超聲波具有頻率高、穿透力強(qiáng)和定向性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于超聲成像、醫(yī)療診斷及無損檢測等領(lǐng)域，而超聲換能器是實(shí)現(xiàn)超聲技術(shù)的關(guān)鍵器件之一。寬頻帶超聲換能器不僅在超聲成像的應(yīng)用中可以提高成像質(zhì)量，而且在流量測量或測距應(yīng)用中可以提高傳輸時(shí)間的測量精度。此外，其在超聲識(shí)別應(yīng)用中可以提高脈沖寬度和軸向分辨率。總之，研究和設(shè)計(jì)寬頻帶超聲換能器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）具有寬頻帶、易于制造二維陣列、與水和人體的聲阻抗匹配性好、高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率以及能夠更好地與CMOS工藝集成等優(yōu)勢。因此，不同結(jié)構(gòu)的寬頻帶CMUT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化成為了學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。CMUT電容單元是CMUT陣列的最小組成單元，其振動(dòng)薄膜形狀可以設(shè)計(jì)為圓形、正方形及六邊形等多種形狀。與方形和圓形振動(dòng)薄膜相比，六邊形振動(dòng)薄膜可以提高超聲波的方向性，從而提高CMUT發(fā)射和接收超聲波信號(hào)的有效面積。然而，迄今為止，針對六邊形結(jié)構(gòu)的CMUT的研究較少。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為解決上述問題，中北大學(xué)的研究人員提出了一種新型的六邊形結(jié)構(gòu)的CMUT，并詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝制造過程。此外，研究人員通過測試其電容-電壓特性、電導(dǎo)特性、電納特性、相位特性、阻抗特性和超聲波信號(hào)接收靈敏度等參數(shù)，評估了該CMUT的性能特性，以驗(yàn)證其應(yīng)用于超聲技術(shù)領(lǐng)域的可行性，為后期面向更高頻率和更寬頻帶的二維CMUT陣列的設(shè)計(jì)提供了有力的支持。相關(guān)研究成果以“一種六邊形結(jié)構(gòu)的電容式微機(jī)械超聲換能器性能分析”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

六邊形CMUT的設(shè)計(jì)

通常，CMUT是由多個(gè)電容單元按照一定規(guī)律排列組合而成，以達(dá)到強(qiáng)指向性、高靈敏度和高傳輸功率的要求。在該研究中，研究人員提出了一種硅膜厚度為2.83 μm的六邊形CMUT，其振動(dòng)薄膜橫截面如圖1所示。該六邊形CMUT由900個(gè)并聯(lián)在硅襯底上的電容單元組成，所有六邊形電容單元緊密排布，從而增加了發(fā)射與接收超聲波信號(hào)的面積。每個(gè)電容單元的下表面和上表面分別制作有下金屬電極和上金屬電極，從而在高摻雜硅襯底和下金屬電極之間形成歐姆接觸，構(gòu)成CMUT的整體固定板。此外，研究人員在振動(dòng)薄膜和上金屬電極之間增加了一層絕緣層，以防止真空腔底部的絕緣層在過電壓下?lián)舸┰斐啥搪贰?/p>

圖1 六邊形CMUT的振動(dòng)薄膜橫截面圖

六邊形CMUT的制備

在該研究中，六邊形CMUT采用晶圓鍵合工藝制作，具有鍵合強(qiáng)度高和密封性好的特點(diǎn)。此外，該工藝可以降低制備的復(fù)雜性，并提高成品率。利用該工藝制備出的CMUT如圖3所示。

圖2 六邊形CMUT的制備工藝流程

圖3 六邊形CMUT的顯微鏡觀測圖和實(shí)物圖

六邊形CMUT的性能分析

隨后，研究人員測試了六邊形CMUT的電容-電壓特性、電導(dǎo)特性、電納特性、相位特性、阻抗特性以及在不同頻率下的超聲波信號(hào)接收靈敏度。測試結(jié)果表明，該研究提出的六邊形CMUT同時(shí)具備發(fā)射與接收超聲波信號(hào)的能力，其超聲波信號(hào)接收靈敏度可達(dá)-225.97 dB（頻率為1 MHz時(shí)）。此外，在頻率為1 MHz ~ 10 MHz時(shí)，該CMUT的超聲波信號(hào)接收靈敏度一致性較高，變化量為-2.84 dB，顯示出該CMUT的寬頻帶特性。

圖4 六邊形CMUT的超聲波信號(hào)接收靈敏度測試系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 六邊形CMUT的超聲波信號(hào)接收靈敏度

綜上所述，該研究提出并制備的六邊形結(jié)構(gòu)的CMUT具有應(yīng)用于超聲技術(shù)領(lǐng)域的潛力，可以為后續(xù)面向更高精度的二維六邊形結(jié)構(gòu)的CMUT陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析提供有力依據(jù)。

審核編輯：彭菁