一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法技术

技术编号:19742012 阅读:16 留言:0更新日期:2018-12-12 04:11
本发明专利技术公开了一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法,梳齿式超声传感器包括低单晶硅衬底,该衬底上有二氧化硅支柱层,支柱中心刻蚀形成有空腔,空腔上端面用SOI片键合形成密封层,通过抛光工艺将键合晶圆的SOI片硅衬底减薄至梳齿电极厚度,同时SOI片二氧化硅埋层形成二氧化硅绝缘层,通过重掺杂和DRIE工艺将键合晶圆顶端刻蚀出梳齿电极结构以及密封支柱层,再通过二次键合形成二氧化硅保护层,并保证梳齿电极结构处于真空域内。采用梳齿交流电极和梳齿直流电极激振CMUTs薄膜结构,通过对称布置的梳齿电极产生的径向拉压运动而形成的薄膜结构层的弯曲振动,因此相较于传统上、下电极直接加载交流电而产生振动的CMUTs结构,具有更高的品质因子。

【技术实现步骤摘要】
一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法
本专利技术属于MEMS技术和流体物性测量
,具体涉及一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法。
技术介绍
目前,用于流体密度测量的基本原理包括振动式、声速式、静压式、浮力式等。基于这些原理在进行实际流体密度测量时,往往都是提取样品后进行离线测量。众所周知,离线测量的检测环境与实际流体所处的环境有很大的差距,而这些环境误差将导致被测流体的密度发生变化,从而直接影响到实际的检测精度。与此同时,离线测量工作量大、耗时长,不利于高效率、高精度的密度检测。为了克服以上在实际流体密度测量过程中的问题,国内外学者开展了一系列的基于MEMS技术的微型密度传感器研究。其中,基于MEMS技术的矩形硅微悬臂梁振动测量传感器,实现密度测量精度小于1%,测量范围为600kg/m3至900kg/m3。由于其采用的是微悬臂梁结构,致使其在真空中的本征谐振频率(基频)不高(14kHz至57kHz),从而导致其密度检测的灵敏度也不高(–3Hz/(kg·m-3)至–6Hz/(kg·m-3))。同时,由于其激振方式为电磁激振,磁铁的存在也使得该传感器封装后的体积较大。常规的电容微加工超声传感器(CapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducers,CMUTs)虽然是基于MEMS技术研发的微型传感器,有尺寸小、机电性能好、易阵列、灵敏度高、噪声低等一些列优点,并且其基频高(1MHz至20MHz),密度测量灵敏度高(-1000Hz/(kg·m-3)以上),可以实现在线测量。但是由于其同时在上、下电极之间施加交流激励电压和直流偏置电压,因此在检测时还需要设计复杂的收发隔离电路,将交流激振信号隔离后提取有效的输出信号,或采用先发射后测量的检测方式。收发一体式隔离电路设计复杂,且由于不同芯片的电参数不同,致使收发一体式隔离电路的通用性较差,与此同时,增大了芯片封装后的体积。采用先发射后测量的检测方式通常用在离线测量过程中,无法满足在线测量要求。传统的CMUTs结构没有梳齿电极,只有上、下电极,即同时采用上、下电极进行激振和检测,因此需要设计收发一体式隔离电路,信号处理电路难度大,封装后传感器尺寸较大,而且需要采用阻抗分析仪进行检测,操作不便。与此同时,其激振方式直接由上、下电极加载交流电激发,因此相较于由面内拉压运动产生的弯曲振动模式而言,其品质因子较低。
技术实现思路
为了解决上述问题,本专利技术提供了一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法,该传感器具有激振结构与检测结构相隔离、易于实现流体密度测量和体积小的优点,满足在线测量要求,且无需设计收发隔离电路,简化了信号处理难度。为达到上述目的,本专利技术所述一种梳齿式CMUTs流体密度传感器包括CMUTs单元,CMUTs单元包括自下而上依次设置的单晶硅衬底、二氧化硅支柱层、硅结构层和梳齿电极结构,梳齿电极结构包括间隔设置的梳齿直流电极和梳齿交流电极,二氧化硅支柱层与硅结构层封装形成密封真空腔,其中,单晶硅衬底用做下电极,与梳齿直流电极形成直流偏置电压施加点,也是信号检测端。进一步的,梳齿直流电极包括圆形的电极中心,电极中心向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱,第一纵向支柱上并列设置有若干个第一弧形延伸部,第一弧形延伸部关于第一纵向支柱对称布置;梳齿交流电极包括第二纵向支柱,第二纵向支柱上并列设置有若干个第二弧形延伸部,第二弧形延伸部关于第二纵向支柱对称布置;第二纵向支柱设置在两个相邻的第一纵向支柱之间,第一弧形延伸部和第二弧形延伸部交叉设置。进一步的,硅结构层上设置有二氧化硅绝缘层。进一步的,硅结构层和二氧化硅绝缘层的厚度之和为1μm-2μm,密封真空腔高度小于2μm、半径为100μm-250μm。进一步的,梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层。进一步的,两梳齿电极之间间距为0.5μm-2μm,梳齿电极厚度为2μm-10μm。一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法,包括以下步骤:步骤1、选取一个高掺硅片作为基底,激光打标后清洗,形成单晶硅衬底;再选一个衬底及顶层硅均为单晶硅的SOI片,将该SOI片清洗后备片;步骤2、在单晶硅衬底的上、下表面各形成一层0.5μm~2μm的二氧化硅层;步骤3、在单晶硅衬底上表面的二氧化硅层上经涂胶和光刻后,进行刻蚀,将上表面的二氧化硅层刻穿直至单晶硅衬底,形成圆形的空腔,空腔周围为二氧化硅支柱,然后干法去胶;步骤5、将步骤4制得结构的顶层SOI片硅衬底减薄至2μm~10μm;步骤6、在步骤5制得结构的上侧利用掩膜版进行重掺杂硼离子,形成梳齿电极区域;步骤7、在步骤6制得结构的上侧进行刻蚀,形成梳齿直流电极、梳齿交流电极以及密封支柱层;步骤8、另选一个单晶硅片,在其上、下表面各形成一层0.2μm~0.4μm二氧化硅层;步骤9、将步骤8和步骤7制作的结构进行二次键合,其中,步骤8制得的结构在上;步骤10、自上至下将步骤9的结构上表面的二氧化硅去除,并去除相邻硅层的80%;步骤11、去除单晶硅衬底二氧化硅层,去除步骤8中单晶硅片上层硅结构层,留下二氧化硅结构层,形成二氧化硅保护层。进一步的,步骤4和步骤9中,均采用直接键合工艺。进一步的,步骤5中,其中先采用不织布磨皮减薄至15μm,再用发泡聚氨酯硬质磨皮将其减薄至2μm~10μm。与现有技术相比,本专利技术至少具有以下有益的技术效果,本专利技术由梳齿电极结构中直流梳齿电极和交流梳齿电极间产生交变静电力,引起空腔上方复合薄膜结构层发生振动,其中复合结构层包括硅结构层和二氧化硅绝缘层,由梳齿电极结构中梳齿直流电极和低电阻率单晶硅衬底形成电容输出端,即采用梳齿交流电极激振CMUTs薄膜结构,同时采用梳齿直流电极和单晶硅衬底作为作为电容输出端检测输出信号端,将激振结构与检测结构相分离,简化后期电路设计,避免增加复杂的收发一体式隔离电路,转而采用更为简单的C/V转化放大电路提取谐振频率信号,从而简化了信号处理电路难度;采用CMUTs结构进行流体密度测量,相较于微悬臂梁结构,本专利技术有较高的基频,促使其检测灵敏度较高;没有磁铁及复杂的收发一体式隔离电路,减小了封装后传感器的尺寸,避免采用阻抗分析仪进行检测,更加便捷。进一步的,梳齿直流电极包括圆形的电极中心,电极中心向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱,第一纵向支柱上并列设置有若干个第一弧形延伸部,第一弧形延伸部关于第一纵向支柱对称布置;梳齿交流电极包括第二纵向支柱,第二纵向支柱上并列设置有若干个第二弧形延伸部,第二弧形延伸部关于第二纵向支柱对称布置;第二纵向支柱设置在两个相邻的第一纵向支柱之间,第一弧形延伸部和第二弧形延伸部交叉设置。该电极布置方式使得梳齿电极结构产生的拉压静电力在圆周上均匀对称分布,促使硅结构层在该静电力作用下,产生弯曲振动。相较于无梳齿电极结构的靠上、下电极间产生的静电力振动的传统CMUTs单元结构,本专利技术的硅结构层是受到径向拉压运动而产生的弯曲振动模式,因此其具有更高的品质因子。进一步的,硅结构层上设置有二氧化硅绝缘层,二氧化硅绝缘层起到隔离其顶部梳齿电极结构与硅结构层的作用。进一步的,梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层,由于二氧化硅保护层的存在,电极不会被腐蚀,可实现本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,包括CMUTs单元,CMUTs单元包括自下而上依次设置的单晶硅衬底(1)、二氧化硅支柱层(2)、硅结构层(4)、梳齿电极结构和密封支柱层(9),梳齿电极结构包括间隔设置的梳齿直流电极(6)和梳齿交流电极(7),二氧化硅支柱层(2)与硅结构层(4)封装形成密封真空腔(3),其中,单晶硅衬底(1)用做下电极,与梳齿直流电极(6)形成直流偏置电压施加点,也为信号检测端。

【技术特征摘要】
1.一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,包括CMUTs单元,CMUTs单元包括自下而上依次设置的单晶硅衬底(1)、二氧化硅支柱层(2)、硅结构层(4)、梳齿电极结构和密封支柱层(9),梳齿电极结构包括间隔设置的梳齿直流电极(6)和梳齿交流电极(7),二氧化硅支柱层(2)与硅结构层(4)封装形成密封真空腔(3),其中,单晶硅衬底(1)用做下电极,与梳齿直流电极(6)形成直流偏置电压施加点,也为信号检测端。2.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,梳齿直流电极(6)包括圆形的电极中心(61),电极中心(61)向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱(62),第一纵向支柱(62)上并列设置有若干个第一弧形延伸部(63),第一弧形延伸部(63)关于第一纵向支柱(62)对称布置;梳齿交流电极(7)包括第二纵向支柱(71),第二纵向支柱(71)上并列设置有若干个第二弧形延伸部(72),第二弧形延伸部(72)关于第二纵向支柱(71)对称布置;第二纵向支柱(71)设置在两个相邻的第一纵向支柱(62)之间,第一弧形延伸部(63)和第二弧形延伸部(72)交叉设置。3.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,硅结构层(4)上设置有二氧化硅绝缘层(5)。4.根据权利要求3所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,硅结构层(4)和二氧化硅绝缘层(5)的厚度之和为1μm-2μm,密封真空腔(3)的高度小于2μm、半径为100μm-250μm。5.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层(8)。6.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器,其特征在于,两梳齿电极之间间距为0.5μm-2μm,梳齿电极厚度为2...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵立波李杰李支康卢德江赵一鹤张家旺徐廷中蒋庄德
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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