基于标准CMOS工艺的双下电极电容式微加工超声传感器.pdf

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1、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)一般由对传感

2、器的发射和接收性能都有很大的限制。[14]中单上电极和单下电极组成，有更好的阻抗匹配、带宽提出的串联反馈电容引入到CMUT中可以提高其发射和动态响应，在无损探伤和医疗成像等应用中必将取性能，但会造成接收性能的下降；[15]中的双上电极[1-3]代传统的压电陶瓷式超声传感器(PZT)。相关研究CMUT利用leveragedbending效应[14]可以大大改如理论建模、有限元仿真、结构与阵列化设计和微加善其接收性能，但单纯通过减小发射电极面积的方法工在近十年中都已经见诸报道。会增加塌陷电压，使得其发射性能提高受限。将CMUT结构分别用Mason小信号模型和线性在以前的工作中，我们用商业标准0.1

3、8μm弹簧系统进行处理，可以方便地近似求出CMUT的基CMOS工艺和后道加工相结合的方法加工CMUT，在本参数，如塌陷电压、共振频率、稳态电容、机械阻形成振膜和露出焊盘(简称PAD)时，上电极需要作为抗、转换率和耦合系数以及CMUT工作时的输出声压刻蚀掩膜[13]，[15]中的结构显然不适用于CMOS工[4-6]和在系统中的瞬态电流等，由此得出了更为准确[7-8]艺。为了能同时改善CMUT的发射和接收性能，基于的预测传感器输出的理论推导和仿真方法；CMUT该工艺特点，本文提出了一种具有双下电极的CMUT的振膜和上电极可以设计成不同大小和形状，上电极[9-10]结构，其下电极分为圆形中心电极和中

4、空正方形状位置不同对CMUT的性能影响也不一样；为了得边缘电极，其中边缘电极对应的电容等效间距比中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心电极对应的要大。相对传统CMUT而言，双下电极软件进行有限元分析[12]，然后采用表面微加工释放牺CMUT作为发射端时最大输出声压和作为接收端时最牲层工艺、晶圆键合或CMOSMEMS工艺进行加工大接灵敏度均得到显著提高。[1,6,13]。其中，采用基于CMOS工艺和简单后道加工的接下来的第2节将简要介绍双下电极CMUT的结CMOSMEMS工艺加工CMUT具有一系列优点，比如构、尺寸和加工

5、流程；第3节介绍其工作原理；第4节能实现与电路的单片集成、很小的寄生、更高的芯片将双下电极CMUT与传统CMUT进行对比，得出其获良率和信噪比、易于低成本批量生产和制作大阵列传得改善的发射和接收性能；第5节总结全文。感器等。CMUT发射模式时振膜可运动范围越大，输出声2　结构设计与加工流程压越大，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，传感器本文中的CMUT结构采用中芯国际的标准0.18的灵敏度也就越高，这要求电容间隙小。作为电容μmCMOS工艺进行前期加工。该工艺有六层金属铝式静电传感器，传统的CMUT电容间隙是固定的，振布线，相邻金属层用氧化硅作为绝缘

6、层隔开。基于该膜可运动范围被限制在电容间隙的三分之一内，这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

7、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)ऩሖ䞥ሲAl⬉ᵕऩሖSiO2८ᑺ0.530.85ᴼ⇣῵䞣7.0e46.9e4ᆚᑺ2.7e-152.2e-15图2CMUT后道加工流程(a)tape-out返片，(b)第一次ICP⊞ᵒ↨0.300.17刻蚀后，(c)湿法刻蚀M4后，(d)第二次ICP刻蚀后Ⳍᇍ