基于共晶键合技术的CMUTs结构设计与试验测试

作者：李支康; 赵立波^*; 赵一鹤; 李杰; 郭帅帅; 罗国希; 徐廷中; 刘子晨; 李雪娇; 蒋庄德

来源：机械工程学报, 2020, 56(13): 67-76.

• CMUTs
• 有限元仿真
• 结构设计
• 共晶键合
• 试验测试
• 阻抗频率特性

电容式微加工超声换能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducers, CMUTs)在超声成像与治疗、3D超声姿态识别等领域具有广泛应用需求。将CMUTs与ICs进行集成是减小寄生电容、提高信噪比的重要途径,然而目前基于熔融键合的CMUTs制备技术需要高温条件(>1000℃),无法实现与ICs的集成制备。开发基于共晶键合的CMUTs制备工艺是解决上述问题的有效途径。针对该低温工艺,设计了圆形和正六边形空腔CMUTs单元及相应的阵列结构,利用有限元仿真和理论公式分析了CMUTs结构的塌陷电压、谐振频率以及其薄膜在热应力、大气压力条件下的变形。分析结果表明CMUTs塌陷电压及谐振频率在预期范围内,其薄膜在热应力、大气压力作用下不会发生塌陷。对所制备的CMUTs芯片的形貌、结构尺寸、电容以及阻抗频率特性开展试验研究。结果表明芯片形貌、结构参数、电容以及阻抗频率特性与设计预期一致,芯片能正常工作;测试结果验证了CMUTs结构设计与制备工艺的可行性。这些研究对进一步实现CMUTs与ICs的集成设计与制备提供了基础。

• 单位
  西安交通大学苏州研究院; 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室; 西安交通大学