苗 靜，何常德，廉德欽，張 慧，于佳琪，宛克敬，薛晨陽(yáng)* ，張文棟

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

作為聲電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，超聲傳感器在水下超聲成像、海底資源開(kāi)采、沉船捕撈，艦艇安全等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求。

目前常見(jiàn)超聲傳感器有壓電式、壓阻式、電容式3類(lèi)［1－3］。其中，電容式超聲傳感器因能夠有效克服壓電式探頭因阻抗失配，壓阻式因受電阻溫漂影響大［4］，而導(dǎo)致傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換效率低下，靈敏度提升困難的缺點(diǎn)，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

但現(xiàn)有電容超聲傳感器存在以下弊端:①當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)電容超聲傳感器的研究多集中于MHz及以上頻段［5－8］，不能滿足遠(yuǎn)距離水下成像應(yīng)用需求；②既有電容超聲傳感器多采用表面犧牲工藝制備，造成薄膜釋放困難、器件成品率不穩(wěn)定［9－10］；③振膜厚度均勻可控性不高［11］、振膜的表面粗糙度大，直接影響振膜各處的變形均勻性，致使振膜歸一化位移(即振膜各處的平均位移與最大位移的比值，用來(lái)反映振膜變形的均勻性。越接近于1，表明結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波的聲電轉(zhuǎn)換能力越好)變小，傳感器對(duì)超聲波的收發(fā)能力下降；④由于振膜多為氮化硅是絕緣材料，表面不可避免的需要分立金屬電極的沉積，導(dǎo)致傳感振膜的頻率增高、出現(xiàn)偏差，不利于所需次兆赫茲傳感器的實(shí)現(xiàn)。此外，制備工藝的限制和結(jié)構(gòu)上表面分立電極的沉積，限制了傳感器靈敏度的提高。

本文利用硅晶圓鍵合工藝制備超聲傳感器靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，提出一種無(wú)需上層分立金屬電極、振動(dòng)腔及下電極溝槽互聯(lián)巧妙、具有一體化全振薄膜的電容超聲傳感結(jié)構(gòu)。

1 微傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以器件結(jié)構(gòu)易于加工，工作頻率滿足要求，薄膜振幅利用率高以及傳感結(jié)構(gòu)靈敏度高為出發(fā)點(diǎn)，提出的一體化振膜結(jié)構(gòu)及各部組成如圖1所示。該結(jié)構(gòu)總體包括:下襯底上4×25共100個(gè)的子振動(dòng)腔，腔體側(cè)壁的互聯(lián)溝槽，區(qū)域化下電極及互聯(lián)引線，緊貼下電極上表面的氧化絕緣保護(hù)層及利用SOI頂層硅形成的一體化全振薄膜。

圖1 一體化全振膜式微電容超聲傳感結(jié)構(gòu)

具體實(shí)現(xiàn)方式為:利用ICP(感應(yīng)耦合等離子體)刻蝕在無(wú)摻雜高阻硅襯底上(電阻率12 000 Ω·cm)形成100個(gè)深度為0.32 μm的微結(jié)構(gòu)子振動(dòng)腔、與子振動(dòng)腔同步刻蝕形成的側(cè)壁互聯(lián)溝槽，深度也為0.32 μm；在腔底沉積厚度為1 000 ? 的金屬鋁形成區(qū)域化下電極及互聯(lián)引線；熱氧化一層厚度為100 nm二氧化硅層緊貼于下電極上表面，作為絕緣保護(hù)層，完成襯底硅的預(yù)處理。將預(yù)處理完成的硅襯底與SOI器件層鍵合，形成振動(dòng)腔體。最后對(duì)SOI膜片減薄、TMAH腐蝕、BOE蝕刻，去除無(wú)用的底層硅及氧化刻蝕停止層，露出作為一體化全振薄膜的頂層硅，引出上電極，完成器件的制備。

通過(guò)子振動(dòng)腔尺寸的設(shè)置，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)區(qū)域薄膜的尺寸，可控制微傳感結(jié)構(gòu)工作頻率在次兆赫茲范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)頻率的適用性需求；振動(dòng)腔底溝槽互聯(lián)及區(qū)域化電極有效地避免了結(jié)構(gòu)側(cè)壁支撐處的寄生電容；利用BOE蝕刻對(duì)SOI氧化停止層及頂層硅的良好選擇性，形成的一體化全振薄膜厚度均勻，彈性良好；振膜表面無(wú)需分立附加電極的沉積，器件頻率偏差小，整體靈敏度高。

1.2 工作原理

1.2.1 聲電轉(zhuǎn)換傳感原理

如圖2為MEMS電容式超聲傳感器陣元剖面結(jié)構(gòu)圖，一體化全振動(dòng)薄膜如圖標(biāo)識(shí)，其余部分可見(jiàn)圖注說(shuō)明。當(dāng)超聲波作用于在上下極板間提供適當(dāng)直流偏置的傳感器薄膜上時(shí)，薄膜因受超聲波振動(dòng)而撓曲發(fā)生變形，從而使薄膜與下襯底電極間空腔間距發(fā)生變化，引起傳感單元電容量的變化，實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的接收；類(lèi)似地，在直流偏置的基礎(chǔ)上額外施加頻率10倍于微傳感器工作頻率的交流電壓時(shí)，振膜因交流電驅(qū)動(dòng)而振動(dòng)，致使極板間距變化，產(chǎn)生可測(cè)超聲波，從而實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)的聲電轉(zhuǎn)換。

圖2 傳感單元聲電轉(zhuǎn)換原理

1.2.2 傳感器變化電容檢測(cè)原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)聲壓作用下傳感器交變電容的檢測(cè)，對(duì)本設(shè)計(jì)提出的微結(jié)構(gòu)采用交流電橋，具體為四臂阻抗比電橋進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。Z1是本文所設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)電容值為C的電容式超聲微敏感結(jié)構(gòu)，通過(guò)Z1進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換可感知聲壓的變化，其占用四臂阻抗比電橋的一支橋臂。為保證無(wú)聲壓時(shí)不敏感，交流電橋平衡可調(diào)，另外3支橋臂由容值已知且與微敏感結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)容值相同的固定電容占用。

圖3 四臂阻抗比電橋檢測(cè)

當(dāng)受到周期聲壓作用后，所設(shè)計(jì)的微敏感單產(chǎn)生變化電容量▽C，破壞電橋平衡，引起bd兩端的電壓輸出可表示為式(1)。所用交流源為10 V，5 MHz。

2 微傳感器的有限元模擬

根據(jù)以上對(duì)敏感單元聲電轉(zhuǎn)換的傳感及檢測(cè)原理分析，得到微敏感單元的聲電轉(zhuǎn)換特性和動(dòng)態(tài)電學(xué)特性。利用有限元分析軟件ANSYS12.0對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。根據(jù)頻率指標(biāo)，借助理論公式，初步設(shè)定結(jié)構(gòu)的尺寸；建立有限元模型，修正調(diào)整初設(shè)尺寸，利用電結(jié)構(gòu)耦合預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析選擇諧振頻率及振型合適的結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)所建立有限元模型的靜態(tài)分析，得到微結(jié)構(gòu)的靈敏度。

2.1 微結(jié)構(gòu)的頻率分析及振型選擇

工作頻率是設(shè)計(jì)一體化全振電容式超聲微傳感器時(shí)首先需要考慮的性能指標(biāo)，根據(jù)理論知識(shí)，微結(jié)構(gòu)的共振頻率為［12］:

其中，λx是自然頻率因子取值為35.08，A為方形振膜直徑，Tm為振膜厚度。ρ、σ、E分別為振膜的密度、泊松比與楊氏模量。為設(shè)計(jì)可加工并用于實(shí)際探測(cè)的傳感器陣列，本文設(shè)計(jì)了5種共振頻率為124 kHz、176 kHz、272 kHz、354 kHz、484 kHz的傳感器，對(duì)應(yīng)薄膜跨度從600 μm至300 μm，保證在共振時(shí)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)依次為 12.10 mm、8.51 mm、5.51 mm、4.24 mm、3.10 mm。通過(guò)理論預(yù)設(shè)，可初步確定滿足所需頻率指標(biāo)的傳感器尺寸范圍，再通過(guò)ANSYS有限元修正，確定最終尺寸可見(jiàn)表1。

如圖1所示，由于所設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)的100個(gè)子單元振膜相連，結(jié)構(gòu)循環(huán)對(duì)稱(chēng)，且各子單元間距為30μm，遠(yuǎn)小于共振時(shí)的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，則可假設(shè)各子單元間對(duì)超聲波同相位收發(fā)，用子單元有限元模型便可仿真整體微結(jié)構(gòu)。

硅的楊氏模量為169 GPa，密度2332 kg/m3，泊松比0.23；二氧化硅的楊氏模量為70 GPa，密度2220 kg/m3，泊松比0.17；按照如圖2所示微結(jié)構(gòu)組成及各部分所用材料建立有限元分析模型。振動(dòng)腔的有限元分析單元類(lèi)型選用Trans226，其余部分選用Solid95，使用自由網(wǎng)格劃分。得到484 kHz微結(jié)構(gòu)子單元的一階及六階振型如圖4所示。其余各頻率指標(biāo)的微結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果如表1所示。

分析模態(tài)結(jié)果可知，只有一階模態(tài)下，微結(jié)構(gòu)振膜呈現(xiàn)中心振幅最大，向邊緣擴(kuò)散方向振幅逐漸遞減的鼓式振型，滿足超聲波的收發(fā)；在前七階振型中，只有第六階振型與一階振型最相似，呈現(xiàn)中心部分現(xiàn)沿薄膜表面的法向上下振動(dòng)，但其邊緣處卻始終與中央部分振動(dòng)方向相反，不利于超聲波的收發(fā)。因而，確定微傳感器的一階頻率為最佳工作頻率，一階模式即為最優(yōu)工作振型。

圖4 484 kHz微結(jié)構(gòu)子單元的振動(dòng)模態(tài)圖

表1 本文5種頻率指標(biāo)的傳感器具體尺寸及各階模態(tài)結(jié)果

2.2 靜態(tài)分析與靈敏度計(jì)算

靈敏度是衡量超聲傳感器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，表示超聲傳感器的聲電轉(zhuǎn)換效率?？捎勺杂陕晥?chǎng)條件下，傳感器受1 Pa聲信號(hào)作用時(shí)的開(kāi)路輸出電壓衡量。根據(jù)1.2.1中對(duì)微傳感單元的敏感機(jī)理分析，對(duì)其進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到484k微結(jié)構(gòu)的位移分布云圖如圖5所示。仿真時(shí)施加子步數(shù)為1且與傳感器工作所需吻合的28 V直流偏置為預(yù)置電壓。

圖5 位移分布云圖

觀察微結(jié)構(gòu)的位移分布云圖可知，振膜中心位移呈藍(lán)色，相對(duì)位移較大；越接近側(cè)壁支撐處，紅色越深，相對(duì)位移越小。但從云圖無(wú)法知道每個(gè)有限元網(wǎng)格對(duì)應(yīng)面積下薄膜的位移，必須通過(guò)路徑定義來(lái)提取具體信息。圖6為貫穿振膜表面的X路徑下的位移映射分布曲線。

圖6 路徑位移曲線

由圖5可知，振膜撓曲變形時(shí)呈由內(nèi)向外同心圓式的同環(huán)形變量相同、沿半徑擴(kuò)張方向形變?cè)隽窟f減的方式進(jìn)行變化。按圖7所示靈敏度計(jì)算方法，把不規(guī)則變化的振動(dòng)薄膜沿半徑方向無(wú)限分割，每一有限元網(wǎng)格對(duì)應(yīng)面積電容變化量可近似等效為平板電容▽Cplate，見(jiàn)式(3)。結(jié)合MATLAB按式(4)積分，可以準(zhǔn)確計(jì)算出聲壓帶來(lái)的敏感單元非均勻形變時(shí)的電容改變，進(jìn)而求得微傳感器的輸出電壓靈敏度S及分貝數(shù)表示的聲學(xué)度靈敏度M。

其中 ε0為真空介電常數(shù)(8.854×10－12F/m)，εr是電極上層保護(hù)二氧化硅絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)(3.9)，dI是絕緣層厚度(100 nm)，Tg為振動(dòng)空腔原始高度(0.3 μm)，w是提取路徑得到的振膜變形，▽S是設(shè)定的薄膜有限元網(wǎng)格劃分面積。

對(duì)于頻率為484 kHz的5號(hào)結(jié)構(gòu)，無(wú)外界超聲聲壓信號(hào)作用時(shí)，傳感器的絕對(duì)電容值Co=244.59 pF。lPa聲壓作用下，傳感器微敏感結(jié)構(gòu)沿垂直于薄膜表面的敏感方向位移變化范圍是0.386×10－15m～0.225×10－10m，由式(1)、式(3) ～ 式(6)求得電容變化量為10.827 fF，輸出電壓靈敏度 S 為 110.66 μV/Pa，聲學(xué)靈敏度M為－79.1198 dB(0 dB=1 μV/Pa)。

2.3 頻率響應(yīng)特性分析

根據(jù)2.1節(jié)確定的微傳感器振型及模態(tài)頻率，對(duì)本文5種微結(jié)構(gòu)分別施加大小為1 Pa且包含其一階模態(tài)頻率的諧波載荷，可得到各微傳感器的諧位移及頻響特性。圖8即為484 kHz微結(jié)構(gòu)的頻響特性曲線，工作頻率484 kHz處諧振峰明顯，聲壓靈敏度可達(dá)－79.119 8 dB；其他頻段響應(yīng)平坦，因而可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖8 頻響特性曲線

3 相同頻率性能對(duì)比

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)所提出的基于硅晶圓鍵合工藝微電容式超聲傳感結(jié)構(gòu)的性能，特與同頻率指標(biāo)的傳統(tǒng)犧牲層工藝下的典型金屬－氮化堆棧振膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9和表2所示。其中A為本文結(jié)構(gòu)，B為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)具有相同的振動(dòng)腔間隙高度 0.3 μm 及振膜厚度 3 μm。

圖9 兩種結(jié)構(gòu)側(cè)剖界面

表2 兩種結(jié)構(gòu)的具體尺寸及性能對(duì)比

可見(jiàn)，對(duì)于5種頻率指標(biāo)的傳感器，A類(lèi)結(jié)構(gòu)的平均頻率偏差為0.0535%，小于B類(lèi)結(jié)構(gòu)的0.7299%；歸一化位移A類(lèi)結(jié)構(gòu)比B類(lèi)結(jié)構(gòu)平均提高0.0432%；每帕聲壓下電容的絕對(duì)變化量A類(lèi)可達(dá)650.62 fF，比B類(lèi)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，更利于后續(xù)信號(hào)的檢測(cè)；輸出電壓靈敏度A類(lèi)可達(dá)1.7 mV/Pa，是B類(lèi)傳感器的4倍；聲壓靈敏度A類(lèi)比B類(lèi)平均提高11.9249 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于硅晶圓鍵合工藝的電容式超聲傳感器，該傳感器特點(diǎn)在于具有一體化全振膜、無(wú)需表面分立電極，同時(shí)下電極互聯(lián)非常巧妙。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析及有限元模擬，給出了可在同一硅片上加工的傳感器具體尺寸，同時(shí)該傳感器頻率上很好的滿足了適用性需求的5種頻率指標(biāo)。與同頻率的傳統(tǒng)金屬－氮化硅堆棧結(jié)構(gòu)相比，本文提出的結(jié)構(gòu)頻率偏差更小、歸一化位移更高，靈敏度提高明顯。這對(duì)于制備基于硅晶圓鍵合工藝的高靈敏電容超聲傳感器打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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