超声波具有频率高、穿透力强和定向性好等特点，广泛应用于超声成像、医疗诊断及无损检测等领域，而超声换能器是实现超声技术的关键器件之一。宽频带超声换能器不仅在超声成像的应用中可以提高成像质量，而且在流量测量或测距应用中可以提高传输时间的测量精度。此外，其在超声识别应用中可以提高脉冲宽度和轴向分辨率。总之，研究和设计宽频带超声换能器具有重要的现实意义。
电容式微机械超声换能器（CMUT）具有宽频带、易于制造二维阵列、与水和人体的声阻抗匹配性好、高机电转换效率以及能够更好地与CMOS工艺集成等优势。因此，不同结构的宽频带CMUT的结构设计和性能优化成为了学者们的研究热点。CMUT电容单元是CMUT阵列的最小组成单元，其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。与方形和圆形振动薄膜相比，六边形振动薄膜可以提高超声波的方向性，从而提高CMUT发射和接收超声波信号的有效面积。然而，迄今为止，针对六边形结构的CMUT的研究较少。
据麦姆斯咨询报道，为解决上述问题，中北大学的研究人员提出了一种新型的六边形结构的CMUT，并详细介绍了其结构参数以及工艺制造过程。此外，研究人员通过测试其电容-电压特性、电导特性、电纳特性、相位特性、阻抗特性和超声波信号接收灵敏度等参数，评估了该CMUT的性能特性，以验证其应用于超声技术领域的可行性，为后期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的支持。相关研究成果以“一种六边形结构的电容式微机械超声换能器性能分析”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。
六边形CMUT的设计
通常，CMUT是由多个电容单元按照一定规律排列组合而成，以达到强指向性、高灵敏度和高传输功率的要求。在该研究中，研究人员提出了一种硅膜厚度为2.83 μm的六边形CMUT，其振动薄膜横截面如图1所示。该六边形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，从而增加了发射与接收超声波信号的面积。每个电容单元的下表面和上表面分别制作有下金属电极和上金属电极，从而在高掺杂硅衬底和下金属电极之间形成欧姆接触，构成CMUT的整体固定板。此外，研究人员在振动薄膜和上金属电极之间增加了一层绝缘层，以防止真空腔底部的绝缘层在过电压下击穿造成短路。
图1 六边形CMUT的振动薄膜横截面图
六边形CMUT的制备
在该研究中，六边形CMUT采用晶圆键合工艺制作，具有键合强度高和密封性好的特点。此外，该工艺可以降低制备的复杂性，并提高成品率。利用该工艺制备出的CMUT如图3所示。
图2 六边形CMUT的制备工艺流程
图3 六边形CMUT的显微镜观测图和实物图
六边形CMUT的性能分析
随后，研究人员测试了六边形CMUT的电容-电压特性、电导特性、电纳特性、相位特性、阻抗特性以及在不同频率下的超声波信号接收灵敏度。测试结果表明，该研究提出的六边形CMUT同时具备发射与接收超声波信号的能力，其超声波信号接收灵敏度可达-225.97 dB（频率为1 MHz时）。此外，在频率为1 MHz ~ 10 MHz时，该CMUT的超声波信号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。
图4 六边形CMUT的超声波信号接收灵敏度测试系统实物图
图5 六边形CMUT的超声波信号接收灵敏度
综上所述，该研究提出并制备的六边形结构的CMUT具有应用于超声技术领域的潜力，可以为后续面向更高精度的二维六边形结构的CMUT阵列的优化设计和性能分析提供有力依据。
论文信息：
DOI：10.13250/j.cnki.wndz.2022.08.009
