基于牺牲层工艺的CMUT阵列设计制造及性能表征*

梁 永，孟繁胜，王任鑫，张国军，贾利成，张文栋

（中北大学仪器与电子学院省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

0 引 言

微机械超声换能器（micromachined ultrasonic transducer，MUT）是一种采用微机械工艺制造，可以将声信号和电信号在一定条件下互相转换的传感器。随着微机电系统（MEMS）的不断发展，MUT在成像、超声流量测量、电子听诊器、生化检测等领域有着越来越多的应用［1～4］。相较于带宽窄、难大规模集成［5］的传统压电陶瓷换能器，电容式MUT（capacitive MUT，CMUT）具有宽频带、高机电耦合系数、尺寸小易于大规模集成阵列、与水声阻抗相近等优势［6］，使得CMUT 在水下等液体环境工作，尤其在超声成像领域等具有难以替代的优势以及不可限量的潜力。

在本文中，提出了一种新型的基于MEMS 牺牲层释放工艺的CMUT制造技术，并对制造的CMUT 进行性能表征测试。该制造工艺上存在一定创新性，为今后CMUT 的广泛应用提供了技术支持。

1 CMUT的工作原理与结构设计

本文提出的CMUT传感器阵列是基于牺牲层释放工艺制造，由1375个方形CMUT微元以同心圆状环绕构成边长1.8 mm 的正方形阵列。单个CMUT 微元的截面示意如图1（a）所示，它是由包围着真空腔的氧化硅（SiO2）层和在真空腔上方的传感膜片组成，传感膜片位于SiO2器件层之上，CMUT微元的扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）如图1（b）所示，自下而上由SiO2-金属铝（Al）-氮化硅（Si3N4）堆叠而成。

图1 CMUT微元结构

CMUT 处于工作状态下时，上下极板之间被施加一定的直流偏置电压迫使振动薄膜向下极板方向挤压处于紧绷状态。在发射模式下，然后极板间被施加一定频率的交流电压信号，变化的电压振幅使得极板间静电力持续变化，传感薄膜以相同频率随之振动，向外辐射声波。在接收模式下，当外界有声波辐射到传感薄膜表面，振动的薄膜引起上下极板间距的变化，导致以两极板形成的电容值随之而变，在接收端回路中产生交变信号［7］。

根据CMUT上下极板之间静电力和边缘支撑弹性拉力平衡后偏置电压和极板间距以及薄膜位移之间的关系，参考CMUT的发射性能与腔高成正相关，接收灵敏度与腔高成负相关［8，9］等设计依据，确定CMUT参数如表1所示。

表1 CMUT的结构尺寸

2 工艺流程

本文采用牺牲层释放工艺制造了CMUT阵列。制造过程中每个主要步骤的截面图如图2所示。在硅（Si）片上图形化电气连接层（图2（a）），沉积0.05 μm 的SiO2作为牺牲层，沉积1 μm 的Si3N4作为CMUT 的薄膜。随后，打开接触孔并与电气连接层连接（图2（b））。图形化上电极，蚀刻SiO2牺牲层形成空腔（图2（c））。在上电极上方沉积1.8 μm厚的Si3N4钝化层作为CMUT器件的传感膜片，刻蚀连接孔，形成焊盘（图2（d））。

图2 基于牺牲层释放工艺制造CMUT流程

基于牺牲层工艺制造的CMUT 阵列SEM 图和单个CMUT微元光学显微镜图如图3 所示，单个微元上电极之间通过图示金属条相互连结并最后引线到阵元的上表面角落位置，下电极通过电级连接层后经过接触孔最后汇合在阵元的相邻角落，形成2 个驱动或检测电极。这种创新的工艺布局设计方式有助于以CMUT为核心的超声换能器系统微型化，具有显著的现实意义和商业前景。

图3 CMUT阵列SEM图及CMUT微元光学显微镜图

3 CMUT性能测试

对制造的CMUT 阵元用800 μm 厚的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）封装后，在水中对轴向声压、发射线性度、不同直流偏置下的输出声压、发射电压响应级、接收灵敏度、指向性等进行表征测试。

3.1 轴向声压测试

轴向声压，指的是当CMUT发射信号时，随着CMUT中轴线上距离的改变而产生的声压的变化趋势。通常以负指数型函数衰减。是描述超声换能器发射性能的一个重要指标。

轴向声压测试，需要首先将已封装的CMUT 和标准压电换能器（PZT-3 MHz）安置在如图4（a）所示水域环境中，固定两者在同一高度，信号发生器发射信号经功率放大器放大后在CMUT端施加5个3 MHz的50 Vpp正弦脉冲交流信号和50 V直流偏置，调节标准压电换能器使之与CMUT互相正对位于同一中轴线上，以2 cm为步长从4 cm位置至20 cm处改变距离，在示波器上采集标准压电换能器接收到的不同距离下的电压幅值，并换算每个距离下标准压电换能器表面的声压强度，绘制图4（b）中声压衰减曲线。结果表明，水中CMUT中轴线上声压强度随距离的变化呈负指数函数递减。

图4 轴向声压测试示意和衰减曲线

3.2 发射线性度

发射线性度，指的是CMUT对不同幅值的交流激励信号响应的偏差程度，是衡量超声换能器发射性能的一个至关重要的指标。

线性度的测量同样采用CMUT 发射，标准压电换能器（PZT-3 MHz）接收，如图4（a）。固定收发装置在同一高度且正对距离10 cm，激励源在CMUT 端施加20 V 直流偏置，以及5个3 MHz的以5 Vpp为步长从10 Vpp 逐渐增加到60 Vpp的正弦脉冲的交流信号。调节对准收发装置后，在示波器上采集标准压电换能器接收到的不同交流信号下的电压幅值，并换算每个交流信号下标准压电换能器表面的声压强度，绘制如图5 中发射线性度曲线。经过线性拟合，得到拟合曲线

图5 发射线性度曲线

式中P为标准压电换能器表面声压强度，Pa；V为驱动CMUT工作的交流激励电压，Vpp。根据非线性度计算公式［10］

式中 ΔPmax为实际测试数据和拟合曲线之间的差值，Pa；P为实际测试数据最大量程，Pa。根据计算，得到CMUT非线性为0.74%，具有优秀的线性度。

3.3 不同直流偏置下的输出声压

探究不同直流偏置下的输出声压的变化趋势同样具有重大意义，它描述了CMUT发射性能随直流偏置电压变化而变化的趋势和程度。

测量不同直流偏置下的输出声压，实验操作采用CMUT发射、标准压电换能器（PZT-3MHz）接收的测试装置，如图4（a）所示。固定收发装置在同一高度且正对距离10 cm，激励源在CMUT端施加5个3 MHz的10 Vpp正弦脉冲交流信号，以及以5 V为步长从10 V逐渐增加到70 V的直流偏置电压。处理示波器接收到的不同直流偏置下的电压幅值，并换算对应的声压强度，绘制曲线如图6所示。

图6 不同直流偏置输出声压曲线

3.4 发射电压响应级

发射电压响应级Sv是评价CMUT 传输性能的重要指标。它表示当CMUT工作在发射模式下时，单位激励电压在CMUT中心轴方向1 m距离处产生的声压强度。该值以分贝（dB）表示，参考值为1 μPa·m／V。

发射电压响应级的测量依旧采用如图4（a）示意的操作装置进行，将收发装置固定在同一高度且正对距离10 cm，激励源在CMUT 两端施加5 个从1 MHz 扫频到5 MHz的40 Vpp正弦脉冲交流信号和40 V直流偏置电压。记录示波器在每个频点的接收电压幅值，换算标准压电换能器（PZT-3 MHz）表面的声压。并根据每个频点下发射端交流信号的幅值，计算CMUT 1 m 距离处的发射电压响应级。绘制发射电压响应级曲线如图7 所示，计算公式［11］如下

图7 发射电压响应级曲线

式中Sv为CMUT的发射电压响应级，dB；us为接收电压幅值，V；l为接收端和发射端之间的距离，m；uf为发射电压的幅值，V；M0为标准压电换能器的接收灵敏度，dB。

3.5 接收灵敏度

接收灵敏度，指的是当CMUT器件处于工作状态下，单位声压强度的声信号辐射到振动薄膜表面产生的电压信号强度。是衡量CMUT器件对信号接收能力重要指标。该值以dB表示，参考值为1 V／μPa。

接收灵敏度的测量，通常采用对比测量法。测量步骤与图4（a）相似，但需要两步完成。第一步，将一个标准压电换能器作为发射端，激励源在发射端施加5个从1 MHz至5 MHz的40 Vpp正弦脉冲交流信号，在同一高度且水平距离l0（m）处安置标准压电换能器（PZT-3MHz）作为接收端，接收到的电压信号记作u0（V）；第二步，保持发射条件不变的情况下用施加直流偏置40 V 的CMUT 替换接收端的标准压电换能器，保持CMUT和发射端在同一高度且水平距离记为l1（m），这里l0（m）和l1（m）被取为10 cm，CMUT接收到的电压幅值记为u1（V），接收端标准压电换能器的灵敏度记为M0（dB），则CMUT的接收灵敏度MX（dB）［12］为

绘制CMUT接收灵敏度曲线如图8所示。

图8 接收灵敏度曲线

3.6 指向性

同发射电压响应级和接收灵敏度一样，CMUT 器件的指向性也是评价其性能的重要指标之一。它是指CMUT器件在工作状态下在空间内向各个方向传输信号的能力。通常，CMUT器件的指向性峰值在从器件几何中心出发并垂直于其表平面的轴线上。整个空间指向性以轴为中心轴对称递减分布。

根据图9（a）所示，CMUT传感器被放置在精密分度转盘下方作为发射端，而标准压电传感器（PZT-3 MHz）则用作接收端以捕获信号，并将其放置在距离CMUT传感器设备前方10 cm处且保持相等的高度。激励源在CMUT两端施加5个3 MHz的40 Vpp正弦脉冲交流信号和40 V 直流偏置电压，控制精密分度转盘以1°为步长从-40°至40°旋转CMUT，记录各角度下接收端示波器接收到的电压幅值，指向性归一化绘图如图9（b）所示。测试结果显示，该CMUT传感器对称性良好。 -6 dB 波束宽度为26°，由图9（b）可以看出，该CMUT 指向性旁瓣非常小，可以减少成像伪影的产生，有效提高成像分辨率［13］。

图9 指向性测试示意及归一化曲线

4 结束语

本文基于牺牲层释放工艺，设计并成功制造了微小精密的CMUT传感器。该传感器由1 375 个微元以多个同心圆布局集中排列构成边长为1.8 mm 的方形CMUT 阵元。详细介绍了该CMUT阵元的工艺流程，并通过标准压电换能器在水中进行相关性能测试来表征其性能。实验结果显示：CMUT的轴向声压符合负指数衰减规律；发射线性度和不同直流偏置下的输出响应均表现出良好特性，非线性度仅为0.74%；同时，该CMUT 具有良好的发射和接收灵敏度；此外，该传感器具有出色的对称性指向性，其-6 dB 主瓣宽度为26°且旁瓣极小，可有效提高成像分辨率。该CMUT具备多项优异特性，在医学诊断和成像、便携式超声设备等领域有望发挥重要作用。