压电MEMS超声波换能器设计—从概念验证到产品

本文为OnScale与Mentor合作推出，由行业专家撰写，文章详细介绍了压电MEMS超声波换能器产品的设计过程，包括传感器的仿真、设计以及它与整个系统的集成。

了解系统

我们正在开发一种槽罐液位监测系统。该系统可以安装在啤酒厂、酿酒厂和其他饮料厂的物联网边缘设备中，用以收集液位的状态，并可主动通知技术人员是否存在任何问题（例如泄漏）。我们对系统进行了改良（图1），利用压电MEMS超声波换能器（PMUT）来监测水箱中的液位，并定期将测量结果上传到网关设备中。

图1：槽罐液位监测系统框图

压电MEMS超声波换能器在罐体中发射超声波，然后测量被液体表面反射的波，从而得到一个很小的模拟机械波（需要放大）。发射波与反射波之间的时间差与液体的距离成正比。模拟前端（AFE）将MEMS波形放大并将信号转换为表示飞行时间（或液体深度两倍）的积分电压。模数转换器（ADC）将该电压转换成数字信号，以作为运行软件的微控制器的输入。时钟、PLL和振荡器电路是数字电路的支持模块，偏置电流发生器、电压调节器和带隙基准是模拟电路的支持模块。射频（RF）发送器将数据发送到网关。Arm Cortex-M3微控制器与模拟电路和RF发送器相连。如果将来我们计划增加温度传感器，还需要多路复用器，但对于本白皮书，我们不考虑这两个元素。

了解传感器

据麦姆斯咨询介绍，超声波换能器使用超声波来探测传感器与其他物体之间的距离。它们能够将电能转换为机械能，并且在大多数情况下，还能将机械能转换回电能。正是这种功能的二元性使得超声波换能器可以向物体或界面发射压力波，并可以在这些波被反射回源时探测它们。虽然在日常生活中有着广泛的应用，但与其它竞争技术相比，传统的超声波换能器更笨重、更耗电、更昂贵。这限制了它们的应用，特别是在消费领域，但这种情况由于MEMS技术的应用而正在快速改变。

即将上市的新一代小型化超声波换能器的功耗比前代产品低了一个数量级。没有什么比当前我们开发并实施在系统中的PMUT更合适的例子了。PMUT由一个悬浮在腔体上的压电薄膜组成，压电薄膜通常为锆钛酸锌（PZT）或氮化铝（AlN）材料。当在膜上施加电脉冲时，膜会振动并直接在它接触的介质中产生声波。当设计刚好为共振频率时，PMUT可以用非常小的功率产生大量的能量。图2显示了PMUT横截面示意图，可以通过调整膜厚度和直径大小来优化给定介质的共振频率。PMUT可以使用成熟的硅基半导体制造工艺来生产。因而与许多竞争技术相比，它们可以适用于低成本的大批量应用，更重要的是，它们还可以与CMOS无缝集成，从而在一颗芯片上实现完整的传感系统。

图2：PMUT换能器的横截面示意图（来源：OnScale）

使用有限元分析进行PMUT仿真

PMUT设计的第一步，我们使用被称作“有限元分析（FEA）”的技术来进行PMUT仿真。通过有限元分析，可以将描述结构行为的复杂的微分方程转换为代数表达式，以简化成数值求解。在设计中我们可以采用多种FEA方法：用于探索设计概念、执行设计性能的功能验证，以及优化设计。FEA可以探究真实世界里非理想几何形状、制造加工和材料属性的变化，非常适合处理边界条件复杂的问题。

FEA工具依赖于将仿真结构划分为低阶有限元或网格来近似求解。此过程通过自动网格函数的辅助，可有效地对结构进行分区。在需要的地方进行网格细化，设计人员可以获得一组精确的仿真结果。通过将网格与来自电、机械和热域的其他信息相结合，耦合的场模块可用于同时求解静电、耦合电机械学、压电、压阻、阻尼效应和其他特性。

可以为超声波换能器仿真许多重要的器件特性，包括：

·电阻抗

·振型

·压力和位移水平

·波束图形

·指向性指数

·效率

·脉冲回波响应

·串扰

·带宽

·材料特性

·机械冲击

·粘合效应

我们此次设计使用的多物理FEA工具为OnScale。OnScale功能强大且支持云技术，它不仅提供上述所有功能，并且可在云计算基础架构上大规模并行处理它们，将设计研究从几周缩短到几小时内完成。当然COMSOL、ANSYS也可以胜任。

设计传感器

使用诸如FEA的仿真技术，在对压电MEMS超声波换能器的特性仿真时，需要解决一系列独特的挑战。最基本的挑战之一是确定所需计算域的相对大小。要精确地捕捉波传播时所产生的应力在小空间的梯度，就得在长路径（例如10-250波长）上部署精细网格（例如每波长8-12个单元）。结果将产生高效仿真网格所需的大量单元。OnScale具有高效的求解器和先进的混合网格技术，因而非常适合这种尺寸的模型。

本文设计的PMUT的单个换能器3D建模结构如下：标称腔宽度为400μm、顶部电极直径为200μm，空腔深度为40μm。PMUT的激发是通过施加在膜顶部电极上的一系列电压脉冲。图3显示了当脉冲为32V时膜的形变程度。为了看得更清楚，形变有所夸大。

图3：电刺激期间PMUT膜的形变（来源：OnScale）

为了优化本设计，我们需要最大化PMUT接收到的从液体表面反射回的机械能量。我们需要构建一个实验设计（DoE），可以覆盖足够的设计空间以包含我们的最佳解决方案。具体而言，我们通过改变设计参数（如表1）以确定最佳设计。

表1：PMUT优化之参数扫描

压电层厚度和膜厚度均以0.1μm的步长从1.0μm扫描至2.5μm，总共产生256个设计仿真结果。图4显示了结果的一个子集，其中共振频率与扫描参数相对应。在原型设计之前，这些结果为我们给定的环境条件提供了设计的最佳尺寸。在这种情况下，仿真结果表明，由于空气损耗，反射波的能量在较低频率下是最佳的。我们选择压电层厚度为1.2μm和膜厚度为1.2μm，在该条件下可产生122kHz的低谐振频率，同时保持在制造工艺能力所限制的范围内。使用传统的FEA软件工具难以探索这种尺寸的设计空间，这也是我们这次选择OnScale进行分析的原因之一。

图4：PMUT优化之谐振频率（来源：OnScale）

设计模拟前端

图5显示了此设计的模拟前端。在S-Edit中捕获PMUT的原理图，其使用的电压源的属性和参数与FEA研究的输出相匹配。

图5：PMUT换能器的模拟前端

审核编辑：符乾江