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

了解系統

我們正在開發一種槽罐液位監測系統。該系統可以安裝在啤酒廠、釀酒廠和其他飲料廠的物聯網邊緣設備中，用以收集液位的狀態，并可主動通知技術人員是否存在任何問題（例如泄漏）。我們對系統進行了改良（圖1），利用壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）來監測水箱中的液位，并定期將測量結果上傳到網關設備中。

圖1：槽罐液位監測系統框圖

壓電MEMS超聲波換能器在罐體中發射超聲波，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換為表示飛行時間（或液體深度兩倍）的積分電壓。模數轉換器（ADC）將該電壓轉換成數字信號，以作為運行軟件的微控制器的輸入。時鐘、PLL和振蕩器電路是數字電路的支持模塊，偏置電流發生器、電壓調節器和帶隙基準是模擬電路的支持模塊。射頻（RF）發送器將數據發送到網關。Arm Cortex-M3微控制器與模擬電路和RF發送器相連。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。它們能夠將電能轉換為機械能，并且在大多數情況下，還能將機械能轉換回電能。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用，但與其它競爭技術相比，傳統的超聲波換能器更笨重、更耗電、更昂貴。這限制了它們的應用，特別是在消費領域，但這種情況由于MEMS技術的應用而正在快速改變。

即將上市的新一代小型化超聲波換能器的功耗比前代產品低了一個數量級。沒有什么比當前我們開發并實施在系統中的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中產生聲波。當設計剛好為共振頻率時，PMUT可以用非常小的功率產生大量的能量。圖2顯示了PMUT橫截面示意圖，可以通過調整膜厚度和直徑大小來優化給定介質的共振頻率。PMUT可以使用成熟的硅基半導體制造工藝來生產。因而與許多競爭技術相比，它們可以適用于低成本的大批量應用，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完整的傳感系統。

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設計的第一步，我們使用被稱作“有限元分析（FEA）”的技術來進行PMUT仿真。通過有限元分析，可以將描述結構行為的復雜的微分方程轉換為代數表達式，以簡化成數值求解。在設計中我們可以采用多種FEA方法：用于探索設計概念、執行設計性能的功能驗證，以及優化設計。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雜的問題。

FEA工具依賴于將仿真結構劃分為低階有限元或網格來近似求解。此過程通過自動網格函數的輔助，可有效地對結構進行分區。在需要的地方進行網格細化，設計人員可以獲得一組精確的仿真結果。通過將網格與來自電、機械和熱域的其他信息相結合，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

·效率

·脈沖回波響應

·串擾

·帶寬

·材料特性

·機械沖擊

·粘合效應

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

設計傳感器

使用諸如FEA的仿真技術，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。最基本的挑戰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生的應力在小空間的梯度，就得在長路徑（例如10-250波長）上部署精細網格（例如每波長8-12個單元）。結果將產生高效仿真網格所需的大量單元。OnScale具有高效的求解器和先進的混合網格技術，因而非常適合這種尺寸的模型。

本文設計的PMUT的單個換能器3D建模結構如下：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）

為了優化本設計，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。我們需要構建一個實驗設計（DoE），可以覆蓋足夠的設計空間以包含我們的最佳解決方案。具體而言，我們通過改變設計參數（如表1）以確定最佳設計。

表1：PMUT優化之參數掃描

壓電層厚度和膜厚度均以0.1μm的步長從1.0μm掃描至2.5μm，總共產生256個設計仿真結果。圖4顯示了結果的一個子集，其中共振頻率與掃描參數相對應。在原型設計之前，這些結果為我們給定的環境條件提供了設計的最佳尺寸。在這種情況下，仿真結果表明，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。使用傳統的FEA軟件工具難以探索這種尺寸的設計空間，這也是我們這次選擇OnScale進行分析的原因之一。

圖4：PMUT優化之諧振頻率（來源：OnScale）

設計模擬前端

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

圖5：PMUT換能器的模擬前端