專利名稱：一種用于密度測量的電容微加工超聲傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS技術(shù)和液體物性參數(shù)測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于密度測量的電容微加工超聲傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，在實(shí)際測量中技術(shù)成熟且廣泛應(yīng)用的液體密度傳感器主要有振動式、放射性同位素式、浮力式、靜壓式、重力式、聲速式等。這些傳統(tǒng)的密度傳感器都有一個(gè)共同的缺陷，即不能滿足在線測量。在液體密度測量時(shí)，需要先提取樣品再離線測量，但由于測試環(huán)境與實(shí)際工況在溫度、壓力等方面的差異，會導(dǎo)致密度的測量值與實(shí)際環(huán)境測量值之間存在較大誤差。另外，傳統(tǒng)的密度傳感測量時(shí)所需樣品多，若要得到不同條件下待測液體密度的變化規(guī)律，就需要多點(diǎn)采樣分析，工作量大，耗時(shí)長、效率低。此外，傳統(tǒng)的密度傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，不便于攜帶，不適用于微量液體密度的測量，使用過的樣品液體大多不能再次利用，浪費(fèi)嚴(yán)重。為了克服傳統(tǒng)密度傳感器在測量中存在的上述問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了基于 MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS)技術(shù)的微型密度傳感器的研究。有一種基于MEMS技術(shù)的矩形硅微懸臂梁振動法測量液體密度的傳感器，在高溫150°C、高壓 68MPa的條件下，實(shí)現(xiàn)密度的測量精度為士 1 % ；但由于硅微懸臂梁是矩形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其靈敏度不高；同時(shí)由于采用電磁螺線管作為激振裝置，以至于封裝后的傳感器體積較大。除上述基于MEMS技術(shù)的微型傳感器外，電容式微加工超聲傳感器(CMUTs)也是基于MEMS技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。CMUTs具有尺寸小、重量輕、機(jī)電性能好(機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)0. 85)、靈敏度高、帶寬寬(20kHz 2MHz)、噪聲低、工作溫度范圍寬(最高工作溫度可達(dá) 5000C )等優(yōu)點(diǎn)。此外，CMUT可批量制造、形成高密度陣列，易與電子元件集成在同一硅片上。如今，CMUT已成功用于醫(yī)學(xué)成像、無損探傷、物距檢測和流速測量領(lǐng)域，并在市場上有成熟的商業(yè)產(chǎn)品。以上所述CMUT的諸多優(yōu)點(diǎn)及其成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為電容微加工超聲傳感器在液體密度測量方面的研究提供了有利條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種尺寸小、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、易攜帶的用于密度測量的電容微加工超聲傳感器及其制備方法，滿足在線測量密度的要求，并可實(shí)現(xiàn)
微量測量。本發(fā)明用于密度測量的電容微加工超聲傳感器，包括CMUT陣列單元，該CMUT陣列單元自上而下依次包括二氧化硅應(yīng)力匹配層、氮化硅絕緣層、金屬電極、二氧化硅薄膜和單晶硅基底，其中，金屬電極為上電極，單晶硅基底為下電極，所述單晶硅基底設(shè)置有空腔，二氧化硅薄膜將空腔密封。所述金屬電極的有效面積為二氧化硅薄膜有效面積的一半；所述二氧化硅薄膜的厚度小于1 μ m ；所述金屬電極的厚度為0. 5 μ m 2 μ m ；所述氮化硅絕緣層和二氧化硅應(yīng)力匹配層的總厚度小于1 μ m。本發(fā)明用于密度測量的電容微加工超聲傳感器的制備方法包括取η型<111>晶面硼離子重?fù)诫s的第一單晶硅和η型<100>晶面的第二單晶硅，在第一單晶硅上采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕凹槽，形成空腔，氧化第二單晶硅并在其上下兩面分別形成二氧化硅薄膜； 對步驟(1)處理后的第一和第二單晶硅的上表面進(jìn)行拋光處理，然后在高溫真空環(huán)境下將第一和第二單晶硅的拋光面進(jìn)行鍵合，其中第二單晶硅位于第一單晶硅的上方；采用等離子刻蝕技術(shù)光刻掉上層的二氧化硅層，然后腐蝕掉第二單晶硅的上半部分，僅留第二單晶硅下方的二氧化硅薄膜，為二氧化硅薄膜；在二氧化硅薄膜上濺射金，刻蝕后形成金屬電極；在刻蝕后的金屬電極上采用低壓氣相淀積技術(shù)依次淀積氮化硅絕緣層和二氧化硅應(yīng)力匹配層，然后采用等離子刻蝕技術(shù)依次刻蝕二氧化硅應(yīng)力匹配層和氮化硅絕緣層，露出金屬焊盤。在步驟(3)中，腐蝕掉第二單晶硅的上半部分時(shí)采用加熱的質(zhì)量濃度為25%的氫氧化鉀溶液進(jìn)行腐蝕。本發(fā)明用于密度測量的電容微加工超聲傳感器至少具有以下優(yōu)點(diǎn)在本發(fā)明傳感器中，所述二氧化硅應(yīng)力匹配層、氮化硅絕緣層、金屬電極和二氧化硅薄膜共同形成CMUT 單元的振動薄膜，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有絕緣、耐腐蝕和實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力匹配的作用，可以保證傳感器在線測量液體密度的可靠性和準(zhǔn)確性。因?yàn)樵诰€測量時(shí)，被測液體可能為導(dǎo)電性或腐蝕性液體、或?yàn)楦邷匾后w等，這就要求設(shè)計(jì)的傳感器能有效防止諸如此類的不良因素對測量的影響或者將其影響降至最低。而在本發(fā)明中，二氧化硅和氮化硅均為絕緣性和耐腐蝕性材料，同時(shí)金屬電極、氮化硅、二氧化硅的熱膨脹系數(shù)依次減小，在高溫環(huán)境中能有效實(shí)現(xiàn)應(yīng)力匹配、減少由熱應(yīng)力引起的CMUT單元結(jié)構(gòu)變形。因而本發(fā)明傳感器同時(shí)具有絕緣、耐腐蝕和耐高溫的性能，能保證CMUT在不同測量環(huán)境中工作的可靠性及其測量的精準(zhǔn)度。


圖1為本發(fā)明用于密度測量的電容微加工超聲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中CMUT單元的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3為圖1中CMUT單元的制造工藝流程圖；圖4是圖1中CMUT單元的等效電路圖。圖中的標(biāo)號如下表示
權(quán)利要求
1.一種用于密度測量的電容微加工超聲傳感器，其特征在于包括CMUT陣列單元，該 CMUT陣列單元自上而下依次包括二氧化硅應(yīng)力匹配層(6)、氮化硅絕緣層(5)、金屬電極 G)、二氧化硅薄膜C3)和單晶硅基底(1)，其中，金屬電極為上電極，單晶硅基底為下電極， 所述單晶硅基底設(shè)置有空腔O)，二氧化硅薄膜C3)將空腔密封。
2.如權(quán)利要求1所述的用于密度測量的電容微加工超聲傳感器，其特征在于所述金屬電極的有效面積為二氧化硅薄膜C3)有效面積的一半。
3.如權(quán)利要求1所述的用于密度測量的電容微加工超聲傳感器，其特征在于所述二氧化硅薄膜(3)的厚度小于1 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的用于密度測量的電容微加工超聲傳感器，其特征在于所述金屬電極⑷的厚度為0. 5μπι 2μπι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于密度測量的電容微加工超聲傳感器其特征在于所述氮化硅絕緣層( 和二氧化硅應(yīng)力匹配層(6)的總厚度小于1 μ m。
6.權(quán)利要求1所述的用于密度測量的電容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η型<111>晶面硼離子重?fù)诫s的第一單晶硅和η型<100>晶面的第二單晶硅，在第一單晶硅上采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕凹槽，形成空腔，氧化第二單晶硅并在其上下兩面分別形成二氧化硅薄膜；(2)對步驟(1)處理后的第一和第二單晶硅的上表面進(jìn)行拋光處理，然后在高溫真空環(huán)境下將第一和第二單晶硅的拋光面進(jìn)行鍵合，其中第二單晶硅位于第一單晶硅的上方；(3)采用等離子刻蝕技術(shù)光刻掉上層的二氧化硅層，然后腐蝕掉第二單晶硅的上半部分，僅留第二單晶硅下方的二氧化硅薄膜，為二氧化硅薄膜；(4)在二氧化硅薄膜上濺射金，刻蝕后形成金屬電極；(5)在刻蝕后的金屬電極上采用低壓氣相淀積技術(shù)依次淀積氮化硅絕緣層和二氧化硅應(yīng)力匹配層，然后采用等離子刻蝕技術(shù)依次刻蝕二氧化硅應(yīng)力匹配層和氮化硅絕緣層，露出金屬焊盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于密度測量的電容微加工超聲傳感器的制備方法，其特征在于在步驟(3)中，腐蝕掉第二單晶硅的上半部分時(shí)采用加熱的質(zhì)量濃度為25%的氫氧化鉀溶液進(jìn)行腐蝕。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于密度測量的電容微加工超聲傳感器及其制備方法，包括單晶硅基底，所述單晶硅基底腐蝕形成有空腔，設(shè)置在單晶硅基底上端面且將空腔密封的第一二氧化硅薄膜層，該二氧化硅薄膜層上濺射有上金屬電極層，在所述上金屬電極層上依次刻蝕有氮化硅薄膜層和第二二氧化硅薄膜層。本發(fā)明傳感器同時(shí)具有絕緣、耐腐蝕和耐高溫的性能，能保證CMUT在不同測量環(huán)境中工作的可靠性及其測量的精準(zhǔn)度。
文檔編號B81B3/00GK102353610SQ201110156060
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者劉志剛, 張桂銘, 李支康, 王曉坡, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 黃恩澤 申請人:西安交通大學(xué)