻抗分析儀提供芯片不同的頻率，從0.8 MHz逐步增加到5 MHz，再從5 MHz逐漸遞減至0.8 MHz。測(cè)試得到不同頻率下傳感器的電容值如圖6所示。分析曲線可以得到，在0.8～5 MHz頻率范圍內(nèi)，電容值穩(wěn)定在680 pF，傳感器固有頻率為2.8 MHz。

圖6 重復(fù)性測(cè)試

4 結(jié) 論

本文介紹了電容式微超聲波換能器的工作原理。由其制作的傳感器誤差小，工藝過程(采用陽極鍵合工藝)簡單，能進(jìn)行量產(chǎn)。利用E4990A阻抗分析儀研究了CMUT的電容值隨工作頻率的變化，得出了傳感器的頻率特性。利用該儀器分析了CMUT的C-V特性，得出實(shí)際值與理論值的誤差僅為0.62 pF，說明采用這種工藝誤差非常小，特別適用于傳感器的生產(chǎn)。本文為CMUT結(jié)構(gòu)和性能的后續(xù)研究提供了參考。