电容式MEMS超声传感器设计与分析*

李玉平， 何常德， 张娟婷， 张 慧， 宋金龙， 薛晨阳

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

基于微机电系统(MEMS)技术制备的器件具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等优点[1]，将MEMS引入电容超声传感探测与成像领域是现阶段超声传感领域的一个热点。利用MEMS技术制作的电容式超声传感器(CMUS)具有尺寸小、自身噪声低、工作温度范围宽、制作过程与CMOS工艺兼容、可实现电子集成等优势[2]，因此，在水下成像、医学成像、无损检测和流量计量等领域得到了广泛的应用[3]。

现有的MEMS电容式超声传感器多为收发一体结构[4,5]，但发射与接收传感器的侧重点各不相同，发射传感器是用来在介质中发射一定频率的超声波，它强调的是发射声压要大，因此，应选择较大的空腔高度；而接收传感器是用来检测微小信号的，强调的是高灵敏度，所以，应选择较小的空腔高度，二者相互制约[6]。此外，传统的电容式MEMS超声传感器往往存在寄生电容大的缺点，当寄生电容过大甚至超过器件电容时将影响传感器的灵敏度和测量精度[7]。针对以上问题，本文以器件灵敏度高，寄生电容小为出发点，设计了基于收发分离模式的接收传感器。

1 结构设计

电容式超声传感器是由多只相同传感器单元按一定间距排列成一维或二维的阵列组成的。单个电容式MEMS超声传感器单元结构剖面图如图1(a)所示，主要由电极、振动薄膜、真空腔、绝缘层和硅基底五部分构成。传统的电容式MEMS超声传感器将硅基底重掺杂后用作下电极，只对上电极图形化，当电容式MEMS超声传感器包含的单元个数较多时，单元电极与电极之间的金属联线及上下电极的引线都会引入很大的寄生电容。针对这个问题，本文分别对上下电极进行图形化，并采用上下电极引线互错，上电极互联部分与下电极互联部分交错的方式来减小导体之间的正对面积，进而减小寄生电容。所设计的电容式MEMS超声传感器阵列的整体结构图如图1(b)所示。

图1 电容式超声传感器

电容式超声传感器无论作为发射传感器还是接收传感器，中心频率都是设计时首要考虑的性能指标。对于一个周边固支的圆形薄膜，其在空气中的频率计算公式为[8]

(1)

其中,E，σ，ρ分别为膜的杨氏模量、泊松比和密度。当薄膜材料与固有频率确定时，结合式(1)可以确定tm和a的关系，然后根据工艺条件和转换效率的要求，并结合ANSYS有限元仿真进行修正得到薄膜的最终尺寸，如表1所示。

表1 电容式超声传感器的各项参数

2 性能分析

根据设计模型，本文微传感器的振动腔体为真空，需要考虑在环境压强，即大气压下(1.01×105Pa)振动薄膜受压的变形情况。对于给定几何参数的圆形薄膜，由均匀分布载荷p0引起的薄膜位移公式为[9]

(2)

其中，r为薄膜上任意一点到中心的距离，D为材料的弯曲刚度。根据理论模型用Matlab作出位移曲线并与ANSYS仿真结果对比，如图2所示。

图2 环境压强下薄膜的位移曲线

由上图可知，在环境压强下薄膜的中心最大位移的理论值1.85 μm，仿真值为1.795 μm，二者的偏差仅为2.97 %，理论值与仿真值相符，验证了理论模型的可靠性。

对于工作在空气中的接收传感器，当声信号未到达振动薄膜时，薄膜的形变量由环境压强和直流电压共同决定。通过ANSYS力电耦合仿真分析电容式超声传感器在环境压强下施加不同的直流电压时薄膜的形变情况，并计算其电容变化灵敏度，结果如表2所示。

表2 不同直流电压下振动薄膜的位移和灵敏度

由于环境压强对于薄膜的影响远大于所施加的直流电压的影响，因此,当直流电压为0～271 V时，薄膜的位移没有发生变化。此后随着直流电压增大，薄膜形变量增大；当电压增大到587 V，薄膜最大形变量为5.8 μm，且随着电压增大，薄膜位移不再增加，说明薄膜已经塌陷到空腔底部，此时对应的电压为塌陷电压。ANSYS仿真得到的薄膜塌陷时的位移云图与路径图如图3(a),(b)所示。

图3 薄膜塌陷时的ANSYS仿真结果

为了获得高的机电转换比，在保证薄膜不塌陷的情况下器件的直流电压应尽可能接近塌陷电压。这里需要指出一个特殊的临界电压值—586 V，此时薄膜受到的静电力和自身的回复力已经趋于平衡，只要外界施加很小的作用力，薄膜就会发生塌陷，而对应的电容变化量也会有一个突变，灵敏度可达到174.2 fF/Pa。因此,选该电压作为电容式MEMS超声传感器的最佳工作电压。

由于上电极位于振动薄膜上方，下电极在衬底表面，两电极之间夹有绝缘层与振动薄膜，相对于空腔来说，高度不容忽略。因此，直流偏置下传感器的等效静态电容计算公式为

(3)

式中εm,εg,εi分别为薄膜材料的介电常数、空腔中介质的介电常数和绝缘层材料的介电常数，A为上下电极正对面积。当有超声波信号入射到振动薄膜，由于声压的改变引起振动薄膜产生形变，进而带动电极间距改变，产生变化电容。由Matlab作出声压与电容变化量的关系，并与同频率收发一体的电容式MEMS超声传感器进行对比，结果如图4所示。

图4 声压—电容变化关系曲线

由计算结果可以看出:电容变化量随着声压的增大而增大，但收发分离的传感器电容变化率远大于收发一体的传感器。从0 Pa～200 kPa收发分离模式的电容式MEMS超声传感器电容变化量增加了将近6倍，测量精度相对于接收一体的传感器有很大改善。

3 结 论

本文设计了一种基于收发分离模式的电容式超声传感器，通过理论分析和ANSYS仿真确定了该传感器的结构尺寸、工作频率、塌陷电压及最佳工作电压等参数。此外，为了使传感器的性能达到最优，针对性地设计了仅用于接收的电容式MEMS超声传感器，与传统的收发一体的电容式MEMS超声传感器相比，电容变化量和接收灵敏度明显提高，可以满足实际应用需求。

参考文献:

[1] Ladabaum Igal,Jin Xuecheng,Soh Hyongsok T.Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers [J].IEEE Transaction on Ultrasonic,1998,45:678-690.

[2] Eccardt Peterchristian,Niederer K,Scheurer T.Surface micromachined ultrasound transducers in CMOS technology [C]∥Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium,1996:959-962.

[3] 张 慧,宋光德,栗大超,等.一种微加工超声传感器的设计[J].天津大学学报,2008,41(1):17-20.

[4] Huang Yongli,Huang Xuefeng.Capacitive micromachined ultrasonic transducers(CMUTs) with isolation posts[J].Ultrasonics,2008,48(1):74-81.

[5] 苗 静,何常德,廉德钦,等.基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容式超声传感器设计[J].传感技术学报,2012,25(12):1653-1658.

[6] 陆斌武.cMUT的设计与仿真[D].长春:吉林大学,2007.

[7] Yamaner F Yalcin.Finite element and eauivalent circuit modeling of capacitive micromachined ultrasonic transducer[D].Istanbul:Sabanci University,2006.

[8] Zhuang Xuefeng.Micromachined ultrasonic transducers(CMUTs) with through-wafer interconnects[D].Stanford:Stanford University,2008.

[9] Ira Oaktreewygant.Three-dimensional ultrasonic imaging using custom electronics combined with capacitive micromachined ultrasonic transducers[D].Stanford:Stanford University,2008.