电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２ｌ卷第６期　传感技术学报　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　ＶＯ１．２１　Ｎｏ．６　２００８年６月　Ｊｕｎ．２００８　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｈｕｉ，ＳＯＮＧＯｕａｎｇ—ｄｅ　ＧＵＡＮ　Ｚｈｉ－ｊｉａｎ，３　ｌＮ　Ｓｈｉ－ｊｉｕ　（Ｓｔａｔｅ　ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２’Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ｃＭＵＴ）ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕＳ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃＭＵＴ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｒａｄｉｕｓ，ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇａｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｄｅｄｕｃｅｄ　ｆｒｏｍ　Ｍａｓｏｎ’Ｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａ　３Ｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄａ１，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｗｏ　ｍｃ！ｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｆａｂｒｉｃａｔｅ　ｏｆ　ｃＭＵＴ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍｏｒｅ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ｃＭＵＴ）；ｃｏｌｌａｐｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＥＥＡＣＣ：２５７５；７８２０　电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析＊　张　慧，宋光德，官志坚，靳世久　（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２）　摘　要：介绍了电容式微加工超声传感器（ｃＭＵＴ）的工作原理，通过理论计算和有限元仿真分析，讨论了ｃＭＵＴ中薄膜厚　度、薄膜半径、薄膜残余应力和空腔厚度的变化对传感器的塌陷电压和谐振频率的影响，为传感器的设计和制作提供了依据。　关键词：电容式微加工超声传感器（ｃＭＵＴ）；塌陷电压；谐振频率　中图分类号：ＴＰ２１２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１ＯＯ４－１６９９（２ＯＯ８）Ｏ６－Ｏ９５１－Ｏ３　电容式微加工超声传感器（ｃＭＵＴ）具有频带　宽且灵敏度高，声阻抗易与环境匹配等特点，可用于　精密工业测量、生物医学成像、缺陷检测等领域，大　有取代传统的压电式超声传感器之势。　ｃＭＵＴ可与电子元器件集成于同一硅片上，降　低电路的寄生电容及噪声，易于形成高密度的阵列。　但是其制作周期长又成本昂贵，所以在设计传感器　间即两电极之间施加直流电压时，静电力将薄膜拉　向基体，然后在两极间施加交流电压，薄膜就会发生　振动并产生超声波；相反，两极间施加适当的直流偏　置电压后，薄膜在超声波作用下发生振动，两电极板　间的电容发生变化，通过检测这种变化实现超声波　的接收。　时要尽量对影响其性能的一些参数进行合理优化，　以提高传感器的设计与制作的效率和正确性。本文　讨论了ｃＭＵＴ中薄膜厚度、薄膜半径、薄膜残余应　力和空腔厚度的变化对传感器的塌陷电压和谐振频　率的影响，为传感器的设计和制作提供了依据。　图１　ｃＭＵＴ结构图　１．１振动薄膜的机械阻抗［２］　１　ｃＭＵＴ的工作原理和理论分析　典型的一个电容式微加工超声传感器（ｃＭＵＴ）　单元的结构如图１所示，它是由薄膜、支撑梁柱、重　根据Ｍａｓｏｎ模型和能量守恒原理［１］，图１中圆形　薄膜，其杨式模量为ｙ，泊松比为　，薄膜的预应力为　拉应力丁（采用ＬＰＣＶＤ或ＰＥ．ＣＶＤ工艺沉积振动膜后　掺杂硅底座和金属电极组成。当在薄膜和硅基体之　存在残留应力），薄膜密度为ｐ，半径为“，厚度为Ｌ　（单位均为ＭＫＳ标准单位），得到薄膜机械阻抗：　基金项目：国家自然科学基金重点项目资助（６０５３４０５０）　收稿日期：２００８一Ｏ１—０９　修改日期：２００８－０１—２６　维普资讯 http://www.cqvip.com ９５２　Ｚｍ—ｊ　传感技术学报　２００８盘　（１）　合到底座上。此时的电压即传感器的塌陷电压。另　外在进行静态分析的基础上，对模型施加交流电压，　可对此有限元模型进行谐波分析，计算出该ｃＭＵＴ　式中，Ｗ为角频率，Ｊ　（）和Ｊｚ（）表示第一类零阶和　的谐振频率。　／ｇｌ一，＼／———　—一　——　（３）　ｋ　一Ｊ　Ｊｆｆｄ２＋４９　ｃ＋ｄ￣　ｗ２（ｙ＋丁）０Ｌ　一　㈤　ｄ一—　由式（１）可知，传感器的谐振频率与薄膜厚度、半径　一　（５）　Ｉｌａ　一　Ｋ　／１２８（Ｙ￣Ｔ　）Ｌ　３Ｌ３　￣２７　ｅ。（卜）口４（６）高传感器的转换率。ｃＭＵＴ的塌陷电压与薄膜厚　度，间隙厚度，薄膜半径有关，当施加在传感器上的　直流电压在小于塌陷电压时，直流电压值越大，机电　２　ｃＭＵＴ的有限元模型［　］　三维模型。在模型中传感器被简化为振动薄膜，空　腔和金属电极三部分。顶端金属电极采用ｓｏｌｉｄ９５　单元模拟，振动膜由ｓｏｌｉｄ４５单元模拟，空腔由静电　结构单元ｔｒａｎｓ１　２６来模拟。选用ｓｏｌｉｄ４５单元模拟　振动膜是为了能通过此单元的热属性来引入残余应　力。当膜单元的温度发生改变时振动膜所受应力也　将改变，通过合理的限制振动薄膜的边界条件可引　进行静态分析，改变直流电压直到薄膜发生塌陷，吸　３　ｃＭＵＴ结构参数对其性能的影响　分别用前两个小节的理论分析公式和建立的有　限元模型对一个ｃＭＵＴ单元的机械阻抗，谐振频率　和塌陷电压进行计算和仿真分析，得到ｃＭＵＴ的结　构参数变化对传感器性能的影响。结构参数包括薄　膜厚度，薄膜半径，间隙厚度，和薄膜内的残余应力　等等。ｃＭＵＴ模型中各部分的标准尺寸为：金属电　极厚０．２　ｍ，间隙厚度１　ｍ，薄膜和金属电极半径　均为５０　ｍ，薄膜厚度１　ｍ。薄膜材料氮化硅的杨　氏模量为３２０ＧＰａ，泊松比０．２６３，密度为３２７０ｋｇ／ｍ。。　金属电极铝的杨氏模量为６７．６　ＧＰａ，泊松比０．３５６，　密度为２　７００　ｋｇ／ｍ。。真空的介电常数是８．８５４×　１０一　Ｆ／Ｍ。　３．１　薄膜厚度变化对塌陷电压和谐振频率的影响　从图２可看出，当薄膜厚度为０．５　ｍ～２．５　ｍ　时，ＡＮＳＹＳ分析结果是ｃＭＵＴ的谐振频率从１．４８　ＭＨｚ增大至４．８６　ＭＨｚ。传感器的谐振频率随着　薄膜厚度的增加而增大。从图３可以看出，传感器　的塌陷电压随着薄膜厚度的增加而增大。当薄膜厚　度为０．５　ｍ～２．５　ｍ时，ｃＭＵＴ的塌陷电压从９７　Ｖ增至５０２　Ｖ。因此，在一定的频率范围内，要想提　高传感器的共振频率可以增大薄膜厚度。但是增大　薄膜厚度时塌陷电压也随之增大，同时会降低传感　器的转换效率，所以设计薄膜厚度时要综合考虑上　述因素。　图２薄膜厚度与　图３薄膜厚度与　谐振频率的关系　塌陷电压的关系　３．２薄膜半径变化对塌陷电压和谐振频率的影响　由图４和图５可知，ｃＭＵＴ的薄膜半径增大，　其谐振频率和塌陷电压都随之减小。在一定的频率　范围内，要想提高传感器的共振频率可以减少薄膜　半径，但是减小薄膜半径会降低传感器的转换率，而　且如果薄膜半径太小在牺牲层刻蚀时由于开孔过大　会影响薄膜的性能。因此考虑到各方面的要求，薄　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　张　慧，宋光德等：电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析　９５３　膜半径应根据所需要的谐振频率在工艺允许的范围　内进行调整。　图４薄膜半径与　图５薄膜半径与　谐振频率的关系　塌陷电压的关系　３．３　间隙厚度变化对塌陷电压和谐振频率的影响　由图６可知增大传感器空腔间隙则塌陷电压会　随之增大。通过理论公式计算和ＡＮＳＹＳ仿真分析　可知传感器的谐振频率不随间隙厚度的改变而变　化，但是增大空腔厚度会降低传感器的转换率。　图６　间隙厚度与塌陷电压的关系　通常作为发射器和接收器时空腔间隙的设计　要分别考虑。发射器是用来在介质中发射一定频率　的超声波，所需要的薄膜位移比较大，因此空腔间隙　厚度应比较大；而接收器是用来检测穿过待测样品　后的微小超声信号，空腔间隙厚度应较小，可以提高　传感器的灵敏度。　３．４薄膜残余应力对塌陷电压和谐振频率的影响　由图７可知随着传感器振动膜内残余应力的增　加其谐振频率会增大。设计时要充分考虑传感器制　作时因加工工艺的影响而产生的薄膜残余应力对谐　振频率的影响。图８是薄膜残余应力与塌陷电压的　关系，ＡＮＳＹＳ仿真结果显示残余应力变大，塌陷电压　也会增大；由于塌陷电压的理论计算采用的是近似公　啦　山／ＭＰａ　栈　一ＭＰ　图７薄膜残余应力与　图８薄膜残余应力与　谐振频率的关系　塌陷电压的关系　式，所以计算的结果与ＡＮＳＹＳ的分析结果有差异。　４　结论　由上一节的分析结果可以看出，有限元仿真分　析结果和理论公式计算结果基本相似，曲线的变化　趋势基本是一致的。可知建立的ｃＭＵＴ有限元简　化模型是正确的。ｃＭＵＴ的理论公式中没有考虑　电极的大小，位置和质量的影响，而有限元模型中则　包括了电极部分，这也是导致两种分析结果存在差　异的原因之一。　本文介绍了ｃＭＵＴ的工作原理，通过理论计算　和有限元仿真分析，讨论了ｃＭＵＴ中薄膜厚度、薄　膜半径、薄膜残余应力和空腔厚度的变化对传感器　的塌陷电压和谐振频率的影响，提高了传感器设计　和制作的效率与可靠性。　参考文献：　Ｅｌｉ　Ｍａｓｏｎ　Ｗ　Ｐ，Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａ１　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ａｎｄ　Ｗａｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒｓ　ｒＭ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，ＮＹ：Ｖａｎ　Ｎｏｓｔｒａｎｄ，１９４２．　［２２　ＬＭａｂａｕｒｎ　Ｉ，Ｊｉｎ　ｘ　Ｃ．Ｓｏｈ　Ｈ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ＭｉＣｒｏＨ｝ａｃ］￣Ｊｎｅｄ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　１３１ｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ＥＪ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒ８ｎｓ　ｏｎ　１３１ｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒ（ｘ￣一　１ｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９８，４５（３）：６７８—６９０．　ｒ３］　Ｏｌｃｕｍ　Ｓｅｌｉｍ，Ｓｅｎｌｉｋ　Ｍｕｈａｍｍｅｄ　Ｎ，Ａｔａｌａｒ　ＡｂｄＩＪｌ１ａｈ　Ｏｐｔｉｍｉｚａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇａｉｎ－Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　Ｃａｐａｄｔｉｖｅ　ＭｉｃｒｏｌＩｌａｃｈｉｎｅｄ　１３１ｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ厂Ｊ＿．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　１３１ｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅ一　１ｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｑｅｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏ１，２００５，５２（１２）：２２１１—２２１９．　［４２　Ｅｒｇｕｎ　Ａ　Ｓ，Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ　Ｇ　Ｇ。Ｋｈｕｒｉ－Ｙａｋｕｂ　Ｂ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｍｉ—　ｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ：Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，１６（２）：７６—８４．　Ｉｓ］　Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ　Ｇ　Ｇ．Ｅｒｇｕｎ　Ａ　Ｓ，Ｋｈｕｒｉ—Ｙａｋｕｂ　Ｂ　Ｆｉｎｉｔｅ－Ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｕｈｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓ—　ｄｕｃｅｒｌ　Ｊ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｕｈｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏ１，２００５，５２（１２）：２１８５—２１９８．　［６２　Ｋｉｒｃｈｍａｙｅｒ　Ｂｒａｄｌｅｙ　Ｊ，Ｍｏｕｓｓａ　ｗａ１ｉｅｄ　Ａ，Ｄａｖｉｄ　Ｃｈｅｃｋｅｌ＾，Ｌ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ａ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｕｈｒａ—　ｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｒ　Ｃ］／／Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ＭＥＭＳ。ＮＡＮ０　ａｎｄ　Ｓｍａｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．２００３．　张慧（１９７５一），女，讲师，在职博士，研　究方向为超声无损检测技术、超声　ＭＥＭＳ传感器，ｈｚｈａｎｇ＠ｔｊｕ．ｅｄｔｕ　ｃｎ　靳世久，男，天津大学精密仪器与光电　子工程学院教授，博士生导师，天津大　学精密测试技术与仪器国家重点实验　室资深学术委员。天津市计量测试学　会副理事长。长期从事自动测控技术　与系统的研究工作。曾获国家科技进　步二等奖，国家教育部科技进步一等奖　和中国仪器仪表学会科学技术奖。　一