电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析
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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