專利名稱：一種基于cmut 的超低量程壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
超低量程壓力傳感器主要用來測量極其微小的壓力變化。隨著科學(xué)技術(shù)的速迅發(fā)展，該類低量程壓力傳感器在工業(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(duì)該類傳感器的研究則具有極其重要的實(shí)用意義。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超低量程壓力傳感器領(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)工作，通過硅膜受壓后膜內(nèi)集成惠斯登電橋輸出電壓的變化來測量被測壓力的大小。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(shí)行溫度補(bǔ)償，增加了測量的復(fù)雜性，同時(shí)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(duì)簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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，成本高。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(shí)現(xiàn)更低量程和更高靈敏度的超低微壓的測量。因而本文將避開上述常見的三種結(jié)構(gòu)，欲將基于MEMS技術(shù)更具有結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢的 CMUT (Capactive Micro-machined Ultrasonic Transducer,電容微加工超聲傳感器)用于超微壓力測量。CMUT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(diǎn)，這為進(jìn)一步實(shí)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(diǎn)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雖已廣泛應(yīng)用醫(yī)療、生物、化學(xué)、軍事等領(lǐng)域，但在超低微壓測量方面的應(yīng)用還未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)更小量程(小于300Pa)和更高靈敏度(大于150Hz/Pa)的壓力測量，進(jìn)而滿足極端環(huán)境中超低微壓測量的要求。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為金屬鋁上電極、二氧化硅薄膜、二氧化硅支柱、單晶硅基座、氮化硅絕緣層、金屬鋁下電極，其中，所述二氧化硅支柱的中間部分形成與二氧化硅等高的空腔，金屬鋁上電極和金屬鋁下電極分別位于二氧化硅薄膜和氮化硅絕緣層的中間部分，且金屬鋁上電極和金屬鋁下電極的橫向尺寸大于等于空腔相應(yīng)尺寸的一半，但小于等于空腔橫向尺寸。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述金屬鋁上電極的厚度為0. 02 0. 05iim ;作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述二氧化硅薄膜的厚度為0. 04 0. I ii m，橫向尺寸為5 12 ii m ;作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述二氧化硅支柱的厚度為0. 05 0. 15 ii m ;作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述空腔的橫向尺寸為5 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述單晶硅基座的厚度為5 20iim ;作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述氮化硅絕緣層覆蓋整個(gè)單晶硅基座的下表面，用于將具有半導(dǎo)體性能的單晶硅基座與金屬鋁下電極完全電隔絕；作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述金屬鋁下電極的厚度尺寸為0. I 0. 3pm。一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟(I)取〈111〉晶向單晶硅作為第一單晶硅，將其上表面采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP技術(shù)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，然后采用干法熱氧化技術(shù)將第一單晶硅的上表面進(jìn)行氧化，在第一單晶硅上表面形成二氧化硅層；(2)光刻步驟(I)第一單晶硅上表面二氧化硅層，形成圖形窗口，然后采用濕法刻蝕技術(shù)去掉暴露于圖形窗口中的二氧化硅層，余下周圍的二氧化硅層形成二氧化硅支柱3，第一單晶硅未被氧化的部分形成單晶硅基座5 ；(3)取〈111〉晶向單晶硅作為第二單晶硅，重復(fù)步驟(I)，其中，被氧化成二氧化硅的部分形成二氧化硅薄膜；(4)將步驟(2)和步驟(3)得到的器件進(jìn)行鍵合，其中，步驟(2)中形成的二氧化硅支柱與步驟(3)形成的二氧化硅薄膜鍵合在一起，其二者之間形成空腔4;(5)采用機(jī)械法去掉第二單晶硅上未氧化的單晶硅的80%，然后再刻蝕掉剩余的20%單晶硅，以二氧化硅薄膜作為刻蝕停止層；(6)采用LPCVD技術(shù)在單晶硅基座的下表面沉積氮化硅層，最后，在二氧化硅薄膜的上表面和氮化硅絕緣層的下表面分別濺射金屬鋁，光刻形成金屬鋁上電極和下電極以及金屬焊盤。本發(fā)明基于CMUT的超低量程壓力傳感器及其制備方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)(I) 二氧化硅薄膜通過氧化工藝形成，通過控制相關(guān)工藝參數(shù)可使薄膜厚度達(dá)到幾十個(gè)納米，薄膜厚度很小；同時(shí)相對(duì)于CMUT常用的單晶硅、氮化硅等薄膜材料，二氧化硅的密度更小，因而薄膜質(zhì)量更小，進(jìn)而可以提高傳感器靈敏度，實(shí)現(xiàn)更小壓力值得測量。(2)相對(duì)于CMUT常見的單晶硅、氮化硅等薄膜材料，本發(fā)明所用二氧化硅的彈性模量較小，在同樣的壓力下可產(chǎn)生更大的薄膜變形，相應(yīng)共振頻率的偏移更大，壓力傳感器分辨力更高。(3)本發(fā)明運(yùn)用氮化硅絕緣層將下電極與單晶硅基底完全電隔絕，避免常規(guī)CMUT中因下電極與單晶娃基座直接連接而在單晶娃基底中廣生感應(yīng)電荷、擴(kuò)大下電極等一系列不穩(wěn)定情況。因而本發(fā)明可以精確設(shè)計(jì)電極大小，減小寄生電容，提高CMUT的工作性能及壓力測量的精確性。
(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、加工難度低，主要使用單晶硅材料，且整個(gè)工藝過程中只使用3塊掩膜板，成本低。


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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明基于CMUT的超低量程壓力傳感器及其制備方法做詳細(xì)描述請參閱附圖1，本發(fā)明一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器的總體結(jié)構(gòu)自上而下依次為金屬鋁上電極I、二氧化硅薄膜2、二氧化硅支柱3、空腔4、單晶硅基座5、氮化硅 絕緣層6以及金屬鋁下電極7。所述壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工難度小、成本低，靈敏度高、工作性能好，能實(shí)現(xiàn)超低量程的微小壓力測量。所述金屬鋁上電極I位于二氧化硅薄膜2的中部，其厚度應(yīng)在保持良好導(dǎo)電性能的前提下盡量薄，以減小由其和二氧化硅薄膜2組成的整個(gè)振動(dòng)膜的質(zhì)量，進(jìn)而提高上述壓力傳感器的共振頻率及其靈敏度。因此金屬鋁上電極I的厚度范圍為0. 02 0. 05 ii m,同時(shí)其橫向尺寸應(yīng)大于等于空腔相應(yīng)尺寸的一半，且小于等于空腔橫向尺寸。所述二氧化硅薄膜2的厚度尺寸應(yīng)在保持良好機(jī)械性能的前提下盡量薄，以減小振動(dòng)膜質(zhì)量，提高CMUT工作靈敏度，其厚度尺寸范圍取為0. 04 0. I ii m,同時(shí)為提高傳感器共振頻率，由薄膜固有共振頻率理論計(jì)算公式知，薄膜橫向尺寸應(yīng)盡量小，因而其有效薄膜橫向尺寸范圍為5 12 ii m。所述二氧化硅支柱3用于支撐振動(dòng)膜，其高度與空腔高度相同，為盡量減小空腔高度，增大耦合系數(shù)，提高靈敏度，降低功耗，其高度范圍為0. 05 0. 15 ii m。所述空腔4高度范圍為0. 05 0. 15 ii m，其橫向尺寸與薄膜2的有效薄膜尺寸相同，為5 12 ii m,形狀為圓形、方形或其他多邊形。所述單晶娃基座5 —方面作為整個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)的基座，另一方面位于金屬招上電極I與下電極7之間，還用作CMUT兩電極間的介電質(zhì)。由于單晶硅具有較高的相對(duì)介電常數(shù)，可大幅提高CMUT靜態(tài)電容值，同時(shí)其厚度也增大了上下兩電極間的距離致使電容值有所減小，因而應(yīng)綜合考慮單晶硅相對(duì)介電常數(shù)和其厚度之間的比例關(guān)系，以增大CMUT有效靜態(tài)電容值為設(shè)計(jì)原則。此處，在保證單晶硅基座5支撐強(qiáng)度的前提下，其厚度范圍取為5 20 u m0所述氮化硅絕緣層6覆蓋整個(gè)單晶硅基座5的下表面，用于將具有半導(dǎo)體性能的單晶硅基座5與金屬鋁下電極6完全電隔絕。本設(shè)計(jì)目的在于避免常見CMUT結(jié)構(gòu)中將下電極與單晶硅基底直接相連而導(dǎo)致單晶硅底座中因產(chǎn)生感應(yīng)電荷區(qū)而不確定性地?cái)U(kuò)大實(shí)際下電極面積的情況，以減小電極面積以及CMUT靜態(tài)電容的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差，以精確設(shè)計(jì)CMUT電極參數(shù)和靜態(tài)電容值。氮化硅絕緣層6厚度尺寸應(yīng)在保證良好絕緣性能的條件下盡量小，其范圍為2 3pm。所述金屬鋁下電極7位于氮化硅絕緣層6中部，其厚度以導(dǎo)電性良好，電阻小，功耗低為設(shè)計(jì)原則，厚度尺寸為0. I 0.3i!m，其橫向尺寸應(yīng)大于等于空腔相應(yīng)尺寸的一半，且小于等于空腔相應(yīng)尺寸。所述金屬鋁上電極I、下電極7以及空腔形狀相似，同軸且關(guān)于該中心軸對(duì)稱。本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下上電極厚度0. 02 0. 05 iim空腔高度0.05 0. 15 iim二氧化硅厚度0. 04 0. I ii m有效振動(dòng)薄膜橫向尺寸5 12iim 單晶硅基座厚度5 20 ii m下電極厚度0. I 0. 3iim。下面結(jié)合附圖2，對(duì)本發(fā)明一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器的工藝流程進(jìn)行詳細(xì)描述(I)取〈111〉晶向單晶硅作為第一單晶硅，另取〈111〉單晶硅作為第二單晶硅。采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP技術(shù)對(duì)兩單晶硅的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，以保證由其氧化而成的二氧化硅層表面的平面度和光滑度。(2)采用干法熱氧化技術(shù)將第一單晶硅和第二單晶硅的上表面均進(jìn)行氧化，嚴(yán)格控制相關(guān)工藝參數(shù)，以精確制備所需二氧化硅層。其中第一單晶硅形成二氧化硅層10和單晶硅基座5，第二單晶硅形成二氧化硅薄膜2和未氧化單晶硅11。(3)光刻第一單晶硅上表面二氧化硅層10，采用濕法刻蝕技術(shù)去掉暴露于圖形窗口中的二氧化硅層，余下周圍的二氧化硅則形成二氧化硅支柱3。(4)在真空環(huán)境中采用鍵合技術(shù)將第一單晶硅上的二氧化硅支柱3與第二單晶硅上的二氧化硅薄膜2進(jìn)行直接鍵合，其中第一單晶硅在下，第二單晶硅在下，鍵合后形成空腔4。(5)機(jī)械法去掉第二單晶硅上未氧化單晶硅11的80%，然后再用DEP溶液刻蝕掉剩余的20%單晶硅，以縮短加工時(shí)間，此時(shí)二氧化硅薄膜2可作為刻蝕停止層。(6)采用LPCVD技術(shù)在單晶硅基座5的下表面沉積氮化硅層，之所以使用LPCVD技術(shù)，是因?yàn)樵摲椒ㄉ傻牡鑼泳哂休^高的電絕緣性和介電強(qiáng)度。(7)在二氧化硅薄膜2的上表面和氮化硅絕緣層的下表面分別濺射金屬鋁，光刻形成金屬鋁上電極I和下電極7以及金屬焊盤。本發(fā)明的主要性能指標(biāo)如下測量范圍0 80Pa測量精度優(yōu)于I. 5% FS靈敏度高于200Hz/Pa工作溫度_50 120°C以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式。例如，本發(fā)明單晶硅基座5的厚度范圍可在滿足支持強(qiáng)度前提下，做適當(dāng)變化，以有效電容值最大為設(shè)計(jì)依據(jù)；氮化硅硅絕緣層6也可用二氧化硅或其它高絕緣性能材料代替，在保證良好的絕緣性能前提下以減小絕緣層厚度增大CMUT有效電容為目標(biāo)；其它組成部分設(shè)計(jì)參數(shù)也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)改變，以提高傳感器靈敏度、降低量程為目標(biāo)等等。
以上所述僅為本發(fā) 明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)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(duì)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
1.一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于其整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為金屬鋁上電極(I)、二氧化硅薄膜(2)、二氧化硅支柱(3)、單晶硅基座(5)、氮化硅絕緣層(6)、金屬鋁下電極(7)，其中，所述二氧化硅支柱(3)的中間部分形成與二氧化硅等高的空腔(4)，金屬鋁上電極和金屬鋁下電極分別位于二氧化硅薄膜和氮化硅絕緣層的中間部分，且金屬鋁上電極和金屬鋁下電極的橫向尺寸大于等于空腔相應(yīng)尺寸的一半，但小于等于空腔橫向尺寸。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述金屬鋁上電極的厚度為O. 02 O. 05 μ m。
3.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述二氧化娃薄膜的厚度為O. 04 O. I μ m,橫向尺寸為5 12 μ m。
4.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述二氧化娃支柱的厚度為O. 05 O. 15 μ m。
5.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述空腔的橫向尺寸為5 12 μ m。
6.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述單晶硅基座的厚度為5 20 μ m。
7.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述氮化硅絕緣層覆蓋整個(gè)單晶硅基座的下表面，用于將具有半導(dǎo)體性能的單晶硅基座與金屬鋁下電極完全電隔絕。
8.如權(quán)利要求I所述的一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器，其特征在于所述金屬鋁下電極的厚度尺寸為O. I O. 3 μ m。
9.一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)取〈I11>晶向單晶硅作為第一單晶硅，將其上表面采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP技術(shù)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，然后采用干法熱氧化技術(shù)將第一單晶硅的上表面進(jìn)行氧化，在第一單晶硅上表面形成二氧化硅層； (2)光刻步驟(I)第一單晶硅上表面二氧化硅層，形成圖形窗口，然后采用濕法刻蝕技術(shù)去掉暴露于圖形窗口中的二氧化硅層，余下周圍的二氧化硅層形成二氧化硅支柱(3)，第一單晶硅未被氧化的部分形成單晶硅基座(5)； (3)取〈111〉晶向單晶硅作為第二單晶硅，重復(fù)步驟(I)，其中，被氧化成二氧化硅的部分形成二氧化硅薄膜； (4)將步驟(2)和步驟(3)得到的器件進(jìn)行鍵合，其中，步驟(2)中形成的二氧化硅支柱與步驟(3)形成的二氧化硅薄膜鍵合在一起，其二者之間形成空腔(4)； (5)采用機(jī)械法去掉第二單晶硅上未氧化的單晶硅的80%，然后再刻蝕掉剩余的20%單晶硅，以二氧化硅薄膜作為刻蝕停止層； (6)采用LPCVD技術(shù)在單晶硅基座的下表面沉積氮化硅層，最后，在二氧化硅薄膜的上表面和氮化硅絕緣層的下表面分別濺射金屬鋁，光刻形成金屬鋁上電極和下電極以及金屬焊盤。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于CMUT的超低量程壓力傳感器及其制備方法，其整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為金屬鋁上電極、二氧化硅薄膜、二氧化硅支柱、單晶硅基座、氮化硅絕緣層、金屬鋁下電極。本發(fā)明二氧化硅薄膜通過氧化工藝形成，厚度達(dá)到幾十個(gè)納米，可以提高傳感器靈敏度，實(shí)現(xiàn)更小壓力值得測量；本發(fā)明用氮化硅絕緣層將下電極與單晶硅基底完全電隔絕，避免因下電極與單晶硅基座直接連接而在單晶硅基底中產(chǎn)生感應(yīng)電荷、擴(kuò)大下電極等一系列不穩(wěn)定情況，因而本發(fā)明可以精確設(shè)計(jì)電極大小，減小寄生電容，提高CMUT的工作性能及壓力測量的精確性。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102620864SQ20121006868
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)