超聲波檢測技術以其非接觸性、實時性和高靈敏度等優(yōu)勢在無損檢測、醫(yī)學超聲、手勢識別及水下探測等領域應用廣泛，這些應用大多要求超聲換能器具有寬頻帶和高聲壓特性，以滿足高分辨率和良好的信噪比需求。一般來說，對發(fā)射端超聲換能器的輸出功率和能量轉換效率要求較高，而對接收端超聲換能器的靈敏度及帶寬要求較高。

電容式微機械超聲換能器（CMUT）采用硅基集成電路制造工藝，可制作形成高密度、小尺寸CMUT陣列，同時具有寬頻帶特性、與水和人體良好的聲阻抗匹配特性，被認為是傳統(tǒng)壓電塊體超聲換能器的一種理想替代技術，并且在水下超聲成像和醫(yī)學超聲成像領域得到了廣泛的研究，因此研制能夠滿足水下應用要求并具備寬頻帶特性的CMUT至關重要。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中北大學和中國工程物理研究院電子工程研究所的研究人員合作設計了一款寬頻帶CMUT，可用于主動探測與其自身相距20 cm以上的物體，這項研究為后期高密度CMUT陣列的設計、封裝及水下探測提供了參考。相關研究成果以“電容式微機械超聲換能器的水下收發(fā)性能”為題發(fā)表在《微納電子技術》期刊上。

該研究設計的CMUT電容單元剖面結構如圖1所示，從上到下依次為金屬鋁上電極、氧化硅絕緣層、絕緣體上的硅振動薄膜、真空腔、氧化硅隔離層、硅襯底和金屬鋁下電極。研究人員首先對CMUT進行水密封裝，隨后利用阻抗分析儀對封裝后的CMUT的C-V特性進行測試，并建立了水下超聲實驗平臺，用于對CMUT的發(fā)射和接收性能進行測試與分析。

CMUT的封裝

劃片后的單個CMUT的尺寸為8.8 mm × 8.8 mm。研究人員使用導電膠將芯片底部粘接在印刷電路板（PCB）上，從而使芯片的下電極與PCB焊盤電氣互連，再通過PCB內部連接線將芯片下電極引至另一焊盤后接外部導線，芯片頂部的焊點通過金絲引線鍵合連接至PCB焊盤后接外部導線，以便測試CMUT的電學性能以及收發(fā)特性，圖2為CMUT的PCB封裝示意圖。

將PCB封裝后的CMUT進行二次聚氨酯封裝，考慮到硅油耦合聚氨酯封裝工藝的復雜性，該研究采用了聚氨酯直接封裝的方式，使其具有水密特性，進而完成水中的收發(fā)測試與性能評估。CMUT的二次封裝結構如圖3所示，圖4為二次封裝后的CMUT實物圖，其中圖4（a）展示了CMUT的上表面，圖4（b）展示了其側面。

CMUT性能測試與分析

研究人員測試了封裝后的CMUT的C-V特性、發(fā)送電壓響應級、接收靈敏度以及回波信號特性。測試結果表明，封裝后的CMUT具有良好的C-V特性，電容變化量最大可達313.7 pF，其發(fā)送電壓響應級最大值為163.83 dB@2 MHz，接收靈敏度最大值為-228.27 dB@1 MHz，因此其在水下環(huán)境具備良好的發(fā)射超聲波與接收超聲波的能力。

綜上所述，該研究設計、封裝的CMUT具有優(yōu)秀的寬頻帶特性，為未來CMUT更廣泛的水下探測應用提供了支持，并且為后期CMUT高密度陣列的優(yōu)化設計以及封裝提供了理論和現(xiàn)實依據。

論文信息：DOI：10.13250/j.cnki.wndz.2023.06.007