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。

本文利用硅晶圆键合工艺制备超声传感器灵敏度高的优点，提出一种无需上层分立金属电极、振动腔及下电极沟槽互联巧妙、具有一体化全振薄膜的电容超声传感结构。

1 微传感器结构设计与工作原理

1.1 结构设计

本设计以器件结构易于加工，工作频率满足要求，薄膜振幅利用率高以及传感结构灵敏度高为出发点，提出的一体化振膜结构及各部组成如图1所示。该结构总体包括:下衬底上4×25共100个的子振动腔，腔体侧壁的互联沟槽，区域化下电极及互联引线，紧贴下电极上表面的氧化绝缘保护层及利用SOI顶层硅形成的一体化全振薄膜。

图1 一体化全振膜式微电容超声传感结构

具体实现方式为:利用ICP(感应耦合等离子体)刻蚀在无掺杂高阻硅衬底上(电阻率12 000 Ω·cm)形成100个深度为0.32 μm的微结构子振动腔、与子振动腔同步刻蚀形成的侧壁互联沟槽，深度也为0.32 μm；在腔底沉积厚度为1 000 Å 的金属铝形成区域化下电极及互联引线；热氧化一层厚度为100 nm二氧化硅层紧贴于下电极上表面，作为绝缘保护层，完成衬底硅的预处理。将预处理完成的硅衬底与SOI器件层键合，形成振动腔体。最后对SOI膜片减薄、TMAH腐蚀、BOE蚀刻，去除无用的底层硅及氧化刻蚀停止层，露出作为一体化全振薄膜的顶层硅，引出上电极，完成器件的制备。

通过子振动腔尺寸的设置，调节对应区域薄膜的尺寸，可控制微传感结构工作频率在次兆赫兹范围内，实现结构频率的适用性需求；振动腔底沟槽互联及区域化电极有效地避免了结构侧壁支撑处的寄生电容；利用BOE蚀刻对SOI氧化停止层及顶层硅的良好选择性，形成的一体化全振薄膜厚度均匀，弹性良好；振膜表面无需分立附加电极的沉积，器件频率偏差小，整体灵敏度高。

1.2 工作原理

1.2.1 声电转换传感原理

如图2为MEMS电容式超声传感器阵元剖面结构图，一体化全振动薄膜如图标识，其余部分可见图注说明。当超声波作用于在上下极板间提供适当直流偏置的传感器薄膜上时，薄膜因受超声波振动而挠曲发生变形，从而使薄膜与下衬底电极间空腔间距发生变化，引起传感单元电容量的变化，实现了超声信号的接收；类似地，在直流偏置的基础上额外施加频率10倍于微传感器工作频率的交流电压时，振膜因交流电驱动而振动，致使极板间距变化，产生可测超声波，从而实现了微结构的声电转换。

图2 传感单元声电转换原理

1.2.2 传感器变化电容检测原理

为实现对声压作用下传感器交变电容的检测，对本设计提出的微结构采用交流电桥，具体为四臂阻抗比电桥进行检测，如图3所示。Z1是本文所设计的稳态电容值为C的电容式超声微敏感结构，通过Z1进行声电转换可感知声压的变化，其占用四臂阻抗比电桥的一支桥臂。为保证无声压时不敏感，交流电桥平衡可调，另外3支桥臂由容值已知且与微敏感结构稳态容值相同的固定电容占用。

图3 四臂阻抗比电桥检测

当受到周期声压作用后，所设计的微敏感单产生变化电容量▽C，破坏电桥平衡，引起bd两端的电压输出可表示为式(1)。所用交流源为10 V，5 MHz。

2 微传感器的有限元模拟

根据以上对敏感单元声电转换的传感及检测原理分析，得到微敏感单元的声电转换特性和动态电学特性。利用有限元分析软件ANSYS12.0对上述结构进行仿真。根据频率指标，借助理论公式，初步设定结构的尺寸；建立有限元模型，修正调整初设尺寸，利用电结构耦合预应力模态分析选择谐振频率及振型合适的结构；通过对所建立有限元模型的静态分析，得到微结构的灵敏度。

2.1 微结构的频率分析及振型选择

工作频率是设计一体化全振电容式超声微传感器时首先需要考虑的性能指标，根据理论知识，微结构的共振频率为［12］:

其中，λx是自然频率因子取值为35.08，A为方形振膜直径，Tm为振膜厚度。ρ、σ、E分别为振膜的密度、泊松比与杨氏模量。为设计可加工并用于实际探测的传感器阵列，本文设计了5种共振频率为124 kHz、176 kHz、272 kHz、354 kHz、484 kHz的传感器，对应薄膜跨度从600 μm至300 μm，保证在共振时对应波长依次为 12.10 mm、8.51 mm、5.51 mm、4.24 mm、3.10 mm。通过理论预设，可初步确定满足所需频率指标的传感器尺寸范围，再通过ANSYS有限元修正，确定最终尺寸可见表1。

如图1所示，由于所设计微结构的100个子单元振膜相连，结构循环对称，且各子单元间距为30μm，远小于共振时的对应波长，则可假设各子单元间对超声波同相位收发，用子单元有限元模型便可仿真整体微结构。

硅的杨氏模量为169 GPa，密度2332 kg/m3，泊松比0.23；二氧化硅的杨氏模量为70 GPa，密度2220 kg/m3，泊松比0.17；按照如图2所示微结构组成及各部分所用材料建立有限元分析模型。振动腔的有限元分析单元类型选用Trans226，其余部分选用Solid95，使用自由网格划分。得到484 kHz微结构子单元的一阶及六阶振型如图4所示。其余各频率指标的微结构模态结果如表1所示。

分析模态结果可知，只有一阶模态下，微结构振膜呈现中心振幅最大，向边缘扩散方向振幅逐渐递减的鼓式振型，满足超声波的收发；在前七阶振型中，只有第六阶振型与一阶振型最相似，呈现中心部分现沿薄膜表面的法向上下振动，但其边缘处却始终与中央部分振动方向相反，不利于超声波的收发。因而，确定微传感器的一阶频率为最佳工作频率，一阶模式即为最优工作振型。

图4 484 kHz微结构子单元的振动模态图

表1 本文5种频率指标的传感器具体尺寸及各阶模态结果

2.2 静态分析与灵敏度计算

灵敏度是衡量超声传感器性能的关键指标，表示超声传感器的声电转换效率。可由自由声场条件下，传感器受1 Pa声信号作用时的开路输出电压衡量。根据1.2.1中对微传感单元的敏感机理分析，对其进行有限元数值模拟，得到484k微结构的位移分布云图如图5所示。仿真时施加子步数为1且与传感器工作所需吻合的28 V直流偏置为预置电压。

图5 位移分布云图

观察微结构的位移分布云图可知，振膜中心位移呈蓝色，相对位移较大；越接近侧壁支撑处，红色越深，相对位移越小。但从云图无法知道每个有限元网格对应面积下薄膜的位移，必须通过路径定义来提取具体信息。图6为贯穿振膜表面的X路径下的位移映射分布曲线。

图6 路径位移曲线

由图5可知，振膜挠曲变形时呈由内向外同心圆式的同环形变量相同、沿半径扩张方向形变增量递减的方式进行变化。按图7所示灵敏度计算方法，把不规则变化的振动薄膜沿半径方向无限分割，每一有限元网格对应面积电容变化量可近似等效为平板电容▽Cplate，见式(3)。结合MATLAB按式(4)积分，可以准确计算出声压带来的敏感单元非均匀形变时的电容改变，进而求得微传感器的输出电压灵敏度S及分贝数表示的声学度灵敏度M。

其中 ε0为真空介电常数(8.854×10－12F/m)，εr是电极上层保护二氧化硅绝缘层的相对介电常数(3.9)，dI是绝缘层厚度(100 nm)，Tg为振动空腔原始高度(0.3 μm)，w是提取路径得到的振膜变形，▽S是设定的薄膜有限元网格划分面积。

对于频率为484 kHz的5号结构，无外界超声声压信号作用时，传感器的绝对电容值Co=244.59 pF。lPa声压作用下，传感器微敏感结构沿垂直于薄膜表面的敏感方向位移变化范围是0.386×10－15m～0.225×10－10m，由式(1)、式(3) ～ 式(6)求得电容变化量为10.827 fF，输出电压灵敏度 S 为 110.66 μV/Pa，声学灵敏度M为－79.1198 dB(0 dB=1 μV/Pa)。

2.3 频率响应特性分析

根据2.1节确定的微传感器振型及模态频率，对本文5种微结构分别施加大小为1 Pa且包含其一阶模态频率的谐波载荷，可得到各微传感器的谐位移及频响特性。图8即为484 kHz微结构的频响特性曲线，工作频率484 kHz处谐振峰明显，声压灵敏度可达－79.119 8 dB；其他频段响应平坦，因而可以满足实际应用需求。

图8 频响特性曲线

3 相同频率性能对比

为验证本设计所提出的基于硅晶圆键合工艺微电容式超声传感结构的性能，特与同频率指标的传统牺牲层工艺下的典型金属－氮化堆栈振膜结构进行对比，结果如图9和表2所示。其中A为本文结构，B为传统结构。两种结构具有相同的振动腔间隙高度 0.3 μm 及振膜厚度 3 μm。

图9 两种结构侧剖界面

表2 两种结构的具体尺寸及性能对比

可见，对于5种频率指标的传感器，A类结构的平均频率偏差为0.0535%，小于B类结构的0.7299%；归一化位移A类结构比B类结构平均提高0.0432%；每帕声压下电容的绝对变化量A类可达650.62 fF，比B类高出一个数量级，更利于后续信号的检测；输出电压灵敏度A类可达1.7 mV/Pa，是B类传感器的4倍；声压灵敏度A类比B类平均提高11.9249 dB。

4 结束语

本文设计了一种基于硅晶圆键合工艺的电容式超声传感器，该传感器特点在于具有一体化全振膜、无需表面分立电极，同时下电极互联非常巧妙。通过对所设计结构进行灵敏度分析及有限元模拟，给出了可在同一硅片上加工的传感器具体尺寸，同时该传感器频率上很好的满足了适用性需求的5种频率指标。与同频率的传统金属－氮化硅堆栈结构相比，本文提出的结构频率偏差更小、归一化位移更高，灵敏度提高明显。这对于制备基于硅晶圆键合工艺的高灵敏电容超声传感器打下了坚实基础。

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