李玉平，何常德，张娟婷，张 慧，宋金龙，薛晨阳

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051;2.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

目前，基于压电材料的压电效应所制备的压电式超声传感器是应用较为广泛的声电转换元件，但近年来其地位已逐步被电容式超声器所取代［1］。相比于传统的压电式超声传感器，电容式微型超声传感器具有声阻抗低、尺寸小、频带宽、易于制作阵列等特点［2，3］，被认为是下一代超声传感器的发展方向，受到各国研究人员的关注。

尽管硅微机械加工技术已经成功应用到电容式微传声器的制备过程中，但采用硅微机械加工技术制备的电容式微超声传感器(CMUT)在空腔形成和薄膜尺寸方面都有很大限制，导致传感器灵敏度低、频率范围窄［4］。近几年，利用晶片键合方法来制造传感器的工艺流程逐渐见诸报道［5～9］，采用该方法制造传感器避免了薄膜释放困难的问题，提高了传感器的成品率。但是当传感器的振动薄膜较薄时，采用传统的晶片键合工艺往往存在键合后SOI 的埋氧层和背衬底在去除时不易控制的问题，为了进行结构的优化设计并改进现有的工艺条件，从而提高传感器的各项性能参数，本文引入了一种新的基于C-SOI 工艺加工方法。

1 CMUT 阵列设计与加工

1.1 阵列设计

MEMS 电容超声传感器常由多个如图1(a)所示的敏感单元并联构成一维线阵或者二维面阵实现超声成像。单个敏感单元主要由上下电极、振动薄膜、真空腔、绝缘层和硅基底五部分构成。

图1 CMUT 结构图Fig 1 Structure diagram of CMUT

在进行CMUT 阵列设计时首先要考虑阵元的间距d，较大的阵元间距能够提高阵列的分辨率，但阵元间距过大，扫描时就会在时空间出现不希望有的栅瓣。当阵元中心间距不大于λ/2 时，不会产生栅瓣［10，11］。增加阵元数目不仅会减小主瓣宽度，同时能抑制旁瓣幅值，但会造成系统过复杂、成本过高，16 阵元是最佳选择［12］。利用MEMS 技术将CMUT 集成到一个硅片上组成一个16 阵元的一维线阵，每个阵元包含2×25 个敏感单元，如图1(b)所示。

1.2 工艺流程

C-SOI 工艺即键合前在支撑衬底或埋氧层中预先加工出密封的腔体。因为该腔体在SOI 最终键合前完成，所以，在去除牺牲层时不受限制，并且器件层与衬底间的距离不受掩埋层的厚度限制。相比于传统的CMUT 制造方法，该工艺不仅大大缩短了工艺流程，而且为设计更小和更灵敏的传感器提供了更大自由度。

采用C-SOI 工艺制作CMUT 的具体流程如图2 所示:

1)基片(N 型6 in 硅片)进行标准RCA 清洗，背面刻蚀对版标记。

2)正反两面表面热氧化形成0.7 μm 的氧化层。正面光刻，然后采用RIE 等离子刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度要求为正面氧化硅刻蚀0.6 μm 左右，保留0.1 μm 左右作为绝缘层。

图2 C-SOI 工艺关键加工步骤Fig 2 Major fabrication steps of C-SOI technology

刻蚀形貌与厚度测试图如图3(a)所示。由图可知，光刻图形边界良好。腔体直径数值测试为142 μm，最终绝缘层厚度在0.98 μm 左右，均符合设计要求。

3)在芯片正面键合一层2 μm 厚的硅形成振动薄膜，键合后的效果图如图3(b)所示。

4)将键合片放到BOE 溶液中漂2～3 s，腐蚀掉背面氧化层。

5)采用电子束蒸发的方式蒸发0.25 μm 的金属Al，使用剥离的方法形成上、下电极及金属焊盘。Al 层深度测试为0.25 μm，与设计值一致，且正面电极剥离后表面图形完整，无损坏、脱落、氧化现象，如图3(c)，(d)所示。

通过对加工过程中微传感器的振动腔体，金属电极等结构特性进行测试，得到所加工的传感器尺寸与设计的尺寸基本一致，且刻蚀的空腔高度均匀，键合效果良好，满足设计要求，证明了工艺流程的可行性。

2 性能测试

图3 C-SOI 关键工艺步骤测试Fig 3 Test of steps of C-SOI key technique

由于所设计的传感器腔体为真空，因此，需要考虑环境压强对薄膜位移的影响。利用ANSYS 有限元仿真得到环境压强下(标准大气压1.013×105Pa)薄膜的最大位移为0.179 μm，利用激光显微镜LEXT 测得实际环境压强下薄膜的最大位移为0.102 μm，分别如图4(a)，(b)所示。二者的最大位移均发生在薄膜的中心处，但数值上有一定的偏差，这是由于在仿真过程中没有考虑薄膜的残余应力的影响。

图4 环境压强下薄膜最大位移Fig 4 The maximum displacement of membrane under ambient pressure

利用Polytec 扫频测试得到的频响曲线如图5 所示。通过测试数据可以发现，随着直流偏置的增加，薄膜的振动位移增大，但是谐振峰发生了偏移，谐振频率呈现减小的趋势，因此，在选取工作电压时要考虑直流偏置电压的降频影响。在谐振频率处，薄膜位移最大，说明在此处发生了共振效应，此时CMUT 的发射功率最大，信号最强。

图5 不同直流偏置电压下CMUT 的频率响应曲线Fig 5 Frequency response curve of CMUT under different DC bias voltage

3 一致性测试

由于所设计的一维CMUT 线性阵列由多个敏感单元组成，若单元的振动不一致，不仅会影响器件的发射性能，而且会使其接收模式失效，因此，有必要测试单元的一致性。

谐振频率的一致性不仅反映了器件尺寸的一致性，而且反映了各个单元振动情况的一致性。随机选取阵列中的两个阵元分别命名为a 和b，利用Polytec 对阵元中各个敏感单元进行单点扫频测试，测得各个单元在直流偏置20 V，交流幅值0.2 V 时的谐振频率如图6 所示。阵元a 中各敏感单元的谐振频率的平均值为1.93 MHz，标准偏差为30.13 kHz，各敏感单元的谐振频率相差不大，说明器件尺寸一致，振动良好;对比阵元a 和阵元b，可知两阵元谐振频率的平均值有一定的偏差，但仍满足一致性要求。

静态电容的测试为后续电路的设计提供基础，通过静态电容一致性的测量检验CMUT 是否具备制造大阵列的可能。通过LCR 精密测试仪4284A 对所设计的一维线阵中16 个阵元的静态电容值进行测试，结果如表1 所示。由表可知，静态电容的平均值为108.1 pF，标准差为1.06 pF，阵列中各阵元的静态电容值具有较好的一致性。固有频率和静态电容均具有较好的一致性说明以C-SOI 工艺加工的CMUT 器件满足设计要求且适宜加工大阵列，这种加工技术使得加工成像阵列成为可能。

图6 谐振频率一致性测试Fig 6 Test on uniformity of resonant frequency

表1 静态电容一致性测试Tab 1 Test on uniformity of static capacitance

4 结 论

本文设计了基于C-SOI 工艺的MEMS 电容式超声传感器一维线性阵列，确定了传感器阵列的结构尺寸，介绍了工艺流程，通过激光显微镜LEXT，LCR 精密测试仪4284A 和polytech MSA—400 等仪器对所加工传感器性能进行了测试分析，测试结果验证了设计和加工的可靠性。基于C-SOI工艺制备的传感器阵列不仅具有良好的一致性，而且为设计更小和更灵敏的传感器提供了更大自由度。

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