基于标准CMOS工艺的双下电极电容式微加工超声传感器

基于标准CMOS工艺的双下电极电容式微加工超声传感器4基于标准CMOS工艺的双下电极电容式微加工超声传感器卢兴强　俞挺摘要提出了一种新型的基于标准CMOS工艺的双下电极电容式微加工超声传感器(CMUT)结构。该结构的传感器用作发射端时电容等效间距比传统的单下电极结构大；而作接收端时振膜可以被偏置在离下电极很近处，使得空气间隙很小。该结构采用商业软件Ansys建模并进行了一系列有限元分析，结果表明：其最大发射声压比传统CMUT提高了5.655dB，最大接收灵敏度提高了9.3%。关键词电容式微加工超声传感器；双下电极；CMOS工艺；有限元分析1引言传统的电容式微加工超声传感器(CMUT)一般由单上电极和单下电极组成，有更好的阻抗匹配、带宽和动态响应，在无损探伤和医疗成像等应用中必将取代传统的压电陶瓷式超声传感器(PZT)[1-3]。相关研究如理论建模、有限元仿真、结构与阵列化设计和微加工在近十年中都已经见诸报道。将CMUT结构分别用Mason小信号模型和线性弹簧系统进行处理，可以方便地近似求出CMUT的基本参数，如塌陷电压、共振频率、稳态电容、机械阻抗、转换率和耦合系数以及CMUT工作时的输出声压和在系统中的瞬态电流等[4-6]，由此得出了更为准确的预测传感器输出的理论推导和仿真方法[7-8]；CMUT的振膜和上电极可以设计成不同大小和形状，上电极位置不同对CMUT的性能影响也不一样[9-10]；为了得到可观的输出或在高的分辨率，实际应用中一般都将CMUT阵列化[5,11]；CMUT加工前仿真一般利用Ansys软件进行有限元分析[12]，然后采用表面微加工释放牺牲层工艺、晶圆键合或CMOSMEMS工艺进行加工[1,6,13]。其中，采用基于CMOS工艺和简单后道加工的CMOSMEMS工艺加工CMUT具有一系列优点，比如能实现与电路的单片集成、很小的寄生、更高的芯片良率和信噪比、易于低成本批量生产和制作大阵列传感器等。CMUT发射模式时振膜可运动范围越大，输出声压越大，这要求电容间隙大；接收模式时可运动范围越小，声压使振膜运动产生的电容变化越大，传感器的灵敏度也就越高，这要求电容间隙小。作为电容式静电传感器，传统的CMUT电容间隙是固定的，振膜可运动范围被限制在电容间隙的三分之一内，这对传感器的发射和接收性能都有很大的限制。[14]中提出的串联反馈电容引入到CMUT中可以提高其发射性能，但会造成接收性能的下降；[15]中的双上电极CMUT利用leveragedbending效应[14]可以大大改善其接收性能，但单纯通过减小发射电极面积的方法会增加塌陷电压，使得其发射性能提高受限。在以前的工作中，我们用商业标准0.18μmCMOS工艺和后道加工相结合的方法加工CMUT，在形成振膜和露出焊盘(简称PAD)时，上电极需要作为刻蚀掩膜[13]，[15]中的结构显然不适用于CMOS工艺。为了能同时改善CMUT的发射和接收性能，基于该工艺特点，本文提出了一种具有双下电极的CMUT结构，其下电极分为圆形中心电极和中空正方形状边缘电极，其中边缘电极对应的电容等效间距比中心电极对应的要大。相对传统CMUT而言，双下电极CMUT作为发射端时最大输出声压和作为接收端时最大接灵敏度均得到显著提高。接下来的第2节将简要介绍双下电极CMUT的结构、尺寸和加工流程；第3节介绍其工作原理；第4节将双下电极CMUT与传统CMUT进行对比，得出其获得改善的发射和接收性能；第5节总结全文。2　结构设计与加工流程本文中的CMUT结构采用中芯国际的标准0.18μmCMOS工艺进行前期加工。该工艺有六层金属铝布线，相邻金属层用氧化硅作为绝缘层隔开。基于该工艺的芯片结构尺寸，所设计的双下电极CMUT为正4Vol.4No.5/May.010图2CMUT后道加工流程(a)tape-out返片，(b)第一次ICP刻蚀后，(c)湿法刻蚀M4后，(d)第二次ICP刻蚀后3　双下电极CMUT工作原理CMUT是由包含上电极的可动振膜与固定下电极构成的平行板电容，中间为气隙，振膜由绝缘材料和金属铝组成，如图3(a)所示。图3传统CMUT与双下电极CMUT(a)传统CMUT，(b)双下电极CMUT，(c)双下电极CMUT的三种平衡态：‘1’为无偏压，‘2’为发射模式，‘3’为接收模式当偏置一个电压时，上下电极间产生静电力并将振膜拉向衬底，振膜在形变过程中将产生机械内应力并不断增加直至与静电力平衡，振膜将稳定在对应的形变位置。当所偏置的电压增大到一定数值时，振膜V(a)VcVs(b)123(c)方形微桥，俯视图如图1所示，剖面图如图2所示。四角为细长支撑臂，中间正方形区域为振膜区域，支撑臂和振膜都是由单层金属Al电极和单层SiO2构成，两层大小一致，电极在上方，振膜厚度为1.38μm；图1中整个正方形区域为振膜和上电极区域，圆形区域正对下方为中心下电极，其上方覆盖着单层SiO2，厚度为0.85μm，中空正方形区域正对下方为边缘下电极，其上方覆盖着厚度相当于双层SiO2和单层金属Al厚度之和的SiO2，其厚度为2.23μm，两下电极面积均为上电极的一半，上下电极间的SiO2层间为厚度为0.53μm的空气隙。各部分尺寸和材料属性如表1所示。表1CMUT尺寸、材料属性(单位：μMKS)图1CMUT振膜及电极俯视图利用标准CMOS工艺在在六层金属铝中加工出前述图形后，几步简单的后道工艺需要用来释放出CMUT结构，该过程如图2所示。第一次耦合等离子体干法刻蚀(ICP)方法刻蚀的是最上层的钝化层以及没有最上层金属(M6)覆盖的SiO2；湿法刻蚀腐蚀的是露出来的金属M6、M4和振膜下方作为牺牲层的M4；第二次ICP刻蚀是除掉振膜上方的SiO2，露出上电极和下电极的引出焊盘(即PAD)。其中图2(d)中PAD1是与中心下电极M3相连。ऩሖ䞥ሲ$O⬉ᵕऩሖ6L2८ᑺᴼ⇣῵䞣HHᆚᑺHH⊞ᵒ↨Ⳍᇍҟ⬉ᐌ᭄ᤃ㝰ৃࡼ㣗ೈЁᖗϟ⬉ᵕ⬉ᆍㄝᬜ䯈䎱䖍㓬ϟ⬉ᵕ⬉ᆍㄝᬜ䯈䎱ⳳぎҟ⬉ᐌ᭄H/+:Ёᖗϟ⬉ᵕ䴶⿃䖍㓬ϟ⬉ᵕ䴶⿃基于标准CMOS工艺的双下电极电容式微加工超声传感器4触及衬底，对应的电压称为CMUT的塌陷电压。现假设振膜结构的弹性系数为k，则静电力与内应力可以分别表示为公式(1)和(2)：220/[2()]elecequFAVgxε=−(1)mechFkx=(2)/equininggdε=+(3)其中ε0为真空介电常数，A为振膜面积，g为CMUT初始间隙，x为振膜指向衬底的位移，V为直流偏压，din为上下电极间绝缘层总厚度，εin为绝缘层相对介电常数。CMUT的总势能电势能和机械势能之和为：2220022122()2allelecmechequequEEEVVkxggxεε∆=∆+∆=−+−(4)根据虚功原理，CMUT发生塌陷时有22/0allEx∂∆∂=(5)/0allEx∂∆∂=(6)则塌陷电压为308/(27)coequVkgAε=(7)此时/3coequxg=(8)当在直流偏压Vdc的基础上施加一交流电压Vac并满足Vdc+VacVco时，CMUT振膜振动产生声压，空间任一点(x0,y0,z0)声压大小为[8]:100()2jkhAckueprjdxdyrhρπ−=∫∫(9)12222000(()())hxxyyz=−+−+(10)其中r为该点到振膜中心的距离，A为振膜面积。CMUT振动时，根据Mason等效电路模型，产生的瞬态电流为：()()()()()acdddIQCtVtVtCtdtdtdtdCVtnvdt==+=−(11)其中C为Vdc偏置下的静态电容，n为转换系数，v为振膜振动速度：0/()equCAgxε=−(12)20/()/()dcequequnVAgxCVgxε=−=−(13)双下电极CMUT发射时，跨在上电极和边缘下电极之间的直流电压将振膜偏置在图3(c)的‘2’位置，再在同样电极上施加交流电时，振膜即可在图3(c)中‘1’和‘3’位置之间振动。根据公式(8)和表1可得，最大振动范围可达0.44μm，比[13]中的0.32μm更接近CMUT实际气隙0.53μm，输出声压也更大；接收时，一个跨在上电极和边缘下电极之间的直流电压将振膜偏置在图3(c)的‘3’位置，这样振膜与中间下电极形成的电容远比[13]中的大，声压作用时电容变化率也更大，由公式(11)、(12)和(13)可知在电路中产生的电流也更大。4　双下电极CMUT性能参数仿真研究证明[1,5,6]，有限元仿真能够比较准确地模拟CMUT的实际性能，为传感器设计和加工提供重要参考。这里，我们也采用商业有限元仿真软件ANSYS对双下电极CMUT进行有限元模拟，分析其最大发射声压和最大接收灵敏度等动态性能参数。Solid45单元用于振膜和电极的建模，Ansys内置的EMTGEN宏产生一系列Trans126单元用于电容的建模，Fluid30和Fluid130单元分别用于声场和声场无限吸收边界的建模。4.1塌陷电压用Ansys对双下电极CMUT和[13]中传统CMUT结构进行静态仿真，其所加偏置电压与振膜最大位移的关系如图4所示。图4CMUT直流偏压与振膜最大静态位移的关系曲线，‘1’对应[13]中传统CMUT，‘2’对应中心下电极与上电极构成的CMUT，‘3’对应边缘下电极与上电极构成的CMUT50Vol.4No.5/May.010结果表明双下电极CMUT的塌陷电压比传统CMUT有较大增加，边缘电极对应的CMUT、中心电极对应的CMUT和传统CMUT之塌陷电压分别为169V、86V和61V。4.2发射性能CMUT工作时，振膜各处位移是不同的。振膜的平均位移与最大位移的比值称为归一化位移，它反映了振膜的变形均匀性，该值越接近1，表明振膜的变形均匀性越好，发射超声波时输出能力越强。根据图4的直流偏压与静态位移关系曲线，可得如图5所示不同电极结构的CMUT的归一化位移。显然，具有边缘下电极的CMUT振膜归一化位移最大，表明其变形均匀性最好，故最适合用来发射超声波。图5不同电极的CMUT不同直流电压偏置下振膜归一化位移，‘1’对应[13]中传统CMUT，‘2’对应中心下电极与上电极构成的CMUT，‘3’对应边缘下电极与上电极构成的CMUT为了验证上述优越性，需要对比边缘下电极CMUT和传统CMUT的最大发射性能，用Ansys对两种电极结构的CMUT进行最大交流加载情况下的谐响应分析，其加载参数如表2所示。常压下CMUT发射声场的声压分布如图6、图7所示，结果表明：前者在914kHz时输出最大，达到86.456dB；后者在899kHz时输出最大，达到92.111dB，输出性能提高了5.655dB。图6传统CMUT具有最大输出时的发射声压图7边缘下电极CMUT具有最大输出时的发射声压表2传统CMUT和边缘下电极CMUT具有最大输出时的偏置和加载4.3接收性能由第3节可知，要使CMUT接收性能好、灵敏度高，超声波脉冲作用在振膜上时产生的电容变化量就要大，这就要求CMUT振膜应被直流偏置在离下电极近的地方。因此在验证CMUT最大接收性能时，根据图4和图5，对于传统CMUT，其最大直流偏置应为接近塌陷电压的60V；对于双下电极CMUT，在边缘下电极施加接近其塌陷电压的166V直流偏置，可以将振膜偏置在离下电极最近的地方，在此基础上再在中心下电极上施加一直流偏置使振膜最大程度地接近塌陷(但并未塌陷)，此时双下电极的静态电容最大，经Ansys仿真可得，中心下电极上的直流偏置应为8V。同时，Ansys静态仿真表明：在上述直流偏置下，再施加85Pa声压载荷时，上述两种CMUT振膜的位移变化量最大。因此，在上述直流偏置下，若有85Pa声压脉冲作用在振膜上，CMUT的性能