電容式微機(jī)械超聲換能器的發(fā)射性能研究*

王子淵, 何常德, 任勇峰, 王紅亮, 焦新泉, 張文棟

(中北大學(xué) 省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引 言

超聲波是指頻率超過(guò)20 kHz的聲波,超聲波具有波長(zhǎng)短、方向性強(qiáng)、物體穿透性好等特性,這些特性使其在醫(yī)療、工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。目前,鋯鈦酸鉛(Pb-based lanthanum-doped zirconate titanated,PZT)的壓電陶瓷超聲換能器仍然在超聲市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。在其滿足聲學(xué)測(cè)試基本要求條件下,存在著頻帶窄、陣元集成度難以大幅提高的局限性[2]。電容式微機(jī)械超聲換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)的出現(xiàn),其頻帶寬,與人體聲阻抗匹配性好，批量化制造、與IC電路易于集成等優(yōu)勢(shì)[3],使得CMUT在醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損檢測(cè),水下成像等多領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛應(yīng)用前景,CMUT的發(fā)射能力在眾多應(yīng)用中具備著不可或缺的作用。

本文利用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)制備了小型CMUT換能器,并完成了換能器的發(fā)射性能測(cè)試[4,5],為未來(lái)實(shí)現(xiàn)CMUT換能器的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 CMUT換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CMUT換能器是由多層結(jié)構(gòu)和多層材料構(gòu)成。CMUT電容單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,從上到下依次為金屬鋁上電極、氧化硅電氣隔離層、絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)晶圓頂層硅制成的振動(dòng)膜、在氧化硅上蝕刻的真空腔、氧化硅隔離層、硅襯底和金屬鋁底電極。在外界大氣壓強(qiáng)的作用下,薄膜向下凹陷。CMUT在工作狀態(tài)下需要在上下電極之間施加直流偏置電壓,通過(guò)提高薄膜應(yīng)力來(lái)提高靈敏度。發(fā)射狀態(tài)下,在上下電極板之間施加直流偏置,通過(guò)交流電壓和直流偏置電壓的疊加,使薄膜隨著交流信號(hào)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng),發(fā)生電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生超聲波；接收狀態(tài)下,在上下電極板之間施加直流偏置,振動(dòng)薄膜在受到超聲波的聲壓作用而發(fā)生振動(dòng),引起電容值的改變,通過(guò)檢測(cè)電容變化從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換[6～8]。

圖1 CMUT換能器單元結(jié)構(gòu)

根據(jù)CMUT薄膜振動(dòng)頻率與薄膜半徑和厚度的關(guān)系,并參照薄膜振動(dòng)應(yīng)力和電容變化,根據(jù)水下成像頻率范圍和工藝制備條件,將CMUT薄膜的半徑和厚度分別確定為50 μm和2 μm。在確定空腔高度時(shí),由于較大的腔隙在發(fā)射模式下使換能器具有較高的信號(hào)輸出,接收模式下需要較小的腔隙才能獲得較大的接收信號(hào)[9]。與此同時(shí)還要考慮塌陷電壓,綜合以上考慮,將空腔高度設(shè)定為300 nm。CMUT參數(shù)如下:硅振膜厚度為2 μm,真空腔高度為0.3 μm,真空腔直徑為50 μm,真空腔下絕緣層厚度為0.2 μm,金屬上電極直徑為35 μm,金屬上下電極厚度為0.5 μm,上電極下絕緣層厚度為0.2 μm,硅襯底厚度為375 μm,單元數(shù)量為35,CMUT換能器尺寸為1 000 μm×1 000 μm。

2 CMUT換能器制備工藝過(guò)程

根據(jù)確定的CMUT參數(shù),對(duì)換能器進(jìn)行制備。1)準(zhǔn)備氧化層厚度為500 nm的氧化片(低阻硅)和器件層厚度為2 μm的SOI晶圓,器件層的2μ m薄膜將作為換能器單元的振動(dòng)薄膜,圖2(a)；2)通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE),在氧化硅氧化層表面刻蝕300 nm的空腔,用作CMUT換能器的真空腔隙,圖2(b)；3)在真空環(huán)境下對(duì)刻蝕有空腔的氧化片和SOI晶圓器件層進(jìn)行硅—硅鍵合,隨即在高溫退火爐中進(jìn)行退火處理,使得晶圓間的范德華力作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鍵作用,圖2(c)；4)將鍵合片的埋氧層以上部分去除,用BOE漂洗掉頂層和底層的氧化硅,為背面金屬附著做準(zhǔn)備,圖2(d)；5)利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在振膜上表面生長(zhǎng)200 nm的氧化硅作為振膜與上電極金屬的電氣隔離,圖2(e)；6)通過(guò)磁控濺射儀器在正反面濺射500nm的金屬鋁,并對(duì)上表面金屬通過(guò)磷酸腐蝕進(jìn)行圖形化,最后在真空退火爐中進(jìn)行退火處理,用于修復(fù)晶格損傷并形成良好的歐姆接觸,圖2(f)。至此,CMUT換能器制備完成。換能器芯片顯微圖見(jiàn)圖3。

圖2 工藝制備流程圖

圖3 CMUT換能器芯片

3 換能器測(cè)試結(jié)果分析

3.1 正弦交流脈沖激勵(lì)個(gè)數(shù)對(duì)輸出性能的影響

為了評(píng)估CMUT換能器隨驅(qū)動(dòng)正弦交流脈沖個(gè)數(shù)變化時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況,將CMUT換能器與標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器在硅油中固定于相距2 cm位置處,使其中心軸線保持一致。如圖4所示,對(duì)CMUT換能器施加直流偏置電壓25 V,交流正弦脈沖峰峰值15 V,依次改變脈沖個(gè)數(shù)從1到7,保持標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器位置不變來(lái)獲取接收信號(hào),將信號(hào)提取并制作圖,見(jiàn)圖5(a),從圖5(a)中可以清楚看到隨著正弦交流脈沖個(gè)數(shù)的改變,標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器的接收信號(hào)波形周期數(shù)也隨之改變,保持一致,信號(hào)拖尾現(xiàn)象不明顯。隨后提取每個(gè)信號(hào)的峰峰值如圖5(b),通過(guò)觀察結(jié)果可以得到以下結(jié)論：在驅(qū)動(dòng)波周期個(gè)數(shù)偏少時(shí)(1～4),標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器接收信號(hào)逐漸增大(發(fā)射能力逐漸增強(qiáng))；當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到4個(gè)時(shí),水聽(tīng)器接收信號(hào)趨于穩(wěn)定維持在3.8 mV左右,表明聲壓趨于穩(wěn)定,輸出能力不再隨脈沖個(gè)數(shù)發(fā)生較大波動(dòng),因此本文實(shí)驗(yàn)選擇脈沖激勵(lì)個(gè)數(shù)在5個(gè)。

圖4 正弦交流脈沖激勵(lì)個(gè)數(shù)對(duì)輸出性能的影響測(cè)試示意

圖5 仿真結(jié)果

3.2 軸向聲壓測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器輸出電壓V0和標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器的靈敏度S(dB),聲壓級(jí)可以表示為

SPL=20log10(V0)-S

(1)

聲壓為

P=10SPL/20Pref

(2)

式中Pref為1 μPa,標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器靈敏度-239.88 dB@4 MHz。

軸向聲壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)在硅油中進(jìn)行,通過(guò)施加25 V的直流偏置電壓和峰峰值為15 V的5個(gè)正弦脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)CMUT,在4 MHz時(shí)對(duì)換能器軸向聲壓進(jìn)行測(cè)試。CMUT換能器和標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器固定在平臺(tái),保證相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生偏移,如圖6(a)示意圖所示,通過(guò)保持在中軸線上以間隔為1 cm移動(dòng)水聽(tīng)器,分別測(cè)試距離1,2,3,4,5,6 cm時(shí)標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器接收的信號(hào)。通過(guò)式(1),式(2)計(jì)算得到硅油中的聲壓見(jiàn)表1,得到圖6(b)的聲壓衰減曲線。通過(guò)曲線可以看出,硅油中的聲壓隨著距離的增加呈指數(shù)型減小。

圖6 軸向聲壓測(cè)試和衰減曲線

表1 軸向聲壓測(cè)試中水聽(tīng)器接收聲壓計(jì)算

3.3 線性度測(cè)試

在線性度測(cè)試中,將CMUT換能器與標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器固定在硅油中相距2 cm處并使其中心軸線對(duì)齊,測(cè)試裝置如圖7(a)所示。同樣施加25 V的直流偏置電壓,通過(guò)改變交流電壓峰峰值從10 V以2 V為步長(zhǎng)增長(zhǎng)到20 V,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器接收的電壓信號(hào)通過(guò)式(1)、式(2)計(jì)算得到聲壓,如表2所示。如圖7(b)所示為根據(jù)最小二乘法擬合得到擬合曲線,擬合曲線方程為

表2 線性度測(cè)試中水聽(tīng)器接收聲壓計(jì)算

圖7 線性度測(cè)試

P=241.33·V+129.14

(3)

式中P為聲壓,V為標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器接收信號(hào)峰峰值,根據(jù)線性度公式

(4)

根據(jù)式(4)計(jì)算可以得到,換能器的線性度δ=2.06 %,可見(jiàn)傳感器呈良好的線性。

3.4 帶寬測(cè)試

本文采用掃頻法測(cè)試CMUT換能器的帶寬,通過(guò)信號(hào)發(fā)生器改變正弦交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率,標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器接收由CMUT發(fā)射的聲壓信號(hào),經(jīng)由后期處理得到換能器的帶寬曲線。將CMUT換能器和標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器在硅油中相距5 cm放置并固定,保持中心軸線對(duì)齊,測(cè)試裝置示意圖如圖8(a)所示。對(duì)CMUT換能器施加25 V直流偏置電壓和5個(gè)周期峰峰值15 V的正弦交流脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng),通過(guò)改變信號(hào)發(fā)生器的頻率從1 MHz按步長(zhǎng)1 MHz增長(zhǎng)到6 MHz。依次記錄數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到歸一化幅度,見(jiàn)圖8(b)所示。測(cè)試得到,CMUT換能器的中心頻率約為4 MHz,3 dB帶寬范圍約為2.1～5.6 MHz,相對(duì)帶寬(FBW)為87.5 %,相比于壓電陶瓷換能器的3 dB相對(duì)帶寬(50 %～60 %)得到了巨大的提升,在提高水下成像精度方面提供了硬件傳感器。

圖8 帶寬測(cè)試

發(fā)射換能器在某頻率下,在指定方向上的遠(yuǎn)場(chǎng)中離其聲中心某參考距離處的聲壓和該參考距離的乘積與加到輸入電端電壓的比值成為該換能器的發(fā)送電壓響應(yīng),符號(hào)為SV,單位是Pa·m/V,當(dāng)用分貝表示時(shí),稱發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)SV,參考值為1 μPa·m/V[10]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),VN為水聽(tīng)器輸出信號(hào)的峰峰值,SN為水聽(tīng)器的靈敏度,SV即是所求的發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)。CMUT換能器在3,4,5 MHz時(shí)的發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)分別是133.19,133.97,133.34 dB。

表3 CMUT發(fā)射性能測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的電容式微機(jī)械超聲換能器,其工藝采用硅微加工技術(shù),制備的換能器誤差小、操作簡(jiǎn)單,具備量產(chǎn)的條件。利用標(biāo)準(zhǔn)針式水聽(tīng)器探究了正弦激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)對(duì)CMUT輸出性能的影響；測(cè)試了硅油中換能器發(fā)射聲壓的衰減；測(cè)試了換能器的線性度,換能器的線性度為2.06 %,說(shuō)明CMUT換能器的輸出和驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,便于在一些特定場(chǎng)所應(yīng)用；最后的帶寬測(cè)試顯示中心頻率約為4 MHz,3 dB相對(duì)帶寬(FBW)87.5 %,工作范圍覆蓋2.1～5.6 MHz,顯示了CMUT的寬頻帶特性?；诒疚奶岢霾⒅苽涞腃MUT換能器具有面積小,寬頻帶,非線性誤差小(線性度好)等優(yōu)勢(shì),在無(wú)損檢測(cè),水下高清晰度成像領(lǐng)域能夠提供足夠的硬件支撐。