宋金龙，郑欣怡，凤 瑞，周 铭，商兴莲

(华东光电集成器件研究所，江苏 苏州 621000)

超声波具有广泛的应用前景，如金属无损探伤和测厚，超声测距、测流量，水下定位与通讯，地下资源勘查，超声检测、医学成像，超声清洗，指纹识别等[1－4]。据报道，仅在医疗、工业和消费类应用的超声波传感市场总规模，预计将在2023 年增长至约60亿美元。超声波换能器是发射和接收超声波的核心元件。目前应用的体压电换能器的压电材料与空气的声阻抗匹配性较差[5－7]、带宽小，而且难以满足对换能器小型化、集成化、阵列化的需求。近来年，基于MEMS 技术的MUT 换能器具有一致性高、成本低、易于加工面阵、可与ASIC 电路集成等优点[8]，成为未来超声波换能器的发展方向。根据工作原理的不同，MUT 可分为PMUT 和CMUT 两种[9－11]。PMUT 工作时有将近一半的能量会被非压电层完全消耗，另外，压电层的厚度难以在整个晶圆上精确控制。因此，众多的学者展开了对CMUT 的研究。当前研究的CMUT 敏感单元的上电极都在振动薄膜的顶部[12－13]，振动薄膜的厚度增加了电容器上、下极板之间的有效间距，直接影响到CMUT 的静电力、初始电容和电容变化的大小，最终影响了CMUT 的发射和接收性能。Kerem Enhos 等人[14]设计的CMUT 发射灵敏度约5.81 kPa/V。张慧等人[15]设计的CMUT 单个敏感单元的接收灵敏度约为0.04 μA/Pa，接收灵敏度约为28 Pa/V。文献[16－18]理论分析结果表明，减小空腔的厚度即减小两电极间的有效距离，可以提高传感器的机电转换效率进而提高发射性能和接收性能。

为提高CMUT 的发射和接收性能，本文设计了上电极在振动薄膜底部的新型结构CMUT。……