机械工程学报

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

单位：1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 西安 710049;2. 西安交通大学微纳制造与测试技术国际合作联合实验室 西安 710049;3. 西安交通大学机械工程学院 西安 710049;4. 西安交通大学苏州研究院 苏州 215123

关键词：CMUTs,有限元仿真,结构设计,共晶键合,试验测试,阻抗频率特性；

基金：国家重点研发计划（2016YFB1200100）、国家自然科学基金（51805423、51875449、51890884、51421004、91748207）、陕西省自然科学基础研究计划青年项目（2018JQ5067）、苏州市重点产业技术创新->前瞻性应用研究（SYG201721）、机械系统与振动国家重点实验室课题（MSV201809）和中国博士后科学基金（2017M623160）资助项目。

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（>1 000℃），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。

来源：2020年第13期

《机械工程学报》期刊编辑部

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