壓電MEMS超聲波換能器設(shè)計—從概念驗證到產(chǎn)品

本文為OnScale與Mentor合作推出，由行業(yè)專家撰寫，文章詳細介紹了壓電MEMS超聲波換能器產(chǎn)品的設(shè)計過程，包括傳感器的仿真、設(shè)計以及它與整個系統(tǒng)的集成。

了解系統(tǒng)

我們正在開發(fā)一種槽罐液位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以安裝在啤酒廠、釀酒廠和其他飲料廠的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備中，用以收集液位的狀態(tài)，并可主動通知技術(shù)人員是否存在任何問題（例如泄漏）。我們對系統(tǒng)進行了改良（圖1），利用壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）來監(jiān)測水箱中的液位，并定期將測量結(jié)果上傳到網(wǎng)關(guān)設(shè)備中。

圖1：槽罐液位監(jiān)測系統(tǒng)框圖

壓電MEMS超聲波換能器在罐體中發(fā)射超聲波，然后測量被液體表面反射的波，從而得到一個很小的模擬機械波（需要放大）。發(fā)射波與反射波之間的時間差與液體的距離成正比。模擬前端（AFE）將MEMS波形放大并將信號轉(zhuǎn)換為表示飛行時間（或液體深度兩倍）的積分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將該電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以作為運行軟件的微控制器的輸入。時鐘、PLL和振蕩器電路是數(shù)字電路的支持模塊，偏置電流發(fā)生器、電壓調(diào)節(jié)器和帶隙基準是模擬電路的支持模塊。射頻（RF）發(fā)送器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。Arm Cortex-M3微控制器與模擬電路和RF發(fā)送器相連。如果將來我們計劃增加溫度傳感器，還需要多路復(fù)用器，但對于本白皮書，我們不考慮這兩個元素。

了解傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，超聲波換能器使用超聲波來探測傳感器與其他物體之間的距離。它們能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能，并且在大多數(shù)情況下，還能將機械能轉(zhuǎn)換回電能。正是這種功能的二元性使得超聲波換能器可以向物體或界面發(fā)射壓力波，并可以在這些波被反射回源時探測它們。雖然在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，但與其它競爭技術(shù)相比，傳統(tǒng)的超聲波換能器更笨重、更耗電、更昂貴。這限制了它們的應(yīng)用，特別是在消費領(lǐng)域，但這種情況由于MEMS技術(shù)的應(yīng)用而正在快速改變。

即將上市的新一代小型化超聲波換能器的功耗比前代產(chǎn)品低了一個數(shù)量級。沒有什么比當前我們開發(fā)并實施在系統(tǒng)中的PMUT更合適的例子了。PMUT由一個懸浮在腔體上的壓電薄膜組成，壓電薄膜通常為鋯鈦酸鋅（PZT）或氮化鋁（AlN）材料。當在膜上施加電脈沖時，膜會振動并直接在它接觸的介質(zhì)中產(chǎn)生聲波。當設(shè)計剛好為共振頻率時，PMUT可以用非常小的功率產(chǎn)生大量的能量。圖2顯示了PMUT橫截面示意圖，可以通過調(diào)整膜厚度和直徑大小來優(yōu)化給定介質(zhì)的共振頻率。PMUT可以使用成熟的硅基半導體制造工藝來生產(chǎn)。因而與許多競爭技術(shù)相比，它們可以適用于低成本的大批量應(yīng)用，更重要的是，它們還可以與CMOS無縫集成，從而在一顆芯片上實現(xiàn)完整的傳感系統(tǒng)。

圖2：PMUT換能器的橫截面示意圖（來源：OnScale）

使用有限元分析進行PMUT仿真

PMUT設(shè)計的第一步，我們使用被稱作“有限元分析（FEA）”的技術(shù)來進行PMUT仿真。通過有限元分析，可以將描述結(jié)構(gòu)行為的復(fù)雜的微分方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)表達式，以簡化成數(shù)值求解。在設(shè)計中我們可以采用多種FEA方法：用于探索設(shè)計概念、執(zhí)行設(shè)計性能的功能驗證，以及優(yōu)化設(shè)計。FEA可以探究真實世界里非理想幾何形狀、制造加工和材料屬性的變化，非常適合處理邊界條件復(fù)雜的問題。

FEA工具依賴于將仿真結(jié)構(gòu)劃分為低階有限元或網(wǎng)格來近似求解。此過程通過自動網(wǎng)格函數(shù)的輔助，可有效地對結(jié)構(gòu)進行分區(qū)。在需要的地方進行網(wǎng)格細化，設(shè)計人員可以獲得一組精確的仿真結(jié)果。通過將網(wǎng)格與來自電、機械和熱域的其他信息相結(jié)合，耦合的場模塊可用于同時求解靜電、耦合電機械學、壓電、壓阻、阻尼效應(yīng)和其他特性。

可以為超聲波換能器仿真許多重要的器件特性，包括：

·電阻抗

·振型

·壓力和位移水平

·波束圖形

·指向性指數(shù)

·效率

·脈沖回波響應(yīng)

·串擾

·帶寬

·材料特性

·機械沖擊

·粘合效應(yīng)

我們此次設(shè)計使用的多物理FEA工具為OnScale。OnScale功能強大且支持云技術(shù)，它不僅提供上述所有功能，并且可在云計算基礎(chǔ)架構(gòu)上大規(guī)模并行處理它們，將設(shè)計研究從幾周縮短到幾小時內(nèi)完成。當然COMSOL、ANSYS也可以勝任。

設(shè)計傳感器

使用諸如FEA的仿真技術(shù)，在對壓電MEMS超聲波換能器的特性仿真時，需要解決一系列獨特的挑戰(zhàn)。最基本的挑戰(zhàn)之一是確定所需計算域的相對大小。要精確地捕捉波傳播時所產(chǎn)生的應(yīng)力在小空間的梯度，就得在長路徑（例如10-250波長）上部署精細網(wǎng)格（例如每波長8-12個單元）。結(jié)果將產(chǎn)生高效仿真網(wǎng)格所需的大量單元。OnScale具有高效的求解器和先進的混合網(wǎng)格技術(shù)，因而非常適合這種尺寸的模型。

本文設(shè)計的PMUT的單個換能器3D建模結(jié)構(gòu)如下：標稱腔寬度為400μm、頂部電極直徑為200μm，空腔深度為40μm。PMUT的激發(fā)是通過施加在膜頂部電極上的一系列電壓脈沖。圖3顯示了當脈沖為32V時膜的形變程度。為了看得更清楚，形變有所夸大。

圖3：電刺激期間PMUT膜的形變（來源：OnScale）

為了優(yōu)化本設(shè)計，我們需要最大化PMUT接收到的從液體表面反射回的機械能量。我們需要構(gòu)建一個實驗設(shè)計（DoE），可以覆蓋足夠的設(shè)計空間以包含我們的最佳解決方案。具體而言，我們通過改變設(shè)計參數(shù)（如表1）以確定最佳設(shè)計。

表1：PMUT優(yōu)化之參數(shù)掃描

壓電層厚度和膜厚度均以0.1μm的步長從1.0μm掃描至2.5μm，總共產(chǎn)生256個設(shè)計仿真結(jié)果。圖4顯示了結(jié)果的一個子集，其中共振頻率與掃描參數(shù)相對應(yīng)。在原型設(shè)計之前，這些結(jié)果為我們給定的環(huán)境條件提供了設(shè)計的最佳尺寸。在這種情況下，仿真結(jié)果表明，由于空氣損耗，反射波的能量在較低頻率下是最佳的。我們選擇壓電層厚度為1.2μm和膜厚度為1.2μm，在該條件下可產(chǎn)生122kHz的低諧振頻率，同時保持在制造工藝能力所限制的范圍內(nèi)。使用傳統(tǒng)的FEA軟件工具難以探索這種尺寸的設(shè)計空間，這也是我們這次選擇OnScale進行分析的原因之一。

圖4：PMUT優(yōu)化之諧振頻率（來源：OnScale）

設(shè)計模擬前端

圖5顯示了此設(shè)計的模擬前端。在S-Edit中捕獲PMUT的原理圖，其使用的電壓源的屬性和參數(shù)與FEA研究的輸出相匹配。

圖5：PMUT換能器的模擬前端