基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容式超声传感器设计*

苗 静，何常德，廉德钦，张 慧，于佳琪，宛克敬，薛晨阳* ，张文栋

(1.中北大学电子测试国家重点实验室，太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

作为声电转换系统的关键元件，超声传感器在水下超声成像、海底资源开采、沉船捕捞，舰艇安全等领域有广泛的应用需求。

目前常见超声传感器有压电式、压阻式、电容式3类［1－3］。其中，电容式超声传感器因能够有效克服压电式探头因阻抗失配，压阻式因受电阻温漂影响大［4］，而导致传感器机电转换效率低下，灵敏度提升困难的缺点，成为近年来研究的热点。

但现有电容超声传感器存在以下弊端:①当今国内外对电容超声传感器的研究多集中于MHz及以上频段［5－8］，不能满足远距离水下成像应用需求；②既有电容超声传感器多采用表面牺牲工艺制备，造成薄膜释放困难、器件成品率不稳定［9－10］；③振膜厚度均匀可控性不高［11］、振膜的表面粗糙度大，直接影响振膜各处的变形均匀性，致使振膜归一化位移(即振膜各处的平均位移与最大位移的比值，用来反映振膜变形的均匀性。越接近于1，表明结构对超声波的声电转换能力越好)变小，传感器对超声波的收发能力下降；④由于振膜多为氮化硅是绝缘材料，表面不可避免的需要分立金属电极的沉积，导致传感振膜的频率增高、出现偏差，不利于所需次兆赫兹传感器的实现。此外，制备工艺的限制和结构上表面分立电极的沉积，限制了传感器灵敏度的提高。……