MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法

　　0 引言

　　基于容积显像的实时三维超声成像技术,是超声影像领域的一次重大突破。采用传统切割方式制作应用于实时三维超声成像系统的容积探头(超声换能器二维阵列)存在着一系列难以克服的问题:制作工艺复杂、成品率低、一致性差、成本高昂且难于与电子线路连接等。而作为整个系统中最为重要的声学部件,容积探头的上述问题制约着实时三维超声成像系统整体性能的进一步提升[1-2]。

　　采用MEMS技术制备压电式微机械加工超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonictransducer, pMUT)为解决上述问题提供了一种途径。目前国际上已经有很多关于pMUT器件的研究成果报道,例如美国夏威夷大学的C.H.Han等人[3]制备了基于ZnO压电薄膜的拱形pMUT器件;瑞士洛桑联邦理工学院的P.Muralt等人[4]对基于PZT薄膜的pMUT器件进行了制备、测试和模型化,其仿真结果与测试结果一致性较好;北卡三角洲国际研究院和杜克大学的D.E.Dausch等人[5]则制备了一种基于PZT薄膜的小规模pMUT二维阵列,并用该阵列初步实现了超声成像。

　　总之,大量的研究表明,与采用体陶瓷材料制作的传统换能器相比, pMUT器件具有频率控制灵活、功耗低、带宽大、灵敏度高以及易于与电路集成等优点。因此,采用MEMS技术制作用于实时三维超声成像系统的pMUT二维阵列已经成为硅微声学器件的一个重要应用方向。

　　然而目前pMUT二维阵列的研究工作中存在薄膜振动腔过小[3]、阵元间距难以降低[4]和工艺重复性差[5]等问题。本文对pMUT二维阵列的制备方法进行研究,主要针对以上问题提出了一种基于硅-硅键合技术的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的6x6二维阵列,对其声学特性进行了初步测试。

　　1 pMUT单元的工作原理及其二维阵列的制备难点

　　在pMUT器件中,超声波的产生和探测单元是一个微型化的多层膜结构,如图1(a)所示。该结构由位于上下电极之间的一层压电薄膜(典型的如PZT和ZnO)进行压电激励。压电膜的尺寸典型值在厚度方向为几个微米,横向宽度则可以达到几十到几百微米。

　　pMUT的工作原理如图1(b)所示。压电材料在厚度方向被极化,因此当在其厚度方向施加一个穿透电场时,由于压电薄膜逆压电效应而在其横向产生的压力会使膜结构发生弯曲,当电场撤除后该结构又会由于自身的弹性而恢复原始形态,由此便产生了一个压力波在介质中传播。当反射回来的声波与膜结构发生碰撞并使其弯曲后,由于压电效应又会导致极化压电材料中的电荷进行重排,这种电荷的重新分布可以用接收电路测试出来,并经过相应处理得到有关被测介质特征的有用信息。