CN102647657B - 单片集成mems压阻超声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种单片集成MEMS压阻超声传感器，解决了现有超声传感器灵敏度低的问题。本发明包括质量块边框，质量块边框的两相对短边之间固定有振动膜，振动膜两侧边的中间位置与质量块边框的两相对长边之间分别对称固定有侧梁，振动膜位于X轴方向，侧梁位于Y轴方向，且振动膜宽度大于侧梁宽度，振动膜上的中间位置对称分布有第一、二应变压敏电阻，两侧梁上靠近质量块边框的根部位置对称分布有第三、四应变压敏电阻，四个应变压敏电阻的阻值相同并且其之间连接成一个惠斯通电桥。本发明结构简单新颖、重量轻、体积小、功耗低、灵敏度高、加工成本低、适合于批量化生产、单片集成便于安装测试。

Description

单片集成MEMS压阻超声传感器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的超声传感器，具体是一种单片集成MEMS压阻超声传感器。

背景技术

超声传感器作为声电转换中的关键元件, 其材料与结构一直为研究热点。基于微机电系统(MEMS)技术制备的超声传感器, 相比传统的超声传感器, 其具有可阵列化和频率高等优点, 且在实现高精度及与IC工艺集成上有明显优势。超声传感器分为压电式、电容式和压阻式三类。压电式超声传感器较为成熟，但是压电材料多为陶瓷结构，大多较硬较脆，加大了尺寸设计及加工的难度，尤其是医用成像所使用的二维阵列探头的制造更加复杂，种种限制导致传统的压电式超声传感器已不能满足现代科技的需要。电容式超声传感器逐渐成为人们关注的热点，国外已制成超声成像样机，但国内相关方面的研究起步较晚且电容式超声传感器工艺复杂、成品率低致使其应用受到一定的限制。压阻式传感器已经在MEMS加速度计、测力计等惯性领域有广泛的应用,但是在超声传感器方面应用的研究较少。在国内，中北大学对压阻式的悬臂梁结构的声音传感器（如图2，包括质量块边框1，固支块5和弹性梁6）做了一些研究，并取得了一定的成果。随着MEMS工艺技术的不断提高，压阻式超声以其与CMOS工艺的兼容好、工艺简单等优势也会有一定的应用前景。

超声传感器普遍存在的问题是灵敏度低，提高超声传感器结构灵敏度是主要的研究问题之一。现有的压阻式悬臂梁结构的声音传感器，随着频率的提高，厚度与长度的比值增大，结构的灵敏度也会大大下降。在保证共振频率的情况下，缩小尺寸，厚度与长度的比值减小，灵敏度会随之提高。因为电阻制作工艺的限制，尺寸不能无限的小，所以灵敏度提高到一定程度就受到限制，在高频的情况下提高灵敏度是一个难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有超声传感器灵敏度低的问题，而提供一种单片集成MEMS压阻超声传感器，该传感器采用了振动膜与侧梁组成的“膜——梁”结构，该结构具有灵敏度高、体积小、可靠性高、易于一体化加工等优点，从而进一步提高了该传感器的灵敏度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单片集成MEMS压阻超声传感器，包括长方形的质量块边框，质量块边框的两相对短边的中间位置之间固定有振动膜，振动膜两侧边的中间位置与质量块边框的两相对长边的中间位置之间分别对称固定有侧梁，振动膜位于X轴方向，侧梁位于Y轴方向，且振动膜宽度大于侧梁宽度，振动膜上的中间位置左、右对称分布有第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻，两侧梁上靠近质量块边框的根部位置对称分布有第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻，四个应变压敏电阻的阻值相同并且其之间连接成一个惠斯通电桥，其中，第一应变压敏电阻与第四应变压敏电阻串联设置，第三应变压敏电阻与第二应变压敏电阻串联设置，第一应变压敏电阻与第四应变压敏电阻的整体和第三应变压敏电阻与第二应变压敏电阻的整体之间并联设置，并联的两端为电压输入端，第一应变压敏电阻和第四应变压敏电阻的串联处端与第三应变压敏电阻和第二应变压敏电阻的串联处端之间为电桥输出端。

本发明传感器之所以设计成由振动膜与测梁组成的“膜——梁”结构，是由于侧梁振动时，距离根部越远振幅越大，因此，充分利用较大的振幅是设计的出发点。振动膜在振动的时候中间位移量最大，侧梁一端连接到中间位移量最大的地方，另一端固定在质量块边框上，从而使侧梁形变量较大，产生较大的应力。应变压敏电阻的放置决定了传感器的灵敏度，因此，为了增大传感器的灵敏度，应将应变压敏电阻放置于振动膜和侧梁的应力变化较大的区域，检测电路采用惠斯通电桥结构，这样设置一方面四个压敏电阻具有相同的温漂系数，可以抑制传感器的温漂；另一方面将四个压敏电阻交叉布放于振动膜与侧梁的较大的正、负应力区，可以充分利用结构应力提高灵敏度。另外与现有的悬臂梁结构相比，由于本发明结构中的振动膜比较宽，两边都与质量块边框相连接，结构牢固，加工过程不容易被损坏，提高抗冲击能力，而且宽度更宽了，能接受更多的声压信号，进一步提高传感器的灵敏度。因此，该结构兼具灵敏度高，结构牢固两个优点。

如图3是本发明结构上放置的应变压敏电阻构成的惠斯通电桥，四个应变压敏电阻R1、R2、R3、R4的阻值均为R，当本发明结构不受压力时，电桥两端输出电压Ua=Ub；当受到压力的时候，侧梁上的应变压敏电阻受到应力而阻值增大，阻值增量为₁，振动膜中间应力减小，故振动膜上的应变压敏电阻阻值减小，阻值减小量为₂，从而使电桥的一端电压Ua变小，另一端电压Ub增大，电桥两端产生电压差，如公式1。在周期的声信号下，产生周期的电信号。

压敏电阻受应力作用时，电阻的阻值发生变化。由于压敏电阻是在硅的浅表散而成的，可以视压敏电阻为薄膜电阻，薄膜电阻的变化仅与横向和纵向的应力有关，电阻的变化率计算如公式（2）：

其中，为应变压敏电阻阻值，为阻值的变化量，是材料的应变压敏电阻系数，是应变压敏电阻处的应力，下标l和t分别表示纵向和横向（相对于应变压敏电阻条的长度方向）。应变压敏电阻采用P型电阻，晶向为[110]方向，故电阻的变化率如公式（3）：

进一步地，所述的质量块边框、振动膜及侧梁都是以SOI片材料经现有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于振动膜及侧梁上的四个应变压敏电阻是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。

所述振动膜的长度为1740μm，宽度为800μm，厚度10μm；所述侧梁的长度均为100μm，宽度均为100μm，厚度均为10μm；所述质量块边框的外边长为2140μm，外边宽为1400μm，内边长为1740μm，内边宽为1000μm，厚度为410μm。

与现有技术相比，首先，本发明采用侧梁这种全新的结构有效的提高了振动梁的灵敏度：其次，本发明采用应变压敏电阻对称布放的形式，使得封装结构也有所简化；最后，本发明采用四个应变压敏电阻来组成惠斯通电桥，而不像以往其他发明采用两个应变压敏电阻和两个基准电阻组成惠斯通电桥，这样的结构可以使有效的抑制温漂从而提高了结构灵敏度。 

本发明结构简单新颖、重量轻、体积小、功耗低、灵敏度高、加工成本低、适合于批量化生产、单片集成便于安装测试。

附图说明

图1为本发明单片集成MEMS压阻超声传感器的结构示意图。

图2为传统的悬臂梁结构传感器。

图3为本发明单片集成MEMS压阻超声传感器上的应变压敏电阻连接构成的惠斯通电桥电路图。

图4为本发明单片集成MEMS压阻超声传感器受压力时惠斯通电桥上应变压敏电阻阻值变化示意图。

图5为本发明单片集成MEMS压阻超声传感器结构的应力分布云图。

图6为本发明单片集成MEMS压阻超声传感器X、Y方向应力的分布曲线图。

图7为本发明单片集成MEMS压阻超声传感器上的应变压敏电阻的分布连接示意图。

图8为本发明引线键合技术示意图。

图中：1-边框、2-振动膜、3-侧梁、4-陶瓷U型封装管壳、5-固支块、6-弹性梁、R1-第一应变压敏电阻、R2-第二应变压敏电阻、R3-第三应变压敏电阻、R4-第四应变压敏电阻、X-X方向应力分布曲线、Y- Y方向应力分布曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1、3、4、7所示，一种单片集成MEMS压阻超声传感器，包括长方形的质量块边框1，质量块边框1的两相对短边的中间位置之间固定有振动膜2，振动膜2两侧边的中间位置与质量块边框1的两相对长边的中间位置之间分别对称固定有侧梁3，振动膜2位于X轴方向，侧梁3位于Y轴方向，且振动膜2宽度大于侧梁3宽度，振动膜2上的中间位置左、右对称分布有第一应变压敏电阻R1和第二应变压敏电阻R2，两侧梁3上靠近质量块边框1的根部位置对称分布有第三应变压敏电阻R3和第四应变压敏电阻R4，四个应变压敏电阻R1、R2、R3、R4的阻值相同并且其之间连接成一个惠斯通电桥，其中，第一应变压敏电阻R1与第四应变压敏电阻R4串联设置，第三应变压敏电阻R3与第二应变压敏电阻R2串联设置，第一应变压敏电阻R1与第四应变压敏电阻R4整体和第三应变压敏电阻R3与第二应变压敏电阻R2整体之间并联设置，并联的两端为电压输入端Vcc，第一应变压敏电阻R1和第四应变压敏电阻R4的串联处端与第三应变压敏电阻R3和第二应变压敏电阻R2的串联处端之间为电桥输出端Vout。

进一步地，所述的质量块边框1、振动膜2及侧梁3都是以SOI片材料经现有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于振动膜2及侧梁3上的四个应变压敏电阻R1、R2、R3、R4是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。

所述振动膜2的长度为1740μm，宽度为800μm，厚度10μm；所述侧梁3的长度均为100μm，宽度均为100μm，厚度均为10μm；所述质量块边框1的外边长为2140μm，外边宽为1400μm，内边长为1740μm，内边宽为1000μm，厚度为410μm。

如图8所示，在具体实施时，为了保护本发明结构，本发明结构是通过引线键合技术封装在现有的陶瓷U型封装管壳4内的，具体封装方法是本领域技术人员所熟悉并容易实现的。

首先按上述尺寸设计好本发明结构的尺寸，然后建立有限元分析模型，通过静力分析结构的应力分布，得到应变压敏电阻放置的具体位置。最后计算结构的灵敏度，仿真由振动膜与侧梁组成的“膜——梁”结构的灵敏度，并与现有的悬臂梁结构的仿真结果作对比。

以下是对本发明单片集成MEMS压阻超声传感器的ANSYS有限元仿真分析：

1、静力分析与灵敏度计算：

为了用于加工传感器阵列，保证在共振时对应的波长为0.5 cm，传感器的共振频率为68K。具体尺寸为：振动膜的长度为1740μm，宽度为800μm，侧梁长度100μm，宽度100μm，振动膜和侧梁厚度为10μm。硅的杨氏模量为1.69e11、泊松比为0.278（质量块边框、振动膜及侧梁都是SOI片材料），有限元分析的单元类型选用Solid92，使用自由网格划分。

通过分析结构的应力分布云图知（如图5），侧梁的两端呈红色，正应力比较大，中间下凹，呈蓝色，负应力较大。从云图上无法清楚知道应变压敏电阻的具体放置位置，只有通过定义路径提取相关信息。应变压敏电阻的灵敏度与X、Y方向的力有关，与Z轴方向（即为厚度方向）的力无关，所以定义贯穿两个侧梁的路径，映射X、Y方向上的力到该路径上。从X、Y方向应力的分布曲线得（如图6），对于P型电阻（本发明中的四个应变压敏电阻均为P型电阻），电阻的变化率与纵向（Y方向）的力成正比，与横向（X方向）的力成反比，所以作差计算应力最大的地方。

由于结构对称，对称的位置放上等大小的应变压敏电阻，根据以往的加工经验，设计10×100μm电阻条放置在侧梁的方向上记为Y方向。在侧梁上的[0, 100] μm和 [900,1000] μm区间平均Y方向应力达到最大，平均12000pa，X方向平均应力约3800 pa，在这两个区间各放置一个电阻，即第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻。中间[450,550]μm平均应力最小（即，振动膜的中间位置），Y方向为-3400pa，X方向为-1000pa，在该区间左右并排对称放置两个电阻，即第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻。仿真时施加的压强为1Pa，惠斯通电桥两端提供的电压为2V，计算电压增量就可以算出灵敏度：

由

 

得

     

           

则

 

所以灵敏度，7.88uv/Pa。 

2、与现有的悬臂梁压阻声传感结构对比

通过将本发明结构与悬臂梁结构对比，可以很清楚的知道本发明结构的优越性。为了提高结构的灵敏度，很多方法都被仿真验证过，结果表明：在结构厚度不变的条件下，悬臂梁结构灵敏度是最高的, 所以设计的本发明结构可以用现有的悬臂梁结构作为评判好坏的标准。为了便于比较，本发明结构与悬臂梁结构均设计为10μm厚，变压敏电阻条均为100μm长，工作电压均为2v。根据实际的应用，本发明结构设计了34K、68K、75K、150K四个频率的侧梁结构，同样设计了4个相同频率的悬臂梁结构作为对比。表1为悬臂梁结构与本发明结构灵敏度对比，由表可以看出，本发明结构的灵敏度相比于悬臂梁结构平均提高了8.9db，当频率变大的时候灵敏度提高的倍数降低，主要原因是因为电阻条均为100μm长，太长的区间包含了应力较小的区域，如果电阻可以做的更小，灵敏度会依然提高较多。

表1 两种结构的灵敏度对比

Claims (2)

1.一种单片集成MEMS压阻超声传感器，其特征在于：包括长方形的质量块边框（1），质量块边框（1）的两相对短边的中间位置之间固定有振动膜（2），振动膜（2）两侧边的中间位置与质量块边框（1）的两相对长边的中间位置之间分别对称固定有侧梁（3），振动膜（2）位于X轴方向，侧梁（3）位于Y轴方向，且振动膜（2）宽度大于侧梁（3）宽度，振动膜（2）上的中间位置左、右对称分布有第一应变压敏电阻（R1）和第二应变压敏电阻（R2），两侧梁（3）上靠近质量块边框（1）的根部位置对称分布有第三应变压敏电阻（R3）和第四应变压敏电阻（R4），四个应变压敏电阻（R1、R2、R3、R4）的阻值相同并且其之间连接成一个惠斯通电桥，其中，第一应变压敏电阻（R1）与第四应变压敏电阻（R4）串联设置，第三应变压敏电阻（R3）与第二应变压敏电阻（R2）串联设置，第一应变压敏电阻（R1）与第四应变压敏电阻（R4）整体和第三应变压敏电阻（R3）与第二应变压敏电阻（R2）整体之间并联设置；其中，所述振动膜（2）的长度为1740μm，宽度为800μm，厚度10μm；所述侧梁（3）的长度均为100μm，宽度均为100μm，厚度均为10μm；所述质量块边框（1）的外边长为2140μm，外边宽为1400μm，内边长为1740μm，内边宽为1000μm，厚度为410μm。

2.根据权利要求1所述的单片集成MEMS压阻超声传感器，其特征在于：所述的质量块边框（1）、振动膜（2）及侧梁（3）都是以SOI片材料经现有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于振动膜（2）及侧梁（3）上的四个应变压敏电阻（R1、R2、R3、R4）是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。

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