CN102620878B - 一种电容式微加工超声传感器及其制备与应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式微加工超声传感器及其制备与应用方法，其整体结构自上而下依次为：单晶硅振动薄膜、二氧化硅支柱，以及单晶硅基座，其中，所述二氧化硅支柱中间的部分为空腔，所述单晶硅振动薄膜的中间部分经硼离子重掺杂形成上电极，所述单晶硅基座的中间部分经硼离子重掺杂形成下电极，上电极和下电极的横向尺寸小于或等于空腔的横向尺寸且大于空腔横向尺寸的一半。本发明传感器结构简单、加工难度小、适用于批量生产；本发明的振动薄膜中无力敏电阻及电路的集成，薄膜厚度和质量均可进一步减小，从而实现更高灵敏度和更小量程压力的测量；本发明采用共振频率的偏移来测量压力的变化，因而输入与输出量之间保持着更好的线性关系。

Description

一种电容式微加工超声传感器及其制备与应用方法

技术领域

本发明属于MEMS技术领域，涉及一种电容式微加工超声传感器及其制备与应用方法。

背景技术

超微低压传感器主要用于微小压力的测量，其在工业控制、环保设备、医疗设备、航空航天以及军事武器等领域均有迫切的需求和广泛的应用，因而对该类传感器的研究具有极其重要的实用价值。

目前，基于MEMS（（Micro Electro-Mechanical Systems,微型机械电子系统）技术的硅微微压传感器在压力传感器领域已占统治地位，并得到商业化的广泛应用。硅微微压传感器按其工作原理，主要可分为以下三种：压阻式、电容式以及谐振式。压阻式微压传感器主要利用硅的压阻效应，通过电压变化来测量压力大小。虽然其输出与输入具有良好的线性关系，但硅薄膜中力敏电阻的温度敏感性要求传感器必须实行温度补偿，增加测量的复杂性，同时硅膜中惠斯登电桥的集成致使其薄膜厚度难以在保证测量精度的条件下进一步减小，进而难以进一步降低量程，提高灵敏度。电容式硅微压力传感器利用电容极距变化将压力变化转化为电容的变化，有着温度稳定性好、灵敏度高、功耗低、进一步微型化变得相对简单等一系列优点，但其输出与输入的线性度较差。谐振式硅微压力传感器是利用谐振梁的固有频率随施加轴向力的改变而改变来实现压力测量的，虽然其测量精度、稳定性和分辨力都优于以上两种，但结构复杂，加工难度较大。目前，硅微微压力传感器的量程主要在1000Pa左右，最小的可达300Pa。由于上述结构自身的限制，致使其难以进一步实现更低量程与更高灵敏度的超低微压测量。因而本文欲将一种基于MEMS技术更具有结构和性能优势的CMUT(Capactive Micromachined Ultrasonic Transducer，电容式微加工超声传感器)用于超微压力测量。CMUT是MEMS技术的重要研究方向之一，它具有良好的机电特性、更小的薄膜质量、更高的共振频率（可达几十MHz）和品质因子（可达几百）等特点，这为进一步实现更高灵敏度和更小量程压力的测量提供可能；其结构简单、易加工、易阵列、易集成等特点为低成本、短周期、高效化批量生产以及复杂电路集成提供诸多优势。目前，CMUT主要用于超声成像、生化物质检测等方面，在超低微压测量领域的研究还未见相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电容式微加工超声传感器及其制备与应用方法，将电容式微加工超声传感器应用于微小压力测量，以解决目前超低微压测量领域的难题，实现灵敏度高于150Hz/Pa和量程低于300Pa的超低微压测量。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电容式微加工超声传感器，其整体结构自上而下依次为：单晶硅振动薄膜、二氧化硅支柱，以及单晶硅基座，其中，所述二氧化硅支柱中间的部分为空腔，所述单晶硅振动薄膜的中间部分经硼离子重掺杂形成上电极，所述单晶硅基座的中间部分经硼离子重掺杂形成下电极，上电极和下电极的横向尺寸小于或等于空腔的横向尺寸且大于空腔横向尺寸的一半。

作为本发明的优选实施例，所述单晶硅振动薄膜的厚度为0.06～0.12um；

作为本发明的优选实施例，所述单晶硅振动薄膜的有效振动薄膜横向尺寸为5μm～15μm，所述有效振动薄膜为空腔以上的振动薄膜部分；

作为本发明的优选实施例，所述空腔的横向尺寸与有效振动薄膜的横向尺寸相等，为5～15μm，空腔高度与二氧化硅支柱相等，为0.08～0.15μm；

作为本发明的优选实施例，所述上电极和下电极的电阻率小于10^-3Ω·cm。

一种电容式微加工超声传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）取<111>晶向单晶硅，采用局部离子注入技术在单晶硅中部注入硼离子，使其电阻率小于10^-3Ω·cm，其中，重掺杂单晶硅部分形成下电极，其余部分为CMUT基座；

（2）采用等离子体增强化学气相沉积此处是否需要该技术的英文缩写:PECVD技术在CMUT基座上沉积二氧化硅层，然后光刻该二氧化硅层，形成空腔图形窗口，接着用缓冲刻蚀液刻蚀掉暴露于图形窗口中二氧化硅层，剩余的二氧化硅层形成二氧化硅支柱，最后采用化学机械抛光CMP技术对二氧化硅支柱的上表面进行抛光，形成第一部分；

（3）取SOI晶片，采用干法氧化技术将SOI晶片的顶部单晶硅薄片的上表面进行干法氧化形成二氧化硅层，其中氧化形成的二氧化硅层的厚度与生成二氧化硅层时所消耗的单晶硅薄片厚度之比为1:0.44，未被氧化的部分称为单晶硅层；

（4）用缓冲刻蚀液将步骤（3）形成的二氧化硅层刻蚀掉，露出未被氧化的单晶硅层，然后，在单晶硅层的中部采用局部离子注入技术重掺杂硼离子，使其电阻率小于10^-3Ω·cm，其中，重掺杂单晶硅部分形成上电极，最后对单晶硅层的上表面进行化学机械抛光，形成第二部分；

（5）在真空环境下，将步骤（2）得到的第一部分和步骤（4）得到的第二部分进行阳极键合，其中，第一部分的二氧化硅支柱的上表面与第二部分的顶部未被氧化单晶硅层的上表面进行键合；因为SOI晶片有底部衬底硅、埋层二氧化硅和顶部单晶硅薄片之分，此处只说是第二部分单晶硅层是否无法区分衬底单晶硅和顶部单晶硅层。

（6）将步骤（5）得到的器件采用湿法刻蚀自上而下依次去除SOI晶片的衬底单晶硅和80%的埋层二氧化硅，然后再用缓冲刻蚀液刻蚀剩余20%的埋层二氧化硅。

一种电容式微加工超声传感器的应用方法，所述电容式微加工超声传感器用于实现灵敏度高于150Hz/Pa和量程低于300Pa的超低微压测量，具体方法为：通过仿真分析和实验手段共同确定CMUT的最佳工作点，即偏置直流电压，同时确定固有谐振频率以及该频率点的交流信号，交流信号的电压幅值与偏置电压之和应小于CMUT塌陷电压，以耦合系数最大为原则；在所确定的偏置直流电压和谐振频率交流信号激励下，CMUT发生谐振，将其置于微小压力环境中，由于压力作用在CMUT振动薄膜上，改变CMUT振动状态，失去谐振，此时调节交流信号频率，使CMUT再次发生谐振，记录该谐振频率，计算固有谐振频率与该压力作用下的谐振频率差Δf，再由压力和频移之间的函数关系P=Δf/k，即可求得所测压力值，实现压力测量。

本发明基于CMUT的超低微压传感器及其制备方法至少具有以下优点：

（1）相对于压阻式微压传感器，本发明CMUT振动薄膜中无力敏电阻及电路的集成，薄膜厚度和质量均可以进一步减小，从而可以实现更高灵敏度和更小量程压力的测量。

（2）相对于电容式微压传感器，本发明采用共振频率的偏移来测量压力的变化，因而输入与输出量之间保持着更好的线性关系。

（3）相对于谐振式微压力传感器，本发明结构简单，加工难度小，适于批量生产，易于集成。

（4）由于本发明CMUT结构只由单晶硅和二氧化硅两种测量材料组成，而这两种材料膨胀系数相同，因而结构适用于高温环境，其热膨胀系数非常相近（其中二氧化硅热膨胀系数为2.3×10^-6/℃，单晶硅为2.6×10^-6/℃），因此该结构还可用于高温环境中微小压力的测量。

附图说明

图1为本发明基于CMUT的超低微压传感器的结构示意图；

图2为本发明传感器的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种电容式微加工超声传感器及其制备与应用方法做详细描述：

请参阅附图1，本发明一种电容式微加工超声传感器的整体结构自上而下依次为：单晶硅振动薄膜1、二氧化硅支柱2、空腔6以及单晶硅基座3。其中，单晶硅振动薄膜1中部经硼离子重掺杂区域形成上电极4，也即振动薄膜1同时用作CMUT上电极，上电极4与振动薄膜1为一体化结构；单晶硅基座3中部经硼离子重掺杂区域形成CMUT下电极5，也即单晶硅基座3同时用作下电极，下电极5与基座3为一体化结构。

所述单晶硅振动薄膜1除用于CMUT振动薄膜外，还用于上电极。一方面薄膜厚度应尽量小，以减小薄膜质量，进而提高CMUT的灵敏度，实现更小量程压力测量；另一方面，厚度太小将增加串联电阻，影响上电极4的导电性能；因此薄膜厚度范围应为0.06～0.12um。另外，根据薄膜振动频率的理论计算公式可知，要获得高的共振频率，应尽量减小表面半径，因此本发明中振动薄膜1的有效振动薄膜横向尺寸范围为5μm～15μm，有效振动薄膜区域即为振动薄膜1的空腔6以上或未与二氧化硅支柱2键合的薄膜部分。上电极4的横向尺寸应小于或等于空腔6横向尺寸，但应等于或大于其横向尺寸一半，以减小寄生电容，增大耦合系数为设计原则。

所述空腔6为圆形或多边形，其横向尺寸与有效振动薄膜横向尺寸相同，其尺寸范围为5μm～15μm，高度与二氧化硅支柱2的高度相同。

所述二氧化硅支柱2的高度尽量小，以减小空腔高度，增大耦合系数，进而提高灵敏度，其高度范围为0.08～0.15μm。

所述单晶硅基座3除用作整个CMUT结构的底座外，其中部经硼离子重掺杂后还用作下电极5，下电极5与单晶硅基座3为一体化结构。下电极5的横向尺寸应小于或等于空腔6横向尺寸，但应等于或大于其横向尺寸一半，以减小寄生电容，增大耦合系数为设计原则。

所述上电极4及下电极5经硼离子重掺杂后电阻率应小于10^-4Ω·cm，以减小串联电阻，降低功耗。

所述上电极4、下电极5以及空腔6形状相同，同轴且关于中心轴对称。

所述振动薄膜1、单晶硅基座3的材料为单晶硅，支柱2的材料为二氧化硅，这两种材料线性热膨胀系数非常接近，因而该结构满足高温环境中微小压力测量的要求。

本发明传感器，其主要结构参数如下：

空腔高度：0.08～0.15μm

振动薄膜厚度：0.06～0.12um

有效振动薄膜横向尺寸：5μm～15μm。

下面结合附图2，对本发明一种电容式微加工超声传感器的制备工艺流程进行详细描述：

（1）取<111>晶向单晶硅，并采用局部离子注入技术在单晶硅中部注入硼离子，使其电阻率小于10^-3Ω·cm，其中重掺杂单晶硅部分形成下电极5，下电极5同时与其余未掺杂单晶硅一起形成CMUT基座3；取SOI晶片，顶部单晶硅薄片厚度为150nm。

（2）采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD）技术在CMUT基座3上沉积二氧化硅层，严格控制二氧化硅层的厚度，以精确控制由二氧化硅形成的空腔支柱的高度，进而精确控制整个结构空腔的高度；采用干法氧化技术将SOI晶片顶部单晶硅薄片8上表面进行干法氧化形成二氧化硅层，SOI晶片顶部单晶硅薄片8中未被氧化的单晶硅层形成单晶硅层10，其中氧化形成的二氧化硅层的厚度与生成二氧化硅层时所消耗的单晶硅薄片厚度之比为1:0.44。

（3）光刻CMUT基座3上层的二氧化硅层形成空腔图形窗口，采用20:1的缓冲刻蚀液以最短的时间完全刻蚀掉暴露于图形窗口中二氧化硅层，剩余的二氧化硅层则形成二氧化硅支柱2；同时用20:1的缓冲刻蚀液以最短的时间刻蚀掉右侧SOI晶片上的二氧化硅层，露出单晶硅层10的上表面。

（4）采用化学机械抛光技术对左侧二氧化硅支柱2的上表面进行抛光；在右侧单晶硅层10的中部采用局部离子注入技术重掺杂硼离子，使其电阻率小于10^-3Ω·cm，其中重掺杂单晶硅部分形成上电极4，上电极4同时与其余未掺杂单晶硅一起形成CMUT振动薄膜1，然后再对薄膜1的上表面进行化学机械抛光。

（5）在真空环境下，将左侧二氧化硅支柱2的上表面与右侧振动薄膜1的上表面进行阳极键合，其中SOI晶片在上，基座3在下。

（6）采用湿法刻蚀自上而下依次去除SOI的衬底单晶硅和80%的埋层二氧化硅，然后再用20:1的缓冲刻蚀液以最短的时间刻蚀剩余20%埋层二氧化硅，以保证振动薄膜1的表面平滑度。

本发明一种电容式微加工超声传感器，应用于压力测量领域，其工作原理为：在工作电压（偏置直流电压）作用下，CMUT薄膜因受到静电引力而发生变形，向基底靠拢，此时再施加一定频率的交流信号，CMUT薄膜将产生与信号频率相同的强迫振动，改变交流信号的频率，当该输入频率等于CMUT结构自身固有频率时，CMUT将发生共振。在无压力作用时CMUT的共振频率为结构自身的固有频率，当有压力作用其薄膜上时，CMUT的共振频率将会发生相应的偏移，不同的压力对应着不同频率偏移，在一定范围内压力和频移保持着良好的线性关系：Δf=kP或P=Δf/k。其中Δf为加压后CMUT的共振频率f相对于固有共振频率f₀的频移，即Δf=f₀－f，其单位为Hz；k为传感器灵敏度,单位为Hz/Pa；P为被测压力值,单位为Pa。因此通过CMUT共振频率的变化即可计算出对应的压力值。

本发明一种电容式微加工超声传感器应用于压力测量领域时，其具体应用方法为：通过仿真分析和实验手段共同确定CMUT的最佳工作点，即偏置直流电压（一般为塌陷电压的80%～90%），同时确定固有谐振频率以及该频率点的交流信号，交流信号的电压幅值与偏置电压之和应小于CMUT塌陷电压，以耦合系数最大为原则。在所确定偏置直流电压和谐振频率交流信号激励下，CMUT发生谐振，将其置于微小压力环境中，由于压力作用在CMUT振动薄膜上，改变CMUT振动状态，失去谐振，此时调节交流信号频率，使CMUT再次发生谐振，记录该谐振频率，计算固有谐振频率与该压力作用下的谐振频率差Δf，再由压力和频移之间的函数关系P=Δf/k，即可求得所测压力值，实现压力测量。

本发明不限于以上所述实施方式，在条件和技术允许条件下，单晶硅振动薄膜1还可不采用SOI晶片通过氧化工艺减薄顶部单晶硅薄片厚度的方法，直接选用顶部单晶硅薄片符合振动薄膜1厚度要求的SOI晶片；其次振动薄膜1的材料还可选用多晶硅，以提高薄膜机械性能和减小厚度、质量为原则。空腔6及上电极4、下电极5的形状除以上所述形状外以及相关结构尺寸可根据实际应用情况灵活选取，以增大有效电容、提高耦合系数与灵敏度为设计原则。在应用于高温环境时，由于重掺杂单晶硅的导电性能根据温度而变化，因而应根据不同的温度情况，采用适宜的工作电压，以保证传感器对微小压力的准确测量。另外，本结构中上电极4与下电极5之间无电隔绝层，因此要在后续测量电路设置相应的过流保护电路，防止薄膜发生塌陷后对结构自身以及其他相关设备的损坏。

本发明一种基于CMUT的超微压力传感器的主要性能指标如下：

测量范围：0～100Pa

测量精度：优于2%FS

灵敏度：180Hz/Pa

工作温度：-50～300℃

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种电容式微加工超声传感器，其特征在于：其整体结构自上而下依次为：单晶硅振动薄膜（1）、二氧化硅支柱（2），以及单晶硅基座（3），其中，所述二氧化硅支柱（2）中间的部分为空腔（6），所述单晶硅振动薄膜（1）的中间部分经硼离子重掺杂形成上电极，所述单晶硅基座（3）的中间部分经硼离子重掺杂形成下电极，上电极和下电极的横向尺寸小于或等于空腔（6）的横向尺寸且大于空腔（6）横向尺寸的一半。

2.如权利要求1所述的一种电容式微加工超声传感器，其特征在于：所述单晶硅振动薄膜（1）的厚度为0.06～0.12um。

3.如权利要求1所述的一种电容式微加工超声传感器，其特征在于：所述单晶硅振动薄膜（1）的有效振动薄膜横向尺寸为5μm～15μm，所述有效振动薄膜为空腔（6）以上的振动薄膜部分。

4.如权利要求3所述的一种电容式微加工超声传感器，其特征在于：所述空腔（6）的横向尺寸与有效振动薄膜的横向尺寸相等，为5～15μm，空腔（6）高度与二氧化硅支柱（2）相等，为0.08～0.15μm。

5.如权利要求1所述的一种电容式微加工超声传感器，其特征在于：所述上电极和下电极的电阻率小于10^-3Ω·cm。

6.一种电容式微加工超声传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）取<111>晶向单晶硅，采用局部离子注入技术在单晶硅中部注入硼离子，使其电阻率小于10^-3Ω·cm，其中，重掺杂单晶硅部分形成下电极（5），其余部分为CMUT基座（3）；

（2）采用等离子体增强化学气相沉积技术在CMUT基座（3）上沉积二氧化硅层，然后光刻该二氧化硅层，形成空腔图形窗口，接着用缓冲刻蚀液刻蚀掉暴露于图形窗口中二氧化硅层，剩余的二氧化硅层形成二氧化硅支柱（2），最后采用化学机械抛光技术对二氧化硅支柱（2）的上表面进行抛光，形成第一部分；

（3）取SOI晶片，采用干法氧化技术将SOI晶片的顶部单晶硅薄片的上表面进行干法氧化形成二氧化硅层，其中氧化形成的二氧化硅层的厚度与生成二氧化硅层时所消耗的单晶硅薄片厚度之比为1:0.44，未被氧化的部分称为单晶硅层；

（4）用缓冲刻蚀液将步骤（3）形成的二氧化硅层刻蚀掉，露出未被氧化的单晶硅层，然后，在单晶硅层的中部采用局部离子注入技术重掺杂硼离子，使其电阻率小于10^-3Ω·cm，其中，重掺杂单晶硅部分形成上电极（4），最后对单晶硅层的上表面进行化学机械抛光，形成第二部分；

（5）在真空环境下，将步骤（2）得到的第一部分和步骤（4）得到的第二部分进行阳极键合，其中，第一部分的二氧化硅支柱（2）的上表面与第二部分的单晶硅层的上表面进行键合；

（6）将步骤（5）得到的器件采用湿法刻蚀自上而下依次去除SOI晶片的衬底单晶硅和80%的埋层二氧化硅，然后再用缓冲刻蚀液刻蚀剩余20%的埋层二氧化硅。

7.一种电容式微加工超声传感器的应用方法，其特征在于：所述电容式微加工超声传感器用于实现灵敏度高于150Hz/Pa和量程低于300Pa的超低微压测量，具体方法为：通过仿真分析和实验手段共同确定CMUT的最佳工作点，即偏置直流电压，同时确定固有谐振频率以及该频率点的交流信号，交流信号的电压幅值与偏置电压之和应小于CMUT塌陷电压，以耦合系数最大为原则；在所确定的偏置直流电压和谐振频率交流信号激励下，CMUT发生谐振，将其置于微小压力环境中，由于压力作用在CMUT振动薄膜上，改变CMUT振动状态，失去谐振，此时调节交流信号频率，使CMUT再次发生谐振，记录该谐振频率，计算固有谐振频率与该压力作用下的谐振频率差Δf，再由压力和频移之间的函数关系P=Δf/k，即可求得所测压力值，实现压力测量。

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