超声波具有频率高、穿透力强、定向性好等特点，广泛应用于超声成像、医疗诊断及无损检测等领域，超声换能器是实现超声技术的关键部件之一，超声换能器的特性直接决定其在各领域中的应用效果。
随着MEMS技术的迅速发展，电容式微机械超声换能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT）作为一种新型的超声换能器以其易于加工、适合批量生产等技术优势，逐渐取代传统的压电式块体超声换能器。CMUT的性能与器件结构密不可分，可以通过优化结构设计实现换能器宽频带和高灵敏度的性能。
据麦姆斯咨询报道，近期，中北大学研究人员提出一种新型的六边形结构CMUT，通过优化结构参数及工艺制程，提高了器件的宽带与灵敏度，并验证了其在超声技术领域的应用可行性，该研究为后续面向更高频率和更宽频带的二维CMUT阵列的设计提供了有力支撑。相关研究成果已发表于《微纳电子技术》期刊。
CMUT电容单元是CMUT的最小组成单元，CMUT电容单元的振动薄膜形状可以设计为圆形、正方形及六边形等多种形状。不同薄膜形状的CMUT性能不同，与方形和圆形器件相比，六边形器件可以提高超声波的方向性，提高换能器发射、接收超声波的有效面积。
该项研究中，研究人员提出一种硅膜厚度为2.83 μm的六边形CMUT，由900个并联在硅衬底上的电容单元组成，所有六边形电容单元紧密排布，增加了发射与接收超声波信号的面积。该CMUT采用晶圆键合工艺制备，具有键合强度高和密封性极好的特点。
六边形结构CMUT的显微镜图和实物图
研究人员测试了该六边形结构CMUT的电容-电压特性、电导特性、电纳特性、相位特性、阻抗特性。测试结果表明，该CMUT同时具备发射与接收超声波信号的能力，且由电导与电纳、相位与阻抗测试可得出随着直流偏置电压的增大，换能器的谐振频率相应减小。
左图：CMUT的电导与电纳曲线；右图：CMUT的相位与阻抗曲线
为了验证CMUT的接收性能，研究人员搭建了一套测试系统。测试结果表明，该CMUT接收灵敏度可达-225.97 dB（频率为1 MHz时），在频率为1~10 MHz时，换能器的接收灵敏度一致性较高，变化量为-2.84 dB，显示出该CMUT的宽频带特性，验证了其实际应用的可行性。
左图：CMUT接收灵敏度测试系统实物图；右图：CMUT的接收灵敏度
综合而言，该研究提出的六边形结构CMUT具有宽频带特性和应用于超声技术领域应用的潜力，将为后续面向更高精度的二维六边形结构CMUT阵列的优化设计和性能分析提供有力依据。
论文链接：
https://doi.org/10.13250/j.cnki.wndz.2022.08.009
