一种微加工超声传感器的设计

    超声波传感器被广泛的运用于医学成像、无损检测、流量计量等领域.由于传统的压电传感器存在着压电材料与工作介质阻抗失配、探测距离短、工作温度范围小等诸多缺点,使其发展和应用受到了很大制约.电容式微加工超声传感器(capacitive microfabricated ultra-sonic transducer, cMUT)是近年来出现的新型器件,具有高灵敏度、频带宽和机电转换效率高等优点,大有取cMUT的超声发射源是一层很薄的薄膜,可实现与工作介质的声阻抗匹配,克服了压电传感器阻抗失配的缺陷;利用表面微加工技术制作的cMUT易于形成高密度的阵列,并与电子元器件集成于同一硅片[1-3].

    1 cMUT的基本结构和工作原理

    一个cMUT单元是由薄膜、支撑梁柱、重掺杂硅底座和金属电极组成的,其结构如图1所示.其中,lt是薄膜的厚度,la是空气缝隙的厚度,lb是绝缘层的厚度,r是薄膜的半径,一个传感器是由许多个相同的cMUT单元按一定间距排列成一维或二维阵列组成的.

    cMUT的电容量可表示为[1]

    式中:A为振动薄膜面积;Et是薄膜的介电常数;E0是空气的介电常数;Eb是隔绝层的介电常数.作用在电容极板上的作用力F(t)可写为[1]

    式中x为电容极板间距的变化量.若将电压V(t)以直流偏置VDC及小信号交流电压Vac两部分代入,并忽略微小平方项,则式(2)可简化为[1]

    式中la 0为在直流偏压空腔平衡位置的尺寸;等式右边的第1项为直流部分的电容作用力FDC与直流偏压VDC平方成正比,第2项f(t)为随Vac变化的作用力.

    当在薄膜和硅基体之间施加直流电压时,静电力将薄膜拉向基体,如果在两极间施加与其机械共振频率相同的交流电压,薄膜就会发生振动,产生超声波,此时cMUT可作为超声波发射器.相反,两极间施加适当的直流偏置电压后,薄膜会在外部超声波的作用下产生振动,两电极板形成的电容值就会随薄膜的振动而改变,从而产生可探测的电信号,此时cMUT用作超声波接收器.

    在两电极之间施加直流电压时产生的静电引力使薄膜拉向硅基座,同时薄膜内产生的结构应力抵消静电力而使薄膜处于平衡状态,当静电力大于结构应力时薄膜塌陷并被吸合到硅基座上.此时所施加的直流电压称为塌陷电压Vcollapse,发生塌陷前极板的最大位移为xcollapse.塌陷电压的大小影响到传感器的工作电压、机电转换效率、声压大小等[8].

    式中k是薄膜材料的弹性常数.

    2 结构设计

    所设计的cMUT单元结构:薄膜厚度为015Lm,形状为正六边形,边长为24Lm,薄膜材料选用氮化硅;空腔厚度为1Lm;采用厚度1Lm的多晶硅作为牺牲层,011Lm的氮化硅作为刻蚀停止层,并且对空腔进行真空密封;顶部电极为圆形铝质电极,半径为12Lm,厚度为011Lm,其面积约等于薄膜面积的一半[4];掺杂后的硅底座作为底部电极.本设计选用的是重掺杂P型<100>4d硅片,厚10Lm[2].