如何設(shè)計壓電MEMS超聲波換能器產(chǎn)品

本文為OnScale與Mentor合作推出，由行業(yè)專家撰寫，文章詳細(xì)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(jìn)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(jī)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(zhǔn)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(jī)械能，并且在大多數(shù)情況下，還能將機(jī)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)行分區(qū)。在需要的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)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(jī)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(jī)械學(xué)、壓電、壓阻、阻尼效應(yīng)和其他特性?？梢詾槌暡〒Q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?dāng)_? 帶寬? 材料特性? 機(jī)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(qiáng)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(dāng)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(xì)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(jìn)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(biāo)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(dāng)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(jī)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(jìn)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換能器的模擬前端當(dāng)微控制器設(shè)置SR鎖存器時，飛行時間（ToF）功能啟動，SR鎖存器開始在采樣保持積分器上累積電荷。同時，微控制器按PMUT設(shè)計的諧振頻率產(chǎn)生一系列脈沖（122kHz）。因為核心電源電壓為2.5V，而根據(jù)PMUT的要求必須升高至32V，所以使用電荷泵DC-DC轉(zhuǎn)換器和數(shù)字電平轉(zhuǎn)換器將脈沖放大至32V。換能器接收到信號脈沖，在罐體中產(chǎn)生壓力波，并在液體界面處反射回來（圖6）。PMUT探測到該反射波后，在膜上產(chǎn)生峰值幅度約為500μV的電壓信號，該信號的延遲時間取決于壓力波傳播到液位頂部所需的時間和反射回PMUT的時間。

圖6：罐內(nèi)波傳播仿真（來源：OnScale）設(shè)計選用的儀表放大器的增益為70dB，放大器將PMUT信號放大并將其反饋至施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器內(nèi)置有遲滯功能，當(dāng)放大的反射信號上升到閾值電壓（VREF）1.25V以上時，會將SR鎖存器復(fù)位。鎖存器復(fù)位時還會鎖定采樣保持積分器，在壓力波穿過罐體中的空氣層并返回到PMUT所需的時間內(nèi)，該采樣保持積分器已在其輸出電容器上累積了電荷。在微控制器之前的ADC會將積分器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成到數(shù)字信號，該數(shù)值與飛行時間線性相關(guān)，并且可通過減法來計算罐內(nèi)的液位。執(zhí)行初始系統(tǒng)仿真啟動仿真時，S-Edit先創(chuàng)建完整的Verilog-AMS網(wǎng)表并將其傳遞給T-Spice。T-Spice自動添加模擬/數(shù)字連接模塊，然后對設(shè)計進(jìn)行分區(qū)仿真。T-Spice對SPICE和Verilog-A進(jìn)行模擬仿真并將RTL發(fā)送到ModelSim進(jìn)行數(shù)字仿真。兩個仿真器都能自動調(diào)用，并且在仿真過程中，只要模擬/數(shù)字邊界發(fā)生信號變化，信號值就會在仿真器之間來回傳遞。這意味著，無論設(shè)計使用何種語言，設(shè)計人員都可以從S-Edit驅(qū)動仿真，并且設(shè)計會在仿真器之間自動分區(qū)。然后，設(shè)計人員可以使用ModelSim和T-Spice波形查看器進(jìn)行結(jié)果交互。圖7顯示了仿真的結(jié)果。

圖7：初始系統(tǒng)仿真結(jié)果第一個綠色波形顯示為頻率在122kHz的高壓脈沖。接下來，PMUT響應(yīng)大約發(fā)生在初始脈沖后1.2ms，紅色波形顯示其在儀表放大器的輸入。假設(shè)空氣中的聲速為343m/s，這相當(dāng)于液位在低于滿位的21cm處。第三個紫色波形顯示為SR鎖存器的輸出，當(dāng)PMUT輸出電壓超過400μV（放大之前）時被觸發(fā)。最后藍(lán)色波形顯示為積分器的輸出，輸出先隨電壓的線性增加，直到SR鎖存器觸發(fā)使積分器保持。通過8位ADC將輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后發(fā)送到微控制器計算液位。對于此設(shè)計，假定罐體總深度為2.1m。然后可以計算出最大的飛行時間為12.2ms，隨后對應(yīng)產(chǎn)生積分器輸出為2.17V。這與設(shè)計所選ADC的最大輸入電壓（2.2V）接近。對于不同尺寸的儲存容器，儀表放大器的增益可以相應(yīng)調(diào)整。開發(fā)軟件在微控制器上運行軟件，包括代碼，并周期性地將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為液體深度，并向監(jiān)控系統(tǒng)報告任何顯著的液位變化。假設(shè)積分器和ADC近似線性相關(guān)，則可以使用線性斜率和截距將ADC的輸出轉(zhuǎn)換為時間。這些值先仿真，然后通過測量模擬仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。用飛行時間乘以空氣中的聲速（343m/s）可轉(zhuǎn)換為空氣的高度。最后，液位即為總罐體深度減去空氣的高度。執(zhí)行實際的系統(tǒng)仿真因為我們已經(jīng)驗證了MEMS換能器，并且我們希望能顯著節(jié)省仿真時間，我們使用Verilog行為模型來替代傳感器（圖8），該模型使用離散的仿真時間代替連續(xù)模擬采樣來進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

圖8：PMUT仿真替代模型該模型與模擬傳感器行為非常匹配，為了更快地系統(tǒng)仿真，每隔1μs進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，盡管ADC每次轉(zhuǎn)換需要12μs。圖9顯示了系統(tǒng)的仿真結(jié)果。記錄欄（A）顯示液位變化警告，波形（B）顯示與泄漏對應(yīng)的液位和聲傳感器值。系統(tǒng)大部分仿真時間處于休眠狀態(tài)，定期醒來獲取深度讀數(shù)（C）。

圖9：系統(tǒng)仿真結(jié)果

下一步接下來的步驟就是完善系統(tǒng)為其充實模擬部分，比如添加RF收發(fā)器、通信模塊和設(shè)備ID以便連接到Internet。另外，為系統(tǒng)和Web開發(fā)復(fù)雜的軟件，以拓展更多的可能性，包括潛在的：雙向通信（指導(dǎo)系統(tǒng)行動）、無線軟件更新、預(yù)防性維護(hù)和云服務(wù)。我們也可以更進(jìn)一步，為系統(tǒng)添加溫度傳感器，以更好地校準(zhǔn)測量結(jié)果。