基于硅晶圓鍵合工藝的MEMS電容式超聲傳感器設計*

苗 靜，何常德，廉德欽，張 慧，于佳琪，宛克敬，薛晨陽* ，張文棟

(1.中北大學電子測試國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

作為聲電轉換系統的關鍵元件，超聲傳感器在水下超聲成像、海底資源開采、沉船捕撈，艦艇安全等領域有廣泛的應用需求。

目前常見超聲傳感器有壓電式、壓阻式、電容式3類［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］，而導致傳感器機電轉換效率低下，靈敏度提升困難的缺點，成為近年來研究的熱點。

但現有電容超聲傳感器存在以下弊端:①當今國內外對電容超聲傳感器的研究多集中于MHz及以上頻段［5－8］，不能滿足遠距離水下成像應用需求；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，用來反映振膜變形的均勻性。越接近于1，表明結構對超聲波的聲電轉換能力越好)變小，傳感器對超聲波的收發能力下降；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，導致傳感振膜的頻率增高、出現偏差，不利于所需次兆赫茲傳感器的實現。此外，制備工藝的限制和結構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點，提出一種無需上層分立金屬電極、振動腔及下電極溝槽互聯巧妙、具有一體化全振薄膜的電容超聲傳感結構。

1 微傳感器結構設計與工作原理

1.1 結構設計

本設計以器件結構易于加工，工作頻率滿足要求，薄膜振幅利用率高以及傳感結構靈敏度高為出發點，提出的一體化振膜結構及各部組成如圖1所示。該結構總體包括:下襯底上4×25共100個的子振動腔，腔體側壁的互聯溝槽，區域化下電極及互聯引線，緊貼下電極上表面的氧化絕緣保護層及利用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構

具體實現方式為:利用ICP(感應耦合等離子體)刻蝕在無摻雜高阻硅襯底上(電阻率12 000 Ω·cm)形成100個深度為0.32 μm的微結構子振動腔、與子振動腔同步刻蝕形成的側壁互聯溝槽，深度也為0.32 μm；在腔底沉積厚度為1 000 ? 的金屬鋁形成區域化下電極及互聯引線；熱氧化一層厚度為100 nm二氧化硅層緊貼于下電極上表面，作為絕緣保護層，完成襯底硅的預處理。將預處理完成的硅襯底與SOI器件層鍵合，形成振動腔體。最后對SOI膜片減薄、TMAH腐蝕、BOE蝕刻，去除無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。

通過子振動腔尺寸的設置，調節對應區域薄膜的尺寸，可控制微傳感結構工作頻率在次兆赫茲范圍內，實現結構頻率的適用性需求；振動腔底溝槽互聯及區域化電極有效地避免了結構側壁支撐處的寄生電容；利用BOE蝕刻對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 聲電轉換傳感原理

如圖2為MEMS電容式超聲傳感器陣元剖面結構圖，一體化全振動薄膜如圖標識，其余部分可見圖注說明。當超聲波作用于在上下極板間提供適當直流偏置的傳感器薄膜上時，薄膜因受超聲波振動而撓曲發生變形，從而使薄膜與下襯底電極間空腔間距發生變化，引起傳感單元電容量的變化，實現了超聲信號的接收；類似地，在直流偏置的基礎上額外施加頻率10倍于微傳感器工作頻率的交流電壓時，振膜因交流電驅動而振動，致使極板間距變化，產生可測超聲波，從而實現了微結構的聲電轉換。

圖2 傳感單元聲電轉換原理

1.2.2 傳感器變化電容檢測原理

為實現對聲壓作用下傳感器交變電容的檢測，對本設計提出的微結構采用交流電橋，具體為四臂阻抗比電橋進行檢測，如圖3所示。Z1是本文所設計的穩態電容值為C的電容式超聲微敏感結構，通過Z1進行聲電轉換可感知聲壓的變化，其占用四臂阻抗比電橋的一支橋臂。為保證無聲壓時不敏感，交流電橋平衡可調，另外3支橋臂由容值已知且與微敏感結構穩態容值相同的固定電容占用。

圖3 四臂阻抗比電橋檢測

當受到周期聲壓作用后，所設計的微敏感單產生變化電容量▽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

根據以上對敏感單元聲電轉換的傳感及檢測原理分析，得到微敏感單元的聲電轉換特性和動態電學特性。利用有限元分析軟件ANSYS12.0對上述結構進行仿真。根據頻率指標，借助理論公式，初步設定結構的尺寸；建立有限元模型，修正調整初設尺寸，利用電結構耦合預應力模態分析選擇諧振頻率及振型合適的結構；通過對所建立有限元模型的靜態分析，得到微結構的靈敏度。

2.1 微結構的頻率分析及振型選擇

工作頻率是設計一體化全振電容式超聲微傳感器時首先需要考慮的性能指標，根據理論知識，微結構的共振頻率為［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。為設計可加工并用于實際探測的傳感器陣列，本文設計了5種共振頻率為124 kHz、176 kHz、272 kHz、354 kHz、484 kHz的傳感器，對應薄膜跨度從600 μm至300 μm，保證在共振時對應波長依次為 12.10 mm、8.51 mm、5.51 mm、4.24 mm、3.10 mm。通過理論預設，可初步確定滿足所需頻率指標的傳感器尺寸范圍，再通過ANSYS有限元修正，確定最終尺寸可見表1。

如圖1所示，由于所設計微結構的100個子單元振膜相連，結構循環對稱，且各子單元間距為30μm，遠小于共振時的對應波長，則可假設各子單元間對超聲波同相位收發，用子單元有限元模型便可仿真整體微結構。

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所示微結構組成及各部分所用材料建立有限元分析模型。振動腔的有限元分析單元類型選用Trans226，其余部分選用Solid95，使用自由網格劃分。得到484 kHz微結構子單元的一階及六階振型如圖4所示。其余各頻率指標的微結構模態結果如表1所示。

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

圖4 484 kHz微結構子單元的振動模態圖

表1 本文5種頻率指標的傳感器具體尺寸及各階模態結果

2.2 靜態分析與靈敏度計算

靈敏度是衡量超聲傳感器性能的關鍵指標，表示超聲傳感器的聲電轉換效率。可由自由聲場條件下，傳感器受1 Pa聲信號作用時的開路輸出電壓衡量。根據1.2.1中對微傳感單元的敏感機理分析，對其進行有限元數值模擬，得到484k微結構的位移分布云圖如圖5所示。仿真時施加子步數為1且與傳感器工作所需吻合的28 V直流偏置為預置電壓。

圖5 位移分布云圖

觀察微結構的位移分布云圖可知，振膜中心位移呈藍色，相對位移較大；越接近側壁支撐處，紅色越深，相對位移越小。但從云圖無法知道每個有限元網格對應面積下薄膜的位移，必須通過路徑定義來提取具體信息。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，振膜撓曲變形時呈由內向外同心圓式的同環形變量相同、沿半徑擴張方向形變增量遞減的方式進行變化。按圖7所示靈敏度計算方法，把不規則變化的振動薄膜沿半徑方向無限分割，每一有限元網格對應面積電容變化量可近似等效為平板電容▽Cplate，見式(3)。結合MATLAB按式(4)積分，可以準確計算出聲壓帶來的敏感單元非均勻形變時的電容改變，進而求得微傳感器的輸出電壓靈敏度S及分貝數表示的聲學度靈敏度M。

其中 ε0為真空介電常數(8.854×10－12F/m)，εr是電極上層保護二氧化硅絕緣層的相對介電常數(3.9)，dI是絕緣層厚度(100 nm)，Tg為振動空腔原始高度(0.3 μm)，w是提取路徑得到的振膜變形，▽S是設定的薄膜有限元網格劃分面積。

對于頻率為484 kHz的5號結構，無外界超聲聲壓信號作用時，傳感器的絕對電容值Co=244.59 pF。lPa聲壓作用下，傳感器微敏感結構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，聲學靈敏度M為－79.1198 dB(0 dB=1 μV/Pa)。

2.3 頻率響應特性分析

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

圖8 頻響特性曲線

3 相同頻率性能對比

為驗證本設計所提出的基于硅晶圓鍵合工藝微電容式超聲傳感結構的性能，特與同頻率指標的傳統犧牲層工藝下的典型金屬－氮化堆棧振膜結構進行對比，結果如圖9和表2所示。其中A為本文結構，B為傳統結構。兩種結構具有相同的振動腔間隙高度 0.3 μm 及振膜厚度 3 μm。

圖9 兩種結構側剖界面

表2 兩種結構的具體尺寸及性能對比

可見，對于5種頻率指標的傳感器，A類結構的平均頻率偏差為0.0535%，小于B類結構的0.7299%；歸一化位移A類結構比B類結構平均提高0.0432%；每帕聲壓下電容的絕對變化量A類可達650.62 fF，比B類高出一個數量級，更利于后續信號的檢測；輸出電壓靈敏度A類可達1.7 mV/Pa，是B類傳感器的4倍；聲壓靈敏度A類比B類平均提高11.9249 dB。

4 結束語

本文設計了一種基于硅晶圓鍵合工藝的電容式超聲傳感器，該傳感器特點在于具有一體化全振膜、無需表面分立電極，同時下電極互聯非常巧妙。通過對所設計結構進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。與同頻率的傳統金屬－氮化硅堆棧結構相比，本文提出的結構頻率偏差更小、歸一化位移更高，靈敏度提高明顯。這對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實基礎。

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