新型氮化鋁MEMS聲壓傳感器技術

陳麗潔， 雷亞輝， 于洋， 楊月， 樸勝春， 龔李佳

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國電子科技集團公司第49研究所，黑龍江 哈爾濱 150028； 3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

氮化鋁薄膜材料耐高溫、化學性質穩(wěn)定、絕緣性能好、導熱性能好，是優(yōu)良的壓電材料。氮化鋁晶體熔點3 500 K，電阻率大于1×1013Ω，熱膨脹系數(shù)小于(4.5×10-6/K)，帶隙寬度(6.2 eV)，化學性能穩(wěn)定，常壓下的升華分解溫度為2 450 ℃，是一種高溫耐熱材料。致密型氮化鋁具有疏水特性，且?guī)缀醪慌c濃無機酸發(fā)生反應。氮化鋁薄膜機電耦合系數(shù)大、聲速高、高頻性能好，適合于制作聲表面波器件[1]。氮化鋁的性能與制備工藝有關，密度一般為3.2～3.3 g/cm3，彈性模量310 GPa，抗彎強度為350～400 MPa ，莫氏硬度為9～10[2-4]。

氮化鋁材料的優(yōu)異特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1)微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical system,MEMS)的可致動傳感元件，氮化鋁薄膜材料具有的電機雙向的可致動特性，且容易通過反應濺射法制得的優(yōu)勢，引發(fā)廣泛關注，已經(jīng)應用于PMUT、射頻痕量檢測等多種類型的傳感器技術研究[5-6]；2)相比于傳統(tǒng)的壓電陶瓷和氧化鋅(ZnO)等壓電材料，氮化鋁薄膜在傳感器微型化方面優(yōu)勢明顯；3)在壓電特性方面，ALN壓電材料雖然壓電系數(shù)相對較低，但其介電常數(shù)也低，因此其FOM值較高[3]；4)氮化鋁薄膜與MEMS工藝的兼容性，有利于批量一致性制造；5)ALN薄膜的表面聲波速度是目前已知所有無機非鐵電性壓電材料中最高的，縱向聲速高達11 000 m/s，而壓電陶瓷的聲速一般在3 000～5 000 m/s。

MEMS是將微電子技術與微機械加工技術融合到一起完成特定系統(tǒng)功能的芯片器件，加工尺度范圍一般在微米范圍內，具有體積小、重量輕的微型化特點以及可集成化和可批量生產(chǎn)的特點[7-9]。Richard等應用氮化鋁與CMOS工藝兼容性特點提出了氮化鋁壓電微機械超聲換能器[10]，指出相比于壓電陶瓷，應用氮化鋁材料可以改善信噪比；徐景輝等[11]提出的應用氮化鋁壓電材料實現(xiàn)的MEMS超低頻水聽器，工作頻率為10～100 Hz，聲壓靈敏度為-182 dB，對于MEMS壓電水聽器來講實現(xiàn)了較高的聲壓靈敏度；中科院李傳宇等[12]提出的超薄硅襯底氮化鋁蘭姆波壓電諧振器，設計的蘭姆波諧振器可以實現(xiàn)痕量物質高精度檢測，其研究指出應用氮化鋁的蘭姆波傳感器具有化學穩(wěn)定性高、與CMOS兼容和耐高溫的優(yōu)點。

在水下聲學傳感器技術領域，海洋聲場的時變和空變特性使水下探測問題變得十分復雜，目標遠程探測能力受傳感器靈敏度、本底噪聲和低頻響應能力等方面特性較高需求的制約。在多年MEMS傳感器的水聲應用嘗試過程中，其高性能、微型化、可批量一致性制造等技術優(yōu)勢一直沒有得到很好的發(fā)揮，究其原因一方面是由于水下聲波波長尺度大，對壓電陶瓷水聽器的尺寸具有一定的包容度，另一方面MEMS傳感器匹配適用的壓電材料特性尚未達到壓電陶瓷材料的性能水平。隨著氮化鋁新材料的出現(xiàn)，其既有高于壓電陶瓷的良好壓電特性，又與MEMS工藝兼容，因此將其應用于低頻、高靈敏水聲傳感器的設計值得研究和探索。另外隨著各類無人平臺技術的發(fā)展，集成化的多元傳感器技術可以支持無人平臺獲得更多的信息，增加智能感知能力。因此開展基于氮化鋁薄膜材料的新型聲壓傳感器技術研究，探索這一新材料的敏感模式與聲學匹配性設計，尤其是探索適合低頻響應的彎曲敏感檢測模式的設計方法，研究ALN壓電薄膜材料與力學MEMS敏感結構的匹配關系和信號提取方法進行初步分析，可為后續(xù)傳感器設計提供基礎驗證數(shù)據(jù)，為MEMS多傳感器集成技術的實現(xiàn)積累技術經(jīng)驗。

1 MEMS聲壓傳感器設計原理

ALN材料MEMS聲壓傳感器的核心設計內容是MEMS力學敏感結構，當聲壓作用于聲傳感器時會引起力敏結構的變化，敏感結構的設計就是最大化的將聲壓轉化成輸出信號，本文主要參比彎曲振動模式開展MEMS敏感結構的設計。下面以典型的周邊固支圓形平膜片結構為例，說明設計工作原理。

1.1 MEMS力學敏感結構

設平膜片厚度為h，薄膜區(qū)域的半徑為R的典型周邊固支圓形平膜片結構如圖1所示[13]。

圖1 周邊固支圓形平膜片橫截面Fig.1 The cross section of a circular flat diaphragm with peripheral solid support

為了避免聲壓作用過程產(chǎn)生非線性，需要滿足2個條件：1)假設壓力p是均勻作用于平膜片表面的；2)應用小撓度理論，即平膜片的最大撓度不大于1/3膜厚。根據(jù)彈性力學理論建立平膜片特征方程為：

(1)

通過對方程求解可得膜片上的應力分布。

徑向應力：

(2)

切向應力：

(3)

平膜片的最低自振頻率為[13]：

(4)

式中：E為平膜片材料的彈性模量；μ為泊松比；h為膜片厚度；R為膜片半徑；r為膜片上任意坐標點的半徑；ρ為膜片材料的密度。

1.2 聲傳感器工作原理

在周邊固支圓形平膜片結構上制作一層氮化鋁薄膜，如圖2所示。圖2中S為極板面積，m2；t為壓電元件厚度，m；h為膜片厚度，m。

因為氮化鋁壓電層很薄，遠遠小于平膜片厚度，力學關系近似不變。平膜片上的應力通過壓電效應轉化為電荷信號輸出，應力作用于壓電層激發(fā)正壓電效應，根據(jù)壓電方程(d-型)：

(5)

圖2 附有氮化鋁薄膜的周邊固支圓形平膜片結構Fig.2 Attached to the aluminum nitride film peripheral solid support circular diaphragm structure

對氮化鋁壓電層表面積上的電位移積分求得的總電荷量為：

(6)

依據(jù)電荷靈敏度的定義式，得到電荷靈敏度為：

(7)

氮化鋁壓電薄膜近似看成平行板電容器，電容量為C=(εrε0S)/t，式中εr為壓電材料相對介電常數(shù)；ε0是真空介電常數(shù)(ε0=8.85×10-12F/m)。

又因為輸出電壓V=Q/C，傳感器的電壓靈敏度為：

(8)

式中 FOM值為壓電材料的壓電系數(shù)與介電常數(shù)之比，即FOM=d/ε。

2 設計與仿真

2.1 MEMS力學敏感結構設計與仿真

MEMS敏感結構的設計目標是在敏感膜片承受聲壓時獲得大而且穩(wěn)定的應力、應變變化，從而提高測量靈敏度，同時又保有一定的過載能力，不至于在承受過載聲壓時膜片發(fā)生損壞。本文中構建的彈性敏感結構模型有2種，分別如圖3和圖4所示。

圖3 周邊固支圓盤結構模型Fig.3 The structure model of the peripheral fixed disc

圖4 周邊固支方形薄板結構模型Fig.4 The structure model of the square thin plate with clamped periphery

圖3中所示周邊固支圓形平膜片彈性敏感結構的設計需考慮平膜片結構設計約束，為了避免出現(xiàn)非線性，結構設計時要求滿足小撓度理論假設條件，平膜片半徑R和厚度h之間要滿足：

(9)

在彈性形變的限度內為了保證硅膜片的良好線性度，得到膜片半徑R和厚度h之間的關系為：

(10)

如果選用的目標量程是0～20 kPa，硅的彈性極限是σ=8×107Pa，由式(9)和式(10)得到膜片半徑與膜厚的限定關系為R/h<64.99。

同理圖4所示周邊固支方形平膜片彈性敏感結構，應用小撓度理論估算，硅膜片的邊長a和厚度h之間的關系應該要滿足以：

(11)

將彈性極限系數(shù)σ和壓力p的最大值代入上式中，并且取方形硅膜片的邊長a為5 mm，計算得h≥34.23 μm。

選用八節(jié)點六面體單元SOLID185，參考單晶硅的材料屬性，設置單元密度為2 330 kg/m3，彈性模量為190 GPa，泊松比為0.23。

在工作平面的直角坐標系中以Z軸為對稱軸，以XY平面為圓柱體底面直接建立圓柱體，再應用布爾減操作得到一個外圓柱體半徑5 mm，內部圓盤半徑2.5 mm、厚度為50 μm的周邊固支圓盤；同理構建的方形薄膜區(qū)域的彈性敏感結構，邊長為 5 mm厚度為50 μm。

拾取整個結構體，并設置單元大小為5e-5，對圖2中結構劃分四面體網(wǎng)格，再施加位移約束：依次拾取圓柱體底面的圓環(huán)線，將約束設置為ALL DOF：并在薄圓盤的上表面施加沿Z軸的10 Pa均勻壓力，賦予模型邊界條件并求解之后得到的周邊固支圓膜片和方形平膜片的徑向應力分布等值線圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 圓膜片徑向應力分布Fig.5 Radial stress of a circular diaphragm

圖6 方膜片徑向應力等值線分布Fig.6 Radial stress contour of square diaphragm

根據(jù)仿真結果，結合設計經(jīng)驗和工藝條件，選擇設計膜片尺寸為5×5 mm，厚度為50 μm。在10 Pa均布壓力作用下，周邊固支結構圓形薄膜片最大徑向應力為8.4 kPa，方形膜片徑向應力的最大值為11.4 kPa，對比可知在相同壓力條件下方形膜片存在應力集中區(qū)，通過對比可以看出在尺寸幾乎相同、同等壓力條件下，方形膜片應力更敏感，更有利于獲得高靈敏度。綜合考慮后，本設計中選擇使用方膜片結構制作試驗芯片。

2.2 氮化鋁MEMS聲壓傳感器設計與仿真

附有氮化鋁壓電層的周邊固支方形平膜片彈性敏感結構模型如圖7所示。

仿真分析設置氮化鋁壓電材料的單元類型選用耦合單元SOLID5，周邊固支圓盤單元類型為結構單元SOLID185，由于傳感器結構的軸對稱性，在仿真過程中建立1/4模型來簡化分析計算過程，圖7中淺灰色部分代表周邊固支正方體硅杯，黑色部分代表鋪設在薄膜區(qū)域上的氮化鋁壓電層。

圖7 傳感器三維敏感結構模型(1/4模型)Fig.7 Three-dimensional sensing structure model of the sensor(1/4 model)

當有聲壓作用時，相當于在結構上加載了一個持續(xù)的周期性變化的載荷，聲壓載荷引起膜上應力變化，應力變化使壓電材料上產(chǎn)生電荷信號。在有限元分析中，用諧響應分析來完成由應力到電荷這一過程的仿真模擬。為方便加載分析，假設電極覆蓋整個薄膜區(qū)域。構建模型之后施加位移約束，在壓電耦合中利用節(jié)點耦合，注意對應鋪設電極面的壓電面上設定節(jié)點自由度耦合，相同的電勢面構成耦合，在電極面上分別施加±1 V的載荷電壓，另外將空氣里的阻尼系數(shù)設置為常數(shù)值0.006。對聲壓傳感器做諧響應分析，便得到如圖8所示的導納曲線，該結構具有5.2 kHz的諧振頻率。

圖8 傳感器導納曲線Fig.8 Sensor admittance curve

10～1 000 Hz頻段范圍內，仿真得到的聲壓靈敏度曲線如圖8所示。

根據(jù)圖9聲壓靈敏度曲線得到靈敏度均值約為-183.26 dB，具有比較高的靈敏度，另外可以看出在10～1 000 Hz頻段內的頻響曲線近似于一條水平線，說明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的輸出特性。

圖9 聲壓靈敏度曲線Fig.9 Sound pressure sensitivity curve

2.3 電極設計

根據(jù)有限元分析得到方膜片的應力分布圖，據(jù)此在不同的應力區(qū)設計電極。通過圖6可以看出膜片上的應力分布有正應力區(qū)和負應力區(qū)，在方形薄膜四條邊中心處的黑色區(qū)域表示此區(qū)域應力值最大，方形薄膜中間圓形區(qū)域代表的是最大負應力區(qū)，通過節(jié)點列表顯示應變值可以確定正負應力值變化的具體位置。

為研究電極分布對輸出靈敏度的影響，方便后續(xù)的比較驗證，電極設計主要考慮了布放電極位置和電極大小2個因素，電極分布如圖10所示。

圖10 電極布局示意Fig.10 Diagram of electrode layout

在圖10中，中間的黑色圖形區(qū)域覆蓋正應力區(qū)，標記為Z電極，四周的淺灰色區(qū)域根據(jù)負應力區(qū)分布設計了大小2種尺寸電極，以圖10右側坐標系為參考基準，X軸左右2個電極分別標記為X1、X2，Y軸上下2個電極分別標記為Y1、Y2，中心為電極Z。X1、X2和Y1、Y2電極形狀和間隙不同，設計大小不同的2種電極的目的是為了便于驗證匹配電路與電極面積之間的關系。所有電極分別通過引線設計引到薄膜的一端輸出。

2.4 工藝設計

設計的氮化鋁MEMS聲壓傳感器工藝結構示意如圖11所示[14-15]。由于設計的聲壓敏感結構膜區(qū)較薄，為方便背版加工控制膜的厚度，選擇4寸SOI圓片進行芯片制作，芯片尺寸約為12 mm×12 mm。

圖11 聲傳感器橫截面Fig.11 Sound pressure sensor cross-sectional diagram

正面工藝：首先在SOI硅襯底上先制作一層鉬電極，然后通過薄膜濺射工藝制作一層氮化鋁薄膜，通過對包括濺射功率，氣體配比等工藝參數(shù)的調控，將氮化鋁薄膜厚度調制至2.0 μm左右，該工藝由蘇州醫(yī)學工程研究所完成[12]，制作的氮化鋁結構可參考圖12的SEM照片，壓電薄膜呈現(xiàn)理想的(002)擇優(yōu)取向。最后制作一層金電極并通過光刻和腐蝕工藝進行圖形化處理。

圖12 氮化鋁壓電薄膜截面SEM圖(厚度2.03 μm)Fig.12 Cross-sectional AlN diagram(thickness 2.03 μm)

背面通過干法刻蝕工藝形成背面腔結構，照片如圖13所示。

圖13 氮化鋁MEMS敏感芯片背面結構照片F(xiàn)ig.13 Back strcture of the AlN MEMS sensor sample chip

硅片制成品上的多個芯片和分離后單個芯片樣品，如圖14所示。

圖14 聲傳感器硅片上芯片樣品和分離樣品Fig.14 Sound pressure sensor samples and apart one

封裝后的芯片和簡易結構封裝后測試傳感器如圖15所示。

圖15 電路和結構封裝的聲壓傳感器樣品Fig.15 Sound pressure sensor sample of circuit package

3 測試與結果

聲壓傳感器的測試采用標準聲級計校準法進行。測試實際配置如圖16所示。

圖16 標準聲級計校準Fig.16 Standard sound level meter calibration

測試使用的標準聲級計型號為多功能聲學校準器(Multifunction Acoustic Calibrator，BK Type4226)，將簡易封裝的聲壓傳感器的透聲孔對準聲級計的聲腔，控制聲級計聲級檔位，使聲級計的輸出分別為94、104、114 dB。測試時在每個聲級檔位調整輸出信號頻率，低頻從2～16 kHz頻率點，實驗測試樣品(2#)，測試電極X1、Y1和Z的輸出結果分別如表1、2和3所示，電極X2、Y2的輸出結果分別與X1、Y1相同。

表1 樣品2#測試數(shù)據(jù)電極X1輸出Table 1 X1 output of 2# test data

表2 樣品2#測試數(shù)據(jù)電極Y1輸出Table 2 Y1 output of 2# test data

表3 樣品2#測試數(shù)據(jù)電極Z輸出Table 3 Z output of 2# test data

根據(jù)表內數(shù)據(jù)繪制頻響曲線如圖17～19所示。

圖17 X1(2#)頻響曲線Fig.17 X1 (2#) frequency response curve

圖18 Y1(2#)頻響曲線Fig.18 Y1 (2#) frequency response curve

圖19 Z電極(2#)頻響曲線Fig.19 Z(2#) frequency response curve

靈敏度計算：由測試數(shù)據(jù)分別計算X1、Y1、Z電極的聲壓靈敏度，聲級計94 dB聲級對應的聲壓值為1 Pa，因此取94 dB聲級時，各頻率點輸出的平均值直接得出各電極電壓靈敏度。測試時與電極連接的前放電路的放大倍數(shù)為100倍，計算靈敏度時將電路放大倍數(shù)剔除，同時由于2 kHz頻點聲場匹配問題導致測試值出入較大，將該值剔除。則有：

X1電極靈敏度：取輸出電壓級平均值-79 dB，靈敏度為1.12 μV/Pa；Y1電極靈敏度：取平均值-84 dB，靈敏度為0.61 μV/Pa；Z電極靈敏度：取平均值-75 dB，靈敏度為1.64 μV/Pa。

4 結果分析

從測試結果看，采用氮化鋁壓電薄膜所設計的聲壓MEMS傳感器芯片獲得了較高的聲壓靈敏度響應和較為平坦的低頻響應特性。在標定過程中，隨著聲級計每10 dB的聲級輸出增加，聲傳感器的聲壓響應也呈現(xiàn)10 dB的線性增長。對在不同應力分布區(qū)所設計的多個單電極分別進行了測試，分布于應力對稱區(qū)的2個X電極測試結果一致，2個Y電極測試結果一致。通過對測試結果進行分析可以得到以下結論：

1)采用彎曲模式設計實現(xiàn)線性力學關系的聲壓敏感和傳遞，具有工藝可實現(xiàn)性，且由于彎曲模式適合低頻檢測敏感結構的設計。由2#測試樣品各電極在114 dB加載條件下的測試結果可以看出，不同電極設計在2 kHz頻率點都可獲得較高的靈敏度響應，只是由于在低頻測量時存在聲場匹配問題和電路匹配問題導致測試值偏高。根據(jù)實際驗證芯片的測試數(shù)據(jù)可見，在測試芯片上設計的不同面積、間距的電極均可以檢測和獲取相近的聲壓靈敏度，包括面積只占薄膜總面積不足3%的X電極，驗證了測試芯片較好的靈敏度結構和電極設計。

2)由于X、Y、Z電極的面積以及分布位置不同，靈敏度測試結果呈現(xiàn)出的聲壓靈敏度響應有所不同。Z電極的電極面積大于X、Y電極，Z電極的聲壓靈敏度達到了1.64 μV/Pa(不含電路)，分別大于X、Y電極的靈敏度。但在相同的應力分布區(qū)域，面積小的電極(X1電極1.12 μV/Pa)靈敏度表現(xiàn)好于面積大的電極(Y1電極0.61 μV/Pa)。根據(jù)電壓是電荷與電容的比值的關系，可知電容小的電極電壓靈敏度大。靈敏度與電極的位置和電極面積的大小緊密相關，但不同位置應力響應不同，導致靈敏度不同。與靈敏度相關的電極面積的設計取決于2個因素：一方面電極面積越大，電極上產(chǎn)生的電荷就越多，靈敏度越高；另一方面電極面積增大，電容值增大，導致電壓靈敏度下降。因此需要根據(jù)這2種情況綜合考慮，優(yōu)化電極設計實現(xiàn)高靈敏度傳感器設計。

3)在低頻聲壓測試校準過程中，測試結果出現(xiàn)一些誤差，主要是由于在低頻段聲腔內聲場匹配程度降低導致聲場不均勻，因此測試存在一定的起伏和不穩(wěn)定。另外在低頻段分布電容的影響會增大，其作用不能忽視，電極面積越小，電容值也小，分布電容的影響就越大，因此電極的設計需要考慮分布電容的影響以及匹配電路的設計能力，需要通過集成前置放大電路設計加以改進和優(yōu)化。

4)靈敏度的測試值小于有限元分析計算值，電極測試靈敏度為微伏量級，有限元分析得出的傳感器靈敏度為毫伏量級?？紤]到電極的分布與靈敏度之間的響應關系是本次試驗研究內容之一，因此本文研究的電極設計重在給出能夠進行比較測試驗證的電極方案，電極設計還不完善，與有限元分析中采用的理想模型存在一定差距。而且有限元分析采用了理想加載條件和全電極分布，測試芯片的電極面積約占膜片總面積的2%左右，因此分析結果與實際測試芯片測試結果存在較大差異，后續(xù)在針對這一問題再進行進一步的理論分析和試驗驗證。

5 結論

1)本文采用氮化鋁壓電敏感薄膜開展低頻高靈敏度MEMS聲壓傳感器的設計與試驗驗證研究工作是一種新型傳感器材料及工藝的設計嘗試，通過采用彎曲振動模式的MEMS聲敏感芯片的設計制作與測試，驗證了氮化鋁材料實現(xiàn)低頻彎曲敏感模式傳感器的可行性；

2)通過在不同應力敏感區(qū)設計形狀和間隙參數(shù)不同的檢測電極驗證了電極的設計與靈敏度之間存在的參數(shù)影響關系，即靈敏度與電極面積大小成正比和極間電容大小成反比。

目前國內采用氮化鋁材料進行聲壓傳感器的設計還處于初步研究階段，本文提出的設計思路、試驗芯片參數(shù)設計方法和測試驗證結果對基于氮化鋁材料的MEMS傳感器設計具有參考借鑒意義，后續(xù)可通過優(yōu)化結構參數(shù)設計、電極優(yōu)化與分布疊加設計以及減小分布電容的影響幾方面進一步開展改進低頻高靈敏聲傳感器及水聲適用聲壓傳感器的設計研究工作。