微电容超声传感器的设计与测试

穆林枫，张文栋，何常德，张 睿，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)



微电容超声传感器的设计与测试

穆林枫1,2，张文栋1,2，何常德1,2，张 睿1，宋金龙1，薛晨阳1,2

(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)

针对现有微电容超声传感器(CMUT)寄生电容大的问题，采用绝缘技术将振动薄膜与上电极金属完全隔离的方法，避免了掺杂效应的发生，从而减小了寄生电容。文中以电容变化率为主线，分别对微传感器和跨阻检测电路的电容变化率进行了计算和仿真，建立了传感器与电路检测的通道，并通过水下测试系统的搭建，对其进行实验验证。测试结果表明，实际输出电压的值为0.8 V，与理论计算值0.61 V相近，从而验证了CMUT的可用性及其测试系统的可行性。

微电容超声传感器；寄生电容；电容变化率；跨阻检测电路；系统测试

0 引言

近年来，超声成像系统逐渐在医学领域、海底探测、无损检测领域得到了广泛的应用[1-3]。其关键器件，比如压阻超声传感器的高频特性差、压电超声传感器的材料-空气不耦合现象，也因一些固有特性在使用中受到了限制[4]。而CMUT因其高频特性和独特的表面微加工技术得到了超声成像领域及高校科研人员的广泛关注[5]。与此同时，由CMUT产生的微弱电流信号的检测也成为系统研究的一大难点。

本文针对CMUT的接收模式对中心频率为400 kHz的微传感器进行了设计，并通过添加绝缘层的方式来减小其寄生电容，改善器件性能。本文以电容变化率为主线，对微传感器和检测电路的电容变化率分别进行了仿真和计算，并与系统测试结果进行比较。

1 微传感器结构

微电容超声传感器是由多个传感器的敏感单元按照一定间距排列成一维或二维阵列组成的。单个CMUT单元主要由上电极、薄膜、空腔、绝缘层和衬底组成，如图1(a)所示。传统的CMUT将金属铝直接溅射到材料为硅的薄膜上形成上电极，这样会使三价元素铝对半导体硅进行掺杂，增加了硅中空穴的数量而使其导电性增强。当外界施加直流电压时，带点粒子就会做定向运动聚集在薄膜的一侧，当多个敏感单元并联时就会引入很大的寄生电容。针对这个问题，本文在上电极和薄膜之间添加了绝缘层，有效避免了掺杂现象的发生。所设计的CMUT器件如图1(b)所示。

(a)单元剖面图

(b)CMUT版图图1 微电容超声传感器

现有的微电容超声传感器多为收发一体结构，但是接收模式和发射模式的设计侧重点各有不同[6-7]。因为收发一体的微传感器的电容变化率明显小于收发分离的传感器[8]，所以本文针对其接收性能设计了中心频率为400 kHz的CMUT。表1为结合ANASY有限元仿真得到的传感器参数。

表1 电容式超声传感器的各项参数

根据上述结构参数设计加工的传感器实物如图2所示，图2(a)为在6寸硅片上加工完成的传感器裸片，通过与PCB的导线连接，将其在设计的铝壳中进行油封，封装完的传感器实物图如图2(b)所示。

(a)封装前

(b)封装后

2 理论分析

2.1 微传感器电容变化率

当外界一定频率的正弦超声信号对CMUT进行激励时，会引起传感器静态电容的改变，由Q=CU可得到传感器因电容变化而产生的电流。式(1)为单个敏感单元产生的电流：

(1)

由此可知，在CMUT中影响电流输出的不是电容变化量，而是电容变化率。电容变化率可表示为电容对时间的导数，因此单个敏感单元的电容变化率可表示为

(2)

式中：v为薄膜的振动速度；x为薄膜的位移；deff为施加直流偏置时的有效腔高；ε0为真空介电常数；S为平行板电容极的有效面积。

如图3所示为气压为1 atm(1 atm=101.325 kPa)时，施加50 V直流偏置时AB路径上的位移曲线，由图可知薄膜的最大位移为0.296 μm。根据薄膜平均位移和最大位移1/3的比例关系，可得到薄膜的平均位移为0.0987 μm，因此式(2)中deff的值即为0.7 μm。

(a)位移云图

(b)位移曲线图3 ANSYS静态仿真结果

在瞬态分析的时间历程后处理器中对振动薄膜半径中心点的位移和速度进行了提取，结合电容变化率的计算公式，采用MATLAB得到电容变化率随时间变化的曲线图4所示。

图4 电容变化率曲线

从图4可知，在5 kPa声压下，单个敏感单元电容变化率的最大值为1.359×10-11F/s。由式(1)可知，当外界施加50 V的直流偏置时，单个敏感单元产生的电流为0.68 nA，则由900个敏感单元组成的一个阵元产生的电流即为612 nA。

2.2 检测电路电容变化率

在上述结构设计中，由CMUT直接输出的电流很小，经常会被淹没在噪声中，所以需要对该微弱电流进行提取。如图5所示为跨阻放大法检测电路的原理图，其中Vin为直流偏置电压，C1为微电容超声传感器的等效模型，C2、C3分别为电路的等效杂散电容，它们的存在可以减小杂散电容对信号检测的干扰。Rf为反馈电阻，在电路中形成的深度负反馈将超声作用下的微弱电流信号转换为较强的电压信号输出，从而实现声电转换。补偿电容Cf的存在可以对电路信号中的自激振荡和拖尾现象起到良好的改善，从而得到较为规则的输出信号波形。

图5 跨阻放大法检测电路的原理图

如图5所示，当传感器产生一定频率的电流后，通过反馈回路的转换，信号就会以较强的电压信号输出，实现了传感器的声压转换。输出电压的计算公式如(3)所示：

(3)

设定反馈电阻的值为1 MΩ，则一个阵元输出的电压应为0.61 V。

3 测试

3.1 系统框图

如图6所示为CMUT与跨阻放大检测电路用于水下测试的系统框图。A为压电超声发射传感器，发射信号是频率为400 kHz的脉冲信号，B与C分别为CMUT超声接收传感器和压电超声接收传感器。

图6 系统框图

3.2 接收测试

按照图6所示的系统框图，对该水下测试系统进行搭建，测试实物图如图7所示。实验台由跨阻检测电路、示波器、供电电源及测试水箱组成。在水箱中，发射用压电超声传感器、接收用CMUT和接收用压电超声传感器并列放置在水箱的同一侧，障碍物则放在水箱的另一侧。发射信号经障碍物反射后，由微传感器B和C进行接收，并显示在示波器上。

图7 水下测试系统实物图

示波器界面显示如图8所示：通道1为压电传感器发射的超声波，其中包括15个等间距的脉冲信号，通道2和3分别为压电超声传感器和CMUT的接收信号。通过比较可知，CMUT对障碍物的反射信号有较强的接收能力，且一次回波的信号峰峰值为0.8 V，与理论计算的0.61 V有一定的偏差。这是由于在实际测量中，还要考虑到水压、测试间距、发射超声波功率及接收超声波功率等一系列因素对输出电压的影响。

4 结论

首先，本文针对现有CMUT寄生电容大的问题，在结构设计上进行了改善。其次，以电容变化率为主线，通过对跨阻放大检测电路的设计和理论计算，建立起检测电路和微电容超声传感器之间的联系。最后，对水下测试系统进行了搭建，测试结果验证了微传感器和检测电路理论设计正确性和测试系统的可行性。

图8 测试结果分析

[1] 余薇.医学超声成像技术方法学进展.北京生物医学工程，2001(4):225-229.

[2]DITCHBURNRJ,BURKEBK,SCALACM.Acousticandultrasonicmeasurementofmetals.NDT&E，1994，27(2):120-125.

[3] 庞勇，韩炎.超声成像方法综述.华北工学院测试技术学报，2001(4):280-284.

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

[5] 廉德钦.电容式超声传感器信号提取电路设计：[学位论文].太原：中北大学，2013.

[6]HUANGYL,HUANGXF.CapacitiveMicro-machinedUltrasonicTransducers(CMUTs)withisolationposts.StanfordUniversity，2008，48 (1)：74-81.

[7] 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.传感技术学报，2012，25(12):1653-1658.

[8] 李玉平，何常德，张娟婷，等.电容式MEMS超声传感器的设计与分析.传感器与微系统，2014(11):73-75.

Design and Test of Capacitance Micro-machined Ultrasonic Transducer

MU Lin-feng1,2,ZHANG Wen-dong1,2,HE Chang-de1,2,ZHANG Rui1,SONG Jin-long1,XUE Chen-yang1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Due to the problem of higher parasitic of Capacitance Micro-machined Ultrasonic Transducer (CMUT),isolation technology was adopted to apart the vibrating membrane from top electrode,which avoided the effect of doping.The capacitance change rate was the main line of the paper,the calculation and simulation of micro transducer and detection circuit were presented,which built the road between micro transducer and detection circuit.Test system underwater was also conducted.The test results show that the actual output voltage is 0.8 V,and the theory value is 0.61 V,which demonstrates the applicability of CMUT and the feasibility of test system.

CMUT;parasitic capacitance;capacitance change rate;transimpedance detection circuit;system test

国家自然科学基金项目(61127008)

2015-04-17

TN552

A

1002-1841(2015)08-0001-03

穆林枫(1990—)，硕士，主要研究方向为水下超声成像、MEMS超声传感器信号提取电路的设计。E-mail：muxiaotengjy@163.com张文栋(1962—)，博士，教授，博士生导师，目前主要从事动态测试技术、微纳机电系统(MEMS与NEMS)及超声成像的研究。E-mail：wdzhang@sxedu.gov.cn