專利名稱：一種電容式微加工超聲傳感器及其制備與應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電容式微加工超聲傳感器及其制備與應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
超微低壓傳感器主要用于微小壓力的測量，其在工業(yè)控制、環(huán)保設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、 航空航天以及軍事武器等領(lǐng)域均有迫切的需求和廣泛的應(yīng)用，因而對該類傳感器的研究具有極其重要的實用價值。目前,基于MEMS((MicroElectro-Mechanical Systems,微型機(jī)械電子系統(tǒng))技術(shù)的硅微微壓傳感器在壓力傳感器領(lǐng)域已占統(tǒng)治地位，并得到商業(yè)化的廣泛應(yīng)用。硅微微壓傳感器按其工作原理，主要可分為以下三種壓阻式、電容式以及諧振式。壓阻式微壓傳感器主要利用硅的壓阻效應(yīng)，通過電壓變化來測量壓力大小。雖然其輸出與輸入具有良好的線性關(guān)系，但硅薄膜中力敏電阻的溫度敏感性要求傳感器必須實行溫度補償，增加測量的復(fù)雜性，同時硅膜中惠斯登電橋的集成致使其薄膜厚度難以在保證測量精度的條件下進(jìn)一步減小，進(jìn)而難以進(jìn)一步降低量程，提高靈敏度。電容式硅微壓力傳感器利用電容極距變化將壓力變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，有著溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高、功耗低、進(jìn)一步微型化變得相對簡單等一系列優(yōu)點，但其輸出與輸入的線性度較差。諧振式硅微壓力傳感器是利用諧振梁的固有頻率隨施加軸向力的改變而改變來實現(xiàn)壓力測量的，雖然其測量精度、穩(wěn)定性和分辨力都優(yōu)于以上兩種，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大。目前，硅微微壓力傳感器的量程主要在IOOOPa左右，最小的可達(dá)300Pa。由于上述結(jié)構(gòu)自身的限制，致使其難以進(jìn)一步實現(xiàn)更低量程與更高靈敏度的超低微壓測量。因而本文欲將一種基于MEMS技術(shù)更具有結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢的 CMUT (Capactive Micromachined Ultrasonic Transducer,電容式微加工超聲傳感器)用于超微壓力測量。CMUT是MEMS技術(shù)的重要研究方向之一，它具有良好的機(jī)電特性、更小的薄膜質(zhì)量、更高的共振頻率(可達(dá)幾十MHz)和品質(zhì)因子(可達(dá)幾百)等特點，這為進(jìn)一步實現(xiàn)更高靈敏度和更小量程壓力的測量提供可能；其結(jié)構(gòu)簡單、易加工、易陣列、 易集成等特點為低成本、短周期、高效化批量生產(chǎn)以及復(fù)雜電路集成提供諸多優(yōu)勢。目前， CMUT主要用于超聲成像、生化物質(zhì)檢測等方面，在超低微壓測量領(lǐng)域的研究還未見相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電容式微加工超聲傳感器及其制備與應(yīng)用方法，將電容式微加工超聲傳感器應(yīng)用于微小壓力測量，以解決目前超低微壓測量領(lǐng)域的難題，實現(xiàn)靈敏度高于150Hz/Pa和量程低于300Pa的超低微壓測量。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種電容式微加工超聲傳感器，其整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為單晶硅振動薄膜、二氧化硅支柱，以及單晶硅基座，其中，所述二氧化硅支柱中間的部分為空腔，所述單晶硅振動薄膜的中間部分經(jīng)硼離子重?fù)诫s形成上電極，所述單晶硅基座的中間部分經(jīng)硼離子重?fù)诫s形成下電極，上電極和下電極的橫向尺寸小于或等于空腔的橫向尺寸且大于空腔橫向尺寸的一半。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述單晶硅振動薄膜的厚度為0. 06 0. 12um ；作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述單晶硅振動薄膜的有效振動薄膜橫向尺寸為 5 15 ym，所述有效振動薄膜為空腔以上的振動薄膜部分；作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述空腔的橫向尺寸與有效振動薄膜的橫向尺寸相等，為5 15 ii m，空腔高度與二氧化硅支柱相等，為0. 08 0.15 ii m ;作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述上電極和下電極的電阻率小于10_3Q - Cl一種電容式微加工超聲傳感器的制備方法，包括以下步驟(I)取〈111〉晶向單晶硅，采用局部離子注入技術(shù)在單晶硅中部注入硼離子，使其電阻率小于10_3Q Cm，其中，重?fù)诫s單晶硅部分形成下電極，其余部分為CMUT基座；(2)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積此處是否需要該技術(shù)的英文縮寫=PECVD技術(shù)在CMUT基座上沉積二氧化硅層，然后光刻該二氧化硅層，形成空腔圖形窗口，接著用緩沖刻蝕液刻蝕掉暴露于圖形窗口中二氧化硅層，剩余的二氧化硅層形成二氧化硅支柱，最后米用化學(xué)機(jī)械拋光CMP技術(shù)對二氧化娃支柱的上表面進(jìn)行拋光,形成第一部分；(3)取SOI晶片，采用干法氧化技術(shù)將SOI晶片的頂部單晶硅薄片的上表面進(jìn)行干法氧化形成二氧化硅層，其中氧化形成的二氧化硅層的厚度與生成二氧化硅層時所消耗的單晶硅薄片厚度之比為I : 0.44，未被氧化的部分稱為單晶硅層；(4)用緩沖刻蝕液將步驟(3)形成的二氧化硅層刻蝕掉，露出未被氧化的單晶硅層，然后，在單晶硅層的中部采用局部離子注入技術(shù)重?fù)诫s硼離子，使其電阻率小于 IO-3Q cm，其中，重?fù)诫s單晶硅部分形成上電極，最后對單晶硅層的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，形成第二部分；(5)在真空環(huán)境下，將步驟(2)得到的第一部分和步驟(4)得到的第二部分進(jìn)行陽極鍵合，其中，第一部分的二氧化硅支柱的上表面與第二部分的頂部未被氧化單晶硅層的上表面進(jìn)行鍵合；因為SOI晶片有底部襯底硅、埋層二氧化硅和頂部單晶硅薄片之分，此處只說是第二部分單晶硅層是否無法區(qū)分襯底單晶硅和頂部單晶硅層。(6)將步驟(5)得到的器件采用濕法刻蝕自上而下依次去除SOI晶片的襯底單晶硅和80%的埋層二氧化硅，然后再用緩沖刻蝕液刻蝕剩余20%的埋層二氧化硅?！N電容式微加工超聲傳感器的應(yīng)用方法，所述電容式微加工超聲傳感器用于實現(xiàn)靈敏度高于150Hz/Pa和量程低于300Pa的超低微壓測量。本發(fā)明基于CMUT的超低微壓傳感器及其制備方法至少具有以下優(yōu)點(I)相對于壓阻式微壓傳感器，本發(fā)明CMUT振動薄膜中無力敏電阻及電路的集成，薄膜厚度和質(zhì)量均可以進(jìn)一步減小，從而可以實現(xiàn)更高靈敏度和更小量程壓力的測量。(2)相對于電容式微壓傳感器，本發(fā)明采用共振頻率的偏移來測量壓力的變化，因而輸入與輸出量之間保持著更好的線性關(guān)系。(3)相對于諧振式微壓力傳感器，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工難度小，適于批量生產(chǎn)，易于集成。(4)由于本發(fā)明CMUT結(jié)構(gòu)只由單晶硅和二氧化硅兩種測量材料組成，而這兩種材料膨脹系數(shù)相同，因而結(jié)構(gòu)適用于高溫環(huán)境，其熱膨脹系數(shù)非常相近(其中二氧化硅熱膨脹系數(shù)為2.3X10_6/°C，單晶硅為2.6X10_6/°C )，因此該結(jié)構(gòu)還可用于高溫環(huán)境中微小壓力的測量。


圖I為本發(fā)明基于CMUT的超低微壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明傳感器的制備工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種電容式微加工超聲傳感器及其制備與應(yīng)用方法做詳細(xì)描述請參閱附圖I,本發(fā)明一種電容式微加工超聲傳感器的整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為 單晶硅振動薄膜I、二氧化硅支柱2、空腔6以及單晶硅基座3。其中，單晶硅振動薄膜I中部經(jīng)硼離子重?fù)诫s區(qū)域形成上電極4，也即振動薄膜I同時用作CMUT上電極，上電極4與振動薄膜I為一體化結(jié)構(gòu)；單晶硅基座3中部經(jīng)硼離子重?fù)诫s區(qū)域形成CMUT下電極5，也即單晶娃基座3同時用作下電極,下電極5與基座3為一體化結(jié)構(gòu)。所述單晶硅振動薄膜I除用于CMUT振動薄膜外，還用于上電極。一方面薄膜厚度應(yīng)盡量小，以減小薄膜質(zhì)量，進(jìn)而提高CMUT的靈敏度，實現(xiàn)更小量程壓力測量；另一方面，厚度太小將增加串聯(lián)電阻，影響上電極4的導(dǎo)電性能；因此薄膜厚度范圍應(yīng)為0. 06 0. 12um。另外，根據(jù)薄膜振動頻率的理論計算公式可知，要獲得高的共振頻率，應(yīng)盡量減小表面半徑，因此本發(fā)明中振動薄膜I的有效振動薄膜橫向尺寸范圍為5 y m 15 y m，有效振動薄膜區(qū)域即為振動薄膜I的空腔6以上或未與二氧化硅支柱2鍵合的薄膜部分。上電極 4的橫向尺寸應(yīng)小于或等于空腔6橫向尺寸，但應(yīng)等于或大于其橫向尺寸一半，以減小寄生電容，增大耦合系數(shù)為設(shè)計原則。所述空腔6為圓形或多邊形，其橫向尺寸與有效振動薄膜橫向尺寸相同，其尺寸范圍為5iim 15 iim，高度與二氧化硅支柱2的高度相同。所述二氧化硅支柱2的高度盡量小，以減小空腔高度，增大耦合系數(shù)，進(jìn)而提高靈敏度，其高度范圍為0. 08 0. 15 Um0所述單晶硅基座3除用作整個CMUT結(jié)構(gòu)的底座外，其中部經(jīng)硼離子重?fù)诫s后還用作下電極5，下電極5與單晶硅基座3為一體化結(jié)構(gòu)。下電極5的橫向尺寸應(yīng)小于或等于空腔6橫向尺寸，但應(yīng)等于或大于其橫向尺寸一半，以減小寄生電容，增大耦合系數(shù)為設(shè)計原則。所述上電極4及下電極5經(jīng)硼離子重?fù)诫s后電阻率應(yīng)小于10_4Q cm,以減小串聯(lián)電阻，降低功耗。所述上電極4、下電極5以及空腔6形狀相同，同軸且關(guān)于中心軸對稱。所述振動薄膜I、單晶硅基座3的材料為單晶硅，支柱2的材料為二氧化硅，這兩種材料線性熱膨脹系數(shù)非常接近，因而該結(jié)構(gòu)滿足高溫環(huán)境中微小壓力測量的要求。
本發(fā)明傳感器，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下空腔高度0.08 0. 15 iim
振動薄膜厚度0. 06 0. 12um有效振動薄膜橫向尺寸5lim 15iim。下面結(jié)合附圖2，對本發(fā)明一種電容式微加工超聲傳感器的制備工藝流程進(jìn)行詳細(xì)描述 (I)取〈111〉晶向單晶硅，并采用局部離子注入技術(shù)在單晶硅中部注入硼離子，使其電阻率小于10_3Q Cm，其中重?fù)诫s單晶硅部分形成下電極5，下電極5同時與其余未摻雜單晶硅一起形成CMUT基座3 ;取SOI晶片，頂部單晶硅薄片厚度為150nm。(2)米用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,簡稱PECVD)技術(shù)在CMUT基座3上沉積二氧化硅層，嚴(yán)格控制二氧化硅層的厚度，以精確控制由二氧化硅形成的空腔支柱的高度，進(jìn)而精確控制整個結(jié)構(gòu)空腔的高度；采用干法氧化技術(shù)將SOI晶片頂部單晶硅薄片8上表面進(jìn)行干法氧化形成二氧化硅層，SOI晶片頂部單晶硅薄片8中未被氧化的單晶硅層形成單晶硅層10，其中氧化形成的二氧化硅層的厚度與生成二氧化硅層時所消耗的單晶硅薄片厚度之比為I : 0.44。(3)光刻CMUT基座3上層的二氧化硅層形成空腔圖形窗口，采用20 I的緩沖刻蝕液以最短的時間完全刻蝕掉暴露于圖形窗口中二氧化硅層，剩余的二氧化硅層則形成二氧化硅支柱2;同時用20 I的緩沖刻蝕液以最短的時間刻蝕掉右側(cè)SOI晶片上的二氧化娃層，露出單晶娃層10的上表面。(4)采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)對左側(cè)二氧化硅支柱2的上表面進(jìn)行拋光；在右側(cè)單晶硅層10的中部采用局部離子注入技術(shù)重?fù)诫s硼離子，使其電阻率小于10_3Q Cm，其中重?fù)诫s單晶硅部分形成上電極4，上電極4同時與其余未摻雜單晶硅一起形成CMUT振動薄膜I，然后再對薄膜I的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。(5)在真空環(huán)境下，將左側(cè)二氧化硅支柱2的上表面與右側(cè)振動薄膜I的上表面進(jìn)行陽極鍵合，其中SOI晶片在上，基座3在下。(6)采用濕法刻蝕自上而下依次去除SOI的襯底單晶硅和80%的埋層二氧化硅， 然后再用20 I的緩沖刻蝕液以最短的時間刻蝕剩余20%埋層二氧化硅，以保證振動薄膜 I的表面平滑度。本發(fā)明一種電容式微加工超聲傳感器，應(yīng)用于壓力測量領(lǐng)域，其工作原理為在工作電壓(偏置直流電壓)作用下，CMUT薄膜因受到靜電引力而發(fā)生變形，向基底靠攏，此時再施加一定頻率的交流信號，CMUT薄膜將產(chǎn)生與信號頻率相同的強迫振動，改變交流信號的頻率，當(dāng)該輸入頻率等于CMUT結(jié)構(gòu)自身固有頻率時，CMUT將發(fā)生共振。在無壓力作用時 CMUT的共振頻率為結(jié)構(gòu)自身的固有頻率，當(dāng)有壓力作用其薄膜上時，CMUT的共振頻率將會發(fā)生相應(yīng)的偏移，不同的壓力對應(yīng)著不同頻率偏移，在一定范圍內(nèi)壓力和頻移保持著良好的線性關(guān)系A(chǔ)f = kP或P = A f/k。其中A f為加壓后CMUT的共振頻率f相對于固有共振頻率fo的頻移，即A f = f0-f,其單位為Hz ；k為傳感器靈敏度，單位為Hz/Pa ；P為被測壓力值，單位為Pa。因此通過CMUT共振頻率的變化即可計算出對應(yīng)的壓力值。本發(fā)明一種電容式微加工超聲傳感器應(yīng)用于壓力測量領(lǐng)域時，其具體應(yīng)用方法為通過仿真分析和實驗手段共同確定CMUT的最佳工作點，即偏置直流電壓(一般為塌陷電壓的80% 90% )，同時確定固有諧振頻率以及該頻率點的交流信號，交流信號的電壓幅值與偏置電壓之和應(yīng)小于CMUT塌陷電壓，以耦合系數(shù)最大為原則。在所確定偏置直流電壓和諧振頻率交流信號激勵下，CMUT發(fā)生諧振，將其置于微小壓力環(huán)境中，由于壓力作用在 CMUT振動薄膜上，改變CMUT振動狀態(tài)，失去諧振，此時調(diào)節(jié)交流信號頻率，使CMUT再次發(fā)生諧振，記錄該諧振頻率，計算固有諧振頻率與該壓力作用下的諧振頻率差△ f，再由壓力和頻移之間的函數(shù)關(guān)系P = A f/k，即可求得所測壓力值，實現(xiàn)壓力測量。本發(fā)明不限于以上所述實施方式，在條件和技術(shù)允許條件下，單晶硅振動薄膜I 還可不采用SOI晶片通過氧化工藝減薄頂部單晶硅薄片厚度的方法，直接選用頂部單晶硅薄片符合振動薄膜I厚度要求的SOI晶片；其次振動薄膜I的材料還可選用多晶硅，以提高薄膜機(jī)械性能和減小厚度、質(zhì)量為原則。空腔6及上電極4、下電極5的形狀除以上所述形狀外以及相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)實際應(yīng)用情況靈活選取，以增大有效電容、提高耦合系數(shù)與靈敏度為設(shè)計原則。在應(yīng)用于高溫環(huán)境時，由于重?fù)诫s單晶硅的導(dǎo)電性能根據(jù)溫度而變化， 因而應(yīng)根據(jù)不同的溫度情況，采用適宜的工作電壓，以保證傳感器對微小壓力的準(zhǔn)確測量。 另外，本結(jié)構(gòu)中上電極4與下電極5之間無電隔絕層，因此要在后續(xù)測量電路設(shè)置相應(yīng)的過流保護(hù)電路，防止薄膜發(fā)生塌陷后對結(jié)構(gòu)自身以及其他相關(guān)設(shè)備的損壞。本發(fā)明一種基于CMUT的超微壓力傳感器的主要性能指標(biāo)如下測量范圍0 IOOPa
測量精度優(yōu)于2% FS靈敏度l80Hz/Pa工作溫度-50 300°C以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種電容式微加工超聲傳感器，其特征在于其整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為單晶硅振動薄膜(I)、二氧化硅支柱(2)，以及單晶硅基座(3)，其中，所述二氧化硅支柱(2)中間的部分為空腔￠)，所述單晶硅振動薄膜(I)的中間部分經(jīng)硼離子重?fù)诫s形成上電極，所述單晶硅基座(3)的中間部分經(jīng)硼離子重?fù)诫s形成下電極，上電極和下電極的橫向尺寸小于或等于空腔(6)的橫向尺寸且大于空腔(6)橫向尺寸的一半。
2.如權(quán)利要求I所述的一種電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述單晶硅振動薄膜(I)的厚度為O. 06 O. 12um。
3.如權(quán)利要求I所述的一種電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述單晶硅振動薄膜(I)的有效振動薄膜橫向尺寸為5 μ m 15 μ m,所述有效振動薄膜為空腔(6)以上的振動薄膜部分。
4.如權(quán)利要求3所述的一種電容式微加工超聲傳感器,其特征在于所述空腔(6)的橫向尺寸與有效振動薄膜的橫向尺寸相等，為5 15 μ m,空腔(6)高度與二氧化娃支柱(2)相等，為 O. 08 O. 15 μ m。
5.如權(quán)利要求I所述的一種電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述上電極和下電極的電阻率小于10_3Ω · Cm。
6.一種電容式微加工超聲傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)取〈111〉晶向單晶硅，采用局部離子注入技術(shù)在單晶硅中部注入硼離子，使其電阻率小于10_3Ω · Cm，其中，重?fù)诫s單晶硅部分形成下電極(5)，其余部分為CMUT基座(3)；(2)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)在CMUT基座(3)上沉積二氧化硅層，然后光刻該二氧化硅層，形成空腔圖形窗口，接著用緩沖刻蝕液刻蝕掉暴露于圖形窗口中二氧化硅層，剩余的二氧化硅層形成二氧化硅支柱(2)，最后采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)對二氧化硅支柱(2)的上表面進(jìn)行拋光，形成第一部分；(3)取SOI晶片，采用干法氧化技術(shù)將SOI晶片的頂部單晶硅薄片的上表面進(jìn)行干法氧化形成二氧化硅層，其中氧化形成的二氧化硅層的厚度與生成二氧化硅層時所消耗的單晶硅薄片厚度之比為I : O. 44，未被氧化的部分稱為單晶硅層；(4)用緩沖刻蝕液將步驟(3)形成的二氧化硅層刻蝕掉，露出未被氧化的單晶硅層，然后，在單晶硅層的中部采用局部離子注入技術(shù)重?fù)诫s硼離子，使其電阻率小于10_3Ω · cm,其中，重?fù)诫s單晶硅部分形成上電極(4)，最后對單晶硅層的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，形成第二部分；(5)在真空環(huán)境下，將步驟(2)得到的第一部分和步驟(4)得到的第二部分進(jìn)行陽極鍵合，其中，第一部分的二氧化硅支柱(2)的上表面與第二部分的單晶硅層的上表面進(jìn)行鍵合；(6)將步驟(5)得到的器件采用濕法刻蝕自上而下依次去除SOI晶片的襯底單晶硅和80%的埋層二氧化硅，然后再用緩沖刻蝕液刻蝕剩余20%的埋層二氧化硅。
7.—種如權(quán)利要求I所述的電容式微加工超聲傳感器的應(yīng)用方法，其特征在于所述電容式微加工超聲傳感器用于實現(xiàn)靈敏度高于150Hz/Pa和量程低于300Pa的超低微壓測量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電容式微加工超聲傳感器及其制備與應(yīng)用方法，其整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為單晶硅振動薄膜、二氧化硅支柱，以及單晶硅基座，其中，所述二氧化硅支柱中間的部分為空腔，所述單晶硅振動薄膜的中間部分經(jīng)硼離子重?fù)诫s形成上電極，所述單晶硅基座的中間部分經(jīng)硼離子重?fù)诫s形成下電極，上電極和下電極的橫向尺寸小于或等于空腔的橫向尺寸且大于空腔橫向尺寸的一半。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工難度小、適用于批量生產(chǎn)；本發(fā)明的振動薄膜中無力敏電阻及電路的集成，薄膜厚度和質(zhì)量均可進(jìn)一步減小，從而實現(xiàn)更高靈敏度和更小量程壓力的測量；本發(fā)明采用共振頻率的偏移來測量壓力的變化，因而輸入與輸出量之間保持著更好的線性關(guān)系。
文檔編號G01L9/00GK102620878SQ20121006876
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者李支康, 苑國英, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波 申請人:西安交通大學(xué)