超声波检测技术以其非接触性、实时性和高灵敏度等优势在无损检测、医学超声、手势识别及水下探测等领域应用广泛，这些应用大多要求超声换能器具有宽频带和高声压特性，以满足高分辨率和良好的信噪比需求。一般来说，对发射端超声换能器的输出功率和能量转换效率要求较高，而对接收端超声换能器的灵敏度及带宽要求较高。
电容式微机械超声换能器（CMUT）采用硅基集成电路制造工艺，可制作形成高密度、小尺寸CMUT阵列，同时具有宽频带特性、与水和人体良好的声阻抗匹配特性，被认为是传统压电块体超声换能器的一种理想替代技术，并且在水下超声成像和医学超声成像领域得到了广泛的研究，因此研制能够满足水下应用要求并具备宽频带特性的CMUT至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近期，中北大学和中国工程物理研究院电子工程研究所的研究人员合作设计了一款宽频带CMUT，可用于主动探测与其自身相距20 cm以上的物体，这项研究为后期高密度CMUT阵列的设计、封装及水下探测提供了参考。相关研究成果以“电容式微机械超声换能器的水下收发性能”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。
该研究设计的CMUT电容单元剖面结构如图1所示，从上到下依次为金属铝上电极、氧化硅绝缘层、绝缘体上的硅振动薄膜、真空腔、氧化硅隔离层、硅衬底和金属铝下电极。研究人员首先对CMUT进行水密封装，随后利用阻抗分析仪对封装后的CMUT的C-V特性进行测试，并建立了水下超声实验平台，用于对CMUT的发射和接收性能进行测试与分析。
图1 CMUT电容单元剖面结构示意图
CMUT的封装
划片后的单个CMUT的尺寸为8.8 mm × 8.8 mm。研究人员使用导电胶将芯片底部粘接在印刷电路板（PCB）上，从而使芯片的下电极与PCB焊盘电气互连，再通过PCB内部连接线将芯片下电极引至另一焊盘后接外部导线，芯片顶部的焊点通过金丝引线键合连接至PCB焊盘后接外部导线，以便测试CMUT的电学性能以及收发特性，图2为CMUT的PCB封装示意图。
图2 CMUT的PCB封装示意图
将PCB封装后的CMUT进行二次聚氨酯封装，考虑到硅油耦合聚氨酯封装工艺的复杂性，该研究采用了聚氨酯直接封装的方式，使其具有水密特性，进而完成水中的收发测试与性能评估。CMUT的二次封装结构如图3所示，图4为二次封装后的CMUT实物图，其中图4（a）展示了CMUT的上表面，图4（b）展示了其侧面。
图3 CMUT的封装结构示意图
图4 封装后的CMUT实物图
CMUT性能测试与分析
研究人员测试了封装后的CMUT的C-V特性、发送电压响应级、接收灵敏度以及回波信号特性。测试结果表明，封装后的CMUT具有良好的C-V特性，电容变化量最大可达313.7 pF，其发送电压响应级最大值为163.83 dB@2 MHz，接收灵敏度最大值为-228.27 dB@1 MHz，因此其在水下环境具备良好的发射超声波与接收超声波的能力。
综上所述，该研究设计、封装的CMUT具有优秀的宽频带特性，为未来CMUT更广泛的水下探测应用提供了支持，并且为后期CMUT高密度阵列的优化设计以及封装提供了理论和现实依据。
论文信息：DOI：10.13250/j.cnki.wndz.2023.06.007