电容式MEMS超声传感器设计与分析.pdf

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1、2014年第33卷第l1期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)73DOI：10．13873／J．1000-9787(2014)l1--0073--03电容式MEMS超声传感器设计与分析李玉平，何常德，张娟婷，张慧，宋金龙，薛晨阳(1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051；2．中北大学测试技术重点实验室，山西太原030051)摘要：目前电容式MEMS超声传感器(CMUS)多为收发一体结构，但二种工作模式对传感器结构要求存在很大差异，设计时为了兼顾收发性能往往不能使传感器性能达到最优

2、；此外，传统的电容式MEMS超声传感器还存在寄生电容大的缺点。针对以上问题，基于收发分离的思想，设计了一种专用作超声接收的MEMS电容式传感器，结构上采用上下电极引线互错，单元间电极联线交错的方式来减小寄生电容。通过理论分析和ANSYS仿真得到所设计传感器的最佳工作电压为586V，灵敏度为174．2fF／Pa，满足现有超声接收传感器的应用要求。关键词：电容式MEMS超声传感器；接收传感器；ANSYS；寄生电容；灵敏度中图分类号：TN552文献标识码：A文章编号：1000-9787(2014)11-0073-03D‘andanal"0ftcitive⋯’Sult

3、rDesitmandanalysiscapacitiveMEMultrasonicsensor．)ILIYu一ping一，HEChang-deZHANGJuan—tingZHANGHuiSONGJin-longXUEChen-yang’，，，，(1．KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement，MinistryofEducation，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China；2．KeyLaboratoryofScienceandTechnologyo

4、nElectronicTest&Measurement．NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)Abstract：Atpresent，mostofcapacitiveMEMSultrasonicsensor(CMUS)areusedforbothtransmissionandreceiving，butthereisabigdifferenceonstructureofthetwooperatingmodes，SOtheperformancecannotobtainoptimalunderconsiderationo

5、ftransmittingandreceivingpropertiesinstructuredesign．Moreover，parasiticcapacitanceoftraditionalCMUSisrelativelybig．Inordertosolvetheseproblems，basedontheideaoftransmit—receiveseparatemode，designaCMUSwhichisonlyusedforultrasonicreceiving．Theleadsoftopandbottomelectrodesarestaggerwith

6、eachotherandtheconnectinglinebetweenintercellsareinacrossstaggermannertoreducetheparasiticcapacitance．TheoreticalanalysisandANSYSsimulationshowthatthebestworkingvoltageis586Vandsensitivityis174．2fF／Pa，whichmeetstherequirementsofcurrentultrasonicreceivingsensor．Keywords：CMUS；receivin

7、gsensor；ANSYS；parasiticcapacitance；sensitivity0引言器是用来在介质中发射一定频率的超声波，它强调的是发基于微机电系统(MEMS)技术制备的器件具有体积射声压要大，因此，应选择较大的空腔高度；而接收传感器小、重量轻、功耗低、集成度高等优点J，将MEMS引入电是用来检测微小信号的，强调的是高灵敏度，所以，应选择容超声传感探测与成像领域是现阶段超声传感领域的一个较小的空腔高度，二者相互制约。此外，传统的电容式热点。利用MEMS技术制作的电容式超声传感器(CMUS)MEMS超声传感器往往存在寄生电容大的缺点，当寄生电具有尺

8、寸小、自身噪声低、工作温度范围宽、制作