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基于MEMS技术的微型高频(100-300兆赫兹)超声线性相控阵换能器

张金英  
【摘要】:超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元,来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。相比于传统的单探头换能器,极大地提高了检测效率和可靠性。 超声相控阵技术已有20多年的发展历史。最初主要应用于医疗领域,如医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像、大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌等。当时,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而电子技术和计算机技术的快速发展,使得超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域,如核电站主泵隔热板的检测、核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测等。由于数字电路和DSP技术的发展,使得精确延时越来越方便,超声相控阵技术发展的也越来越迅速。 近几年,随着微电子技术、微机电系统(MEMS)技术和压电材料研究的不断发展,高频超声相控阵传感器在高精度成像领域越来越受到关注。尤其是要实现对微小的生物组织乃至细胞的成像,就要求传感器的工作频率高于100兆赫兹。然而,要开发工作频率大于100兆赫兹的阵列成像系统,目前还存在很多困难。这些困难包括高频相位延迟系统、电阻抗匹配、机械阻抗匹配,特别困难的是高频阵列换能器的制备。 高频超声相控阵换能器的研制面临二方面的挑战。一方面迄今为止对100兆赫兹以上的阵列换能器设计方面尚没有系统研究,也没有见到全面而系统的仿真结果的相关报道,因此如何对器件进行仿真和优化设计显得十分重要。另一方面高频阵列换能器的加工难度很大。比如,加工中心工作频率为100兆赫兹的阵列,通常压电薄膜的厚度需要达到30微米左右,而阵元中心间距理论上要被限制在7.5微米以内。要制备出一系列各自独立的阵元,就需要采用刻蚀等微加工技术在压电薄膜上刻蚀出深宽比大约为15:]的缝隙,这个要求对于现阶段的技术是个极大的挑战。目前,一些研究人员已经制备出100兆赫兹以上的高频超声换能器阵列,但是因为尚没有解决高深宽比刻蚀技术难点,该高频超声换能器阵列的结构是无刻蚀缝隙的。这种无刻蚀缝隙,即无隔离的换能器阵元会产生严重的串扰,从而降低成像质量。 本论文针对上述二个问题,重点研究了中心频率为100-300兆赫兹的有缝隙隔离的阵列换能器,采用有限元数值仿真优化了器件设计并全面系统地模拟了器件性能,同时结合微机电系统(MEMS)技术成功研制了基于铌酸锂单晶和氧化锌薄膜二种材料的高频超声相控阵传感器。 论文的研究内容主要是两个方面: 第一个方面是利用COMSOL软件,全面系统研究了基于铌酸锂单晶和氧化锌薄膜二种不同材料阵元中心间距、阵元间缝隙填充物和刻蚀缝隙深度对声场、电阻抗和串扰的影响,尤其是系统地模拟了自行设计的缓冲层阵列传感器和背衬层阵列传感器。COMSOL软件包含多个物理模块,在流体模块、固体模块和电学模块等多物理模块的混合模型中具有很好的耦合能力,甚至可以实现无缝隙耦合。 第二方面是采用基于MEMS的加工工艺研制了基于铌酸锂单晶和氧化锌薄膜不同材料的高频超声相控阵传感器。本文研究了采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀铌酸锂单晶、化学湿法刻蚀氧化锌薄膜和先刻蚀硅衬底再淀积氧化锌薄膜等不同的三种方法,制备了100-300兆赫兹的有缝隙隔离的阵列传感器。 论文的主要贡献和创新点主要在二个方面: 一、采用有限元数值仿真优化了器件设计并全面系统地模拟了器件性能 ].为了减小衬底材料平坦的背面反射声波引起噪声,本文提出了一种在衬底背面刻蚀出起伏不平的沟槽结构以散射声波来降低反射波引起噪声的新方法。模拟结果表明这种沟槽结构的深度和宽度须大于一倍波长(声波在衬底中的波长),才能有效散射大多数入射波。 2.传感器阵元中心间距会直接影响栅瓣的位置,仿真结果显示当阵元中心间距大于1.5倍波长(声波在传播媒介中的波长,传播媒介通常指水)时,栅瓣将距离主瓣很近,从而导致阵列换能器几乎无法使用。因此,在设计高频阵列换能器时,阵元中心间距不应超过1.5倍波长。另外,若阵元中心间距保持不变,当缝隙宽度增加时,传感器的分辨率将减小而方向性指数基本保持不变。 3.本文分别采用一维KLM模型和二维有限元模型对压电阵列换能器阵元的电阻抗进行了模拟计算,发现阵列换能器中阵元的宽度和厚度相比拟,不再符合一维等效模型。使用二维有限元模型计算压电阵列换能器阵元的电阻抗比KLM模型更准确。 4.大部分报道的缝隙阵列传感器都对缝隙进行了填充,本文模拟发现无填充物的缝隙阵列比有填充物的缝隙阵列具有更好的声束性能。 5.刻蚀缝隙深度对声场特性和阵列传感器的串扰有重要影响。本文模拟对比了不同刻蚀深度的缝隙阵列传感器,结果证明,全刻蚀的阵列传感器性能最优,但从实际加工的可行性方面考虑,研究结果表明半刻的阵列是一种比较理想的技术路线,因为它对制备要求低(其要求刻蚀缝隙的深宽比要比全刻蚀缝隙要求的比值低很多),同时表现出的传感器性能能够达到实际应用的要求。 6.系统仿真和对比了缓冲层阵列传感器和背衬层阵列传感器的特性。总体来说,背衬层阵列传感器的分辨率更高。然而,它对阵元中心间距的限制很苛刻,须小于0.5倍波长才能抑制栅瓣的产生。即便采用目前最先进的工艺技术也无法成功制备出满足这种要求的背衬层阵列。而缓冲层阵列传感器对阵元中心间距的要求则要低得多,这就使得阵列传感器的制备成为了可能。 二、结合微机电系统(MEMS)技术成功研制了基于铌酸锂单晶和氧化锌薄膜二种材料的高频超声相控阵传感器 1.研究和制备了基于铌酸锂单晶材料的230兆赫兹的有刻蚀缝隙的阵列换能器。对Y切向36。的铌酸锂单晶压电材料的刻蚀是研制高频超声相控阵传感器的关键技术,本文比较了电感耦合等离子体反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀和激光刻蚀等刻蚀铌酸锂单晶的技术,并总结和对比了这些技术在该单晶材料上刻蚀深宽比的极限,以确定是否可以用于制备高频阵列。最终,采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术制备了工作于100兆至200兆赫兹的单晶铌酸锂阵列。该阵列阵元中心间距为42微米,阵元厚度为16微米。我们采用网络分析仪测试了该阵列的电阻抗和串扰。测试结果显示,在谐振频率230兆赫兹处,各阵元的电阻抗模约为1000欧姆,最近邻阵元的串扰为-46 dB。这些测试结果都和有限元理论计算值相一致。根据刻蚀结果可推理得到,对一个工作于200兆赫兹的半刻蚀缝隙的铌酸锂单晶阵列,采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术有望达到的阵元中心间距最小为10微米。 2.研究了采用化学湿刻技术刻蚀氧化锌薄膜来制备高频超声相控阵传感器的方法。采用射频(RF)磁控溅射的方法制备出沿c轴晶向生长的多晶氧化锌薄膜。化学湿法刻蚀的结果显示不同种类的腐蚀液以及不同浓度的腐蚀液对腐蚀结果影响很大。首先试验了用质量百分比为0.5%的盐酸湿法刻蚀氧化锌薄膜。但通过扫描电子显微镜得到的剖面图显示,此溶液刻蚀氧化锌薄膜呈现各向同性,产生严重的横向钻蚀,从而使得此方法无法加工出期望的氧化锌阵列。然后试验了质量百分比为10%的氯化铵水溶液来湿法刻蚀氧化锌薄膜。结果显示,在室温(20℃)下,该溶液刻蚀氧化锌薄膜呈现各项异性,纵向刻蚀速率约为60纳米/分钟。刻蚀时间必须精确控制,以免刻蚀不充分或者过刻蚀引起更多的横向钻蚀。研究发现,利用该技术制备工作于300兆赫兹的阵列的阵元中心间距最小可达一倍波长。试验中,我们成功制备了阵元中心间距为13微米的氧化锌薄膜阵列,横纵刻蚀比仅为0.25。本文首次研究和讨论了采用质量百分比为10%的氯化铵水溶液来刻蚀氧化锌薄膜的横向钻蚀问题。此外,我们利用有限元方法计算了阵列传感器的电阻抗、串扰和聚焦/偏转声场性能等。利用网络分析仪测试的传感器特性参数和有限元理论计算结果进行了对比,两者基本一致。在谐振频率300兆赫兹处,电阻抗的实部约为200欧姆,最近邻阵元的串扰约为-47 dB。 3.研究和制备了基于新概念加工技术的高频且完全隔离的氧化锌薄膜阵列。由于湿法刻蚀氧化锌薄膜工艺中存在着明显的横向钻蚀问题且刻蚀速率较慢,我们另外提出了一种全新的加工步骤。该方法采取先刻蚀硅衬底再淀积氧化锌的步骤,这样就避免了直接刻蚀氧化锌薄膜。刻蚀硅衬底技术已经非常成熟,不但刻蚀尺寸能有效控制而且刻蚀速率较快,可达4微米/分钟。该方法无需金属掩膜、步骤简单、加工效率高。基于这种新加工工艺可制备得到一种新型的阵列传感器结构。利用有限元方法仿真得到的声场结果显示,该新结构的传感器具有良好的性能。本文成功加工了工作于300兆赫兹的、氧化锌薄膜厚度为8微米的三明治阵列,阵元中心间距为13微米。利用网络分析仪得到的测试结果与有限元仿真得到的理论预测值进行了对比,结果显示电阻抗和串扰这两个参数的实测值和仿真值都基本一致。 4.基于新概念加工技术的氧化锌薄膜阵列,研究和探索了减小氧化锌薄膜横向生长的解决途径。由于在硅衬底上氧化锌薄膜在纵向生长的同时还会横向生长,这种方法将会达到的最小阵元间距为两倍的波长,这就使要获得更小的阵元间距受到限制。为此,本文系统探讨了氧化锌薄膜的横向生长,并研究了减小该横向生长的镀膜工艺。我们提出了将溅射淀积12小时氧化锌薄膜的工艺分为4步完成,每一步只溅射淀积3个小时,且每进行一步,就将待溅射样片旋转90°放置。结果显示,氧化锌的横向生长可减少21%。 最后,本文提出了未来研究工作的方向,主要内容包括:消除氧化锌横向生长以达到更小的阵元中心间距;减小阵列传感器阵元的电阻抗以实现电学匹配。由于阵元的等效电阻抗很大,使用传统的微同轴电缆匹配方法已经无法满足宽带电学匹配的要求,比较有发展潜力的匹配方法是将微阵列与集成电路直接集成到一起。此外,未来的研究工作还需考虑电互联以测试和表征尺寸很小的阵列。制备声学匹配层和测试传感器的脉冲-回波信号也需要进一步研究。


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