微電容超聲傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

穆林楓，張文棟，何常德，張 睿，宋金龍，薛晨陽(yáng)

(1.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，山西太原 030051；2.中北大學(xué)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

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微電容超聲傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

穆林楓1,2，張文棟1,2，何常德1,2，張 睿1，宋金龍1，薛晨陽(yáng)1,2

(1.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，山西太原 030051；2.中北大學(xué)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

針對(duì)現(xiàn)有微電容超聲傳感器(CMUT)寄生電容大的問(wèn)題，采用絕緣技術(shù)將振動(dòng)薄膜與上電極金屬完全隔離的方法，避免了摻雜效應(yīng)的發(fā)生，從而減小了寄生電容。文中以電容變化率為主線，分別對(duì)微傳感器和跨阻檢測(cè)電路的電容變化率進(jìn)行了計(jì)算和仿真，建立了傳感器與電路檢測(cè)的通道，并通過(guò)水下測(cè)試系統(tǒng)的搭建，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)際輸出電壓的值為0.8 V，與理論計(jì)算值0.61 V相近，從而驗(yàn)證了CMUT的可用性及其測(cè)試系統(tǒng)的可行性。

微電容超聲傳感器；寄生電容；電容變化率；跨阻檢測(cè)電路；系統(tǒng)測(cè)試

0 引言

近年來(lái)，超聲成像系統(tǒng)逐漸在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、海底探測(cè)、無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。其關(guān)鍵器件，比如壓阻超聲傳感器的高頻特性差、壓電超聲傳感器的材料-空氣不耦合現(xiàn)象，也因一些固有特性在使用中受到了限制[4]。而CMUT因其高頻特性和獨(dú)特的表面微加工技術(shù)得到了超聲成像領(lǐng)域及高?？蒲腥藛T的廣泛關(guān)注[5]。與此同時(shí)，由CMUT產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)的檢測(cè)也成為系統(tǒng)研究的一大難點(diǎn)。

本文針對(duì)CMUT的接收模式對(duì)中心頻率為400 kHz的微傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)添加絕緣層的方式來(lái)減小其寄生電容，改善器件性能。本文以電容變化率為主線，對(duì)微傳感器和檢測(cè)電路的電容變化率分別進(jìn)行了仿真和計(jì)算，并與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

1 微傳感器結(jié)構(gòu)

微電容超聲傳感器是由多個(gè)傳感器的敏感單元按照一定間距排列成一維或二維陣列組成的。單個(gè)CMUT單元主要由上電極、薄膜、空腔、絕緣層和襯底組成，如圖1(a)所示。傳統(tǒng)的CMUT將金屬鋁直接濺射到材料為硅的薄膜上形成上電極，這樣會(huì)使三價(jià)元素鋁對(duì)半導(dǎo)體硅進(jìn)行摻雜，增加了硅中空穴的數(shù)量而使其導(dǎo)電性增強(qiáng)。當(dāng)外界施加直流電壓時(shí)，帶點(diǎn)粒子就會(huì)做定向運(yùn)動(dòng)聚集在薄膜的一側(cè)，當(dāng)多個(gè)敏感單元并聯(lián)時(shí)就會(huì)引入很大的寄生電容。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文在上電極和薄膜之間添加了絕緣層，有效避免了摻雜現(xiàn)象的發(fā)生。所設(shè)計(jì)的CMUT器件如圖1(b)所示。

(a)單元剖面圖

(b)CMUT版圖圖1 微電容超聲傳感器

現(xiàn)有的微電容超聲傳感器多為收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，但是接收模式和發(fā)射模式的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)各有不同[6-7]。因?yàn)槭瞻l(fā)一體的微傳感器的電容變化率明顯小于收發(fā)分離的傳感器[8]，所以本文針對(duì)其接收性能設(shè)計(jì)了中心頻率為400 kHz的CMUT。表1為結(jié)合ANASY有限元仿真得到的傳感器參數(shù)。

表1 電容式超聲傳感器的各項(xiàng)參數(shù)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)加工的傳感器實(shí)物如圖2所示，圖2(a)為在6寸硅片上加工完成的傳感器裸片，通過(guò)與PCB的導(dǎo)線連接，將其在設(shè)計(jì)的鋁殼中進(jìn)行油封，封裝完的傳感器實(shí)物圖如圖2(b)所示。

(a)封裝前

(b)封裝后

2 理論分析

2.1 微傳感器電容變化率

當(dāng)外界一定頻率的正弦超聲信號(hào)對(duì)CMUT進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，會(huì)引起傳感器靜態(tài)電容的改變，由Q=CU可得到傳感器因電容變化而產(chǎn)生的電流。式(1)為單個(gè)敏感單元產(chǎn)生的電流：

(1)

由此可知，在CMUT中影響電流輸出的不是電容變化量，而是電容變化率。電容變化率可表示為電容對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，因此單個(gè)敏感單元的電容變化率可表示為

(2)

式中：v為薄膜的振動(dòng)速度；x為薄膜的位移；deff為施加直流偏置時(shí)的有效腔高；ε0為真空介電常數(shù)；S為平行板電容極的有效面積。

如圖3所示為氣壓為1 atm(1 atm=101.325 kPa)時(shí)，施加50 V直流偏置時(shí)AB路徑上的位移曲線，由圖可知薄膜的最大位移為0.296 μm。根據(jù)薄膜平均位移和最大位移1/3的比例關(guān)系，可得到薄膜的平均位移為0.0987 μm，因此式(2)中deff的值即為0.7 μm。

(a)位移云圖

(b)位移曲線圖3 ANSYS靜態(tài)仿真結(jié)果

在瞬態(tài)分析的時(shí)間歷程后處理器中對(duì)振動(dòng)薄膜半徑中心點(diǎn)的位移和速度進(jìn)行了提取，結(jié)合電容變化率的計(jì)算公式，采用MATLAB得到電容變化率隨時(shí)間變化的曲線圖4所示。

圖4 電容變化率曲線

從圖4可知，在5 kPa聲壓下，單個(gè)敏感單元電容變化率的最大值為1.359×10-11F/s。由式(1)可知，當(dāng)外界施加50 V的直流偏置時(shí)，單個(gè)敏感單元產(chǎn)生的電流為0.68 nA，則由900個(gè)敏感單元組成的一個(gè)陣元產(chǎn)生的電流即為612 nA。

2.2 檢測(cè)電路電容變化率

在上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由CMUT直接輸出的電流很小，經(jīng)常會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中，所以需要對(duì)該微弱電流進(jìn)行提取。如圖5所示為跨阻放大法檢測(cè)電路的原理圖，其中Vin為直流偏置電壓，C1為微電容超聲傳感器的等效模型，C2、C3分別為電路的等效雜散電容，它們的存在可以減小雜散電容對(duì)信號(hào)檢測(cè)的干擾。Rf為反饋電阻，在電路中形成的深度負(fù)反饋將超聲作用下的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)的電壓信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。補(bǔ)償電容Cf的存在可以對(duì)電路信號(hào)中的自激振蕩和拖尾現(xiàn)象起到良好的改善，從而得到較為規(guī)則的輸出信號(hào)波形。

圖5 跨阻放大法檢測(cè)電路的原理圖

如圖5所示，當(dāng)傳感器產(chǎn)生一定頻率的電流后，通過(guò)反饋回路的轉(zhuǎn)換，信號(hào)就會(huì)以較強(qiáng)的電壓信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了傳感器的聲壓轉(zhuǎn)換。輸出電壓的計(jì)算公式如(3)所示：

(3)

設(shè)定反饋電阻的值為1 MΩ，則一個(gè)陣元輸出的電壓應(yīng)為0.61 V。

3 測(cè)試

3.1 系統(tǒng)框圖

如圖6所示為CMUT與跨阻放大檢測(cè)電路用于水下測(cè)試的系統(tǒng)框圖。A為壓電超聲發(fā)射傳感器，發(fā)射信號(hào)是頻率為400 kHz的脈沖信號(hào)，B與C分別為CMUT超聲接收傳感器和壓電超聲接收傳感器。

圖6 系統(tǒng)框圖

3.2 接收測(cè)試

按照?qǐng)D6所示的系統(tǒng)框圖，對(duì)該水下測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行搭建，測(cè)試實(shí)物圖如圖7所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由跨阻檢測(cè)電路、示波器、供電電源及測(cè)試水箱組成。在水箱中，發(fā)射用壓電超聲傳感器、接收用CMUT和接收用壓電超聲傳感器并列放置在水箱的同一側(cè)，障礙物則放在水箱的另一側(cè)。發(fā)射信號(hào)經(jīng)障礙物反射后，由微傳感器B和C進(jìn)行接收，并顯示在示波器上。

圖7 水下測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

示波器界面顯示如圖8所示：通道1為壓電傳感器發(fā)射的超聲波，其中包括15個(gè)等間距的脈沖信號(hào)，通道2和3分別為壓電超聲傳感器和CMUT的接收信號(hào)。通過(guò)比較可知，CMUT對(duì)障礙物的反射信號(hào)有較強(qiáng)的接收能力，且一次回波的信號(hào)峰峰值為0.8 V，與理論計(jì)算的0.61 V有一定的偏差。這是由于在實(shí)際測(cè)量中，還要考慮到水壓、測(cè)試間距、發(fā)射超聲波功率及接收超聲波功率等一系列因素對(duì)輸出電壓的影響。

4 結(jié)論

首先，本文針對(duì)現(xiàn)有CMUT寄生電容大的問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改善。其次，以電容變化率為主線，通過(guò)對(duì)跨阻放大檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，建立起檢測(cè)電路和微電容超聲傳感器之間的聯(lián)系。最后，對(duì)水下測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了微傳感器和檢測(cè)電路理論設(shè)計(jì)正確性和測(cè)試系統(tǒng)的可行性。

圖8 測(cè)試結(jié)果分析

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61127008)

2015-04-17

TN552

A

1002-1841(2015)08-0001-03

穆林楓(1990—)，碩士，主要研究方向?yàn)樗鲁暢上?、MEMS超聲傳感器信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)。E-mail：muxiaotengjy@163.com張文棟(1962—)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，目前主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS與NEMS)及超聲成像的研究。E-mail：wdzhang@sxedu.gov.cn