超聲波具有頻率高、穿透力強(qiáng)和定向性好等特點，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間的測量精度。此外，其在超聲識別應(yīng)用中可以提高脈沖寬度和軸向分辨率?？傊?，研究和設(shè)計寬頻帶超聲換能器具有重要的現(xiàn)實意義。

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)計和性能優(yōu)化成為了學(xué)者們的研究熱點。CMUT電容單元是CMUT陣列的最小組成單元，其振動薄膜形狀可以設(shè)計為圓形、正方形及六邊形等多種形狀。與方形和圓形振動薄膜相比，六邊形振動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接收靈敏度等參數(shù)，評估了該CMUT的性能特性，以驗證其應(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

通常，CMUT是由多個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，其振動薄膜橫截面如圖1所示。該六邊形CMUT由900個并聯(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的面積。每個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。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接收靈敏度。測試結(jié)果表明，該研究提出的六邊形CMUT同時具備發(fā)射與接收超聲波信號的能力，其超聲波信號接收靈敏度可達(dá)-225.97 dB（頻率為1 MHz時）。此外，在頻率為1 MHz ~ 10 MHz時，該CMUT的超聲波信號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的超聲波信號接收靈敏度測試系統(tǒng)實物圖

圖5 六邊形CMUT的超聲波信號接收靈敏度

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)計和性能分析提供有力依據(jù)。

審核編輯：彭菁