CN103196577B - 一种基于cmut的温度传感器及其制备方法与应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CMUT的温度传感器及其制备方法与应用方法，其整体结构由温度敏感薄膜和基座两部分组成；其中温度敏感薄膜采用高热膨胀系数半导体材料制成，其中部经离子掺杂形成上电极；基座中部自上而下依次为C型空腔、二氧化硅隔绝层、T型下电极；且T型下电极下部外侧由内而外依次为应力缓解凹槽以及二氧化硅底板，二氧化硅底板上围绕C型空腔设置有二氧化硅支柱；该CMUT结构在用于温度测量时，通过温度敏感薄膜与基座之间的热应力失配而引起的敏感薄膜谐振频率变化来实现温度检测；CMUT上、下电极均位于空腔内，有效电极间距小，寄生电容小、可实现低功耗、高灵敏度、快速温度检测。

Description

一种基于CMUT的温度传感器及其制备方法与应用方法

技术领域

本发明属于MEMS技术领域，涉及一种温度检测装置，特别是一种基于CMUT的温度传感器及其制备方法与应用方法。

背景技术

温度传感器主要用于温度的测量，是一种应用广泛的传感器。温度是一个和人们生活环境密切相关的物理量，也是一个在生产、科研、生活中需要测量的重要物理量。因为材料的各种性能几乎都与温度有关，所以，温度的精确测量在相关领域的生产和科研中一直都是一项非常重要的任务。因此，对该类传感器的研究具有极其重要的价值。

目前出现的温度传感器主要包括热敏电阻、基于不同热膨胀系数的双金属片、热电偶、PN节、声表面波、石英晶体谐振式、MEMS温度传感器等。温度传感器的发展也从传统的分立式温度传感器到模拟集成温度传感器/控制器乃至智能温度传感器。随着工业自动化程度的提高和多传感器信息融合技术的发展，迫切的需要热惯性小，响应迅速，体积小，能耗低的温度传感器。

近年来，随着微电子技术和MEMS技术的发展，MEMS温度传感器的研究逐渐增多。MEMS温度传感器较传统的温度传感器而言，具有体积小，质量轻、固有热容小而且易于实现集成化的热点，相对传统温度传感器有很大的优势。

CMUT是基于MEMS技术的研究热点之一，具有尺寸小、重量轻、机电性能好、灵敏度高、带宽宽、噪声低、工作温度范围宽等优点。此外，CMUT可批量制造、形成高密度阵列，易与电子元件集成在同一硅片上。如今，CMUT已成功用于医学成像、无损探伤、物距检测和流速测量领域，并在市场上有成熟的商业产品。上述CMUT的诸多优点及其成功应用经验为基于CMUT的温度传感器的设计和制备供了有利条件。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于CMUT的温度传感器及其制备方法与应用方法，以实现低功耗、高灵敏度温度检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于CMUT的温度传感器，其整体结构由温度敏感薄膜和基座两部分组成；其中温度敏感薄膜采用高热膨胀系数半导体材料制成，其中部经离子掺杂形成上电极；基座中部自上而下依次为C型空腔、二氧化硅隔绝层、T型下电极；且T型下电极下部外侧由内而外依次为应力缓解凹槽以及二氧化硅底板，二氧化硅底板上围绕C型空腔设置有二氧化硅支柱；所述T型下电极上部位于二氧化硅底板上侧，为下电极的主要部分；T型下电极下部在厚度方向上贯通二氧化硅底板，用于电连接。

所述应力缓解凹槽深度与T型下电极下部厚度相同，将T型下电极下部与二氧化硅底板在横向方向上隔开。

所述应力缓解凹槽表面覆盖有氮化硅层。

一种基于CMUT的温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）取一<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，光刻、刻蚀其上表面形成第一凹槽，并采用局部离子掺杂技术，从第一单晶硅上、下两侧进行离子参杂，形成T型下电极；

（2）光刻第一单晶硅的第一凹槽表面，刻蚀第一凹槽内壁与T型下电极上部之间的未参杂单晶硅，刻蚀深度与T型下电极上部厚度相同，此时初步形成C型空腔形状；

（3）光刻第一单晶硅下表面，从其下表面刻蚀与T型下电极下部相接的未掺杂单晶硅，形成第二凹槽，第二凹槽深度与下电极下部厚度相同；

（4）光刻第一单晶硅下表面，刻蚀第二凹槽外侧单晶硅，减薄第二凹槽外侧单晶硅厚度，以缩短后续氧化工艺时间；

（5）在第一单晶硅上表面沉积氮化硅层，光刻、刻蚀除T型下电极上部表面以外的氮化硅层；同时在第一单晶硅下表面沉积氮化硅层，光刻、刻蚀第二凹槽外侧氮化硅层，余下的氮化硅层覆盖整个第二凹槽和T型下电极下部表面；

（6）采用热氧化技术充分氧化第一单晶硅，使除被保护T型下电极部分外，其余部分单晶硅均被氧化成二氧化硅，此时形成二氧化硅支柱、应力缓解凹槽和二氧化硅底板；

（7）刻蚀掉覆盖在T型下电极上部表面的氮化硅层；

（8）采用干法热氧化技术，氧化T型下电极上部表面，形成一定厚度的二氧化硅隔绝层，最终C型空腔形状；同时，取另一单晶硅作为第二单晶硅，用作衬底，在其上表面沉积温度敏感薄膜层；

（9）采用化学机械抛光技术抛光第一单晶硅的上表面，即二氧化硅支柱表面；同时采用局部离子掺杂技术在第二单晶硅的温度敏感薄膜层上参杂硼离子形成上电极，并用化学机械抛光技术抛光其上表面；

（10）将第一单晶硅的支柱上表面与第二单晶硅上温度敏感薄膜上表面阳极键合，形成真空C型空腔；

（11）刻蚀掉第二单晶硅，释放温度敏感薄膜，并化学机械抛光其表面；光刻第一单晶硅下表面氮化硅层，刻蚀掉覆盖在T型下电极下部表面的氮化硅层。

步骤（8）中在第二单晶硅表面沉积多晶硅或碳化硅层。

一种基于CMUT的温度传感器应用方法，测量CMUT的谐振频率，当温度改变时，因温度敏感薄膜与二氧化硅底板之间因热膨胀系数存在较大差异而致使温度敏感薄膜在温度变化时产生较大内应力变化，进而引起CMUT谐振频率发生变化，记录该频率变化，通过温度变化与频率变化之间的对应关系即可得到所测温度值。

本发明一种基于CMUT的温度传感器，其基本工作机理为：温度敏感薄膜与二氧化硅底板之间因热膨胀系数存在较大差异而致使温度敏感薄膜在温度变化时产生较大内应力变化，进而引起CMUT谐振频率发生变化，通过温度变化与频率变化之间的对应关系即可得到所测温度值。

本发明一种基于CMUT的温度传感器至少具有以下优点：

1、CMUT上、下电极均位于空腔内，相对于用整个单晶硅基底作为下电极的情况，该结构两电极之间有效电极间距较小、寄生电容小，因而可实现低功耗、高灵敏度温度检测。

2、由于通过CMUT谐振频率变化实现温度检测，数字化输出信号、便于传输、抗干扰能力强。

3、基座结构设计充分考虑温度变化对结构内应力及其形状的影响，能有效确保该温度传感器在大温度范围内工作性能的稳定性。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明制备方法的流程图；

图中的标号如下表示：

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

请参考图1，对其具体结构及相应功能特征进行说明：

本发明总体结构由温度敏感薄膜1和基座2组成，其中基座2中部自上而下依次为C型空腔7、二氧化硅隔绝层6、T型下电极5；T型下电极下部4外侧由内而外依次为应力缓解凹槽10、二氧化硅底板9。

所述温度敏感薄膜1中部区域经离子重掺杂后用作上电极，采用高热膨胀系数半导体材料，其厚度以保持良好的导电性和温度敏感性为宜。

所述二氧化硅隔绝层6覆盖在T型下电极上部3表面，采用干法氧化技术形成，其热膨胀系数为0.55×10-6/℃小于单晶硅材料的2.33×10-6/℃，因而能有效抑制T型下电极上部3因温度变化引起的变形，确保CMUT工作参数的稳定性（塌陷电压、机电耦合系数等）；另外，二氧化硅隔绝层6还用于上、下电极之间的电绝缘。二氧化硅隔绝层6厚度应根据T型下电极上部3厚度以及所测温度范围确定。

所述T型下电极5由电极上部3和电极下部4组成，其中电极上部3位于空腔内部，平行于温度敏感薄膜1（上电极），与上电极形成平行板电容；电极上部3厚度应使其具有良好的导电性和较小内应力。电极下部4在厚度方向（纵向方向）上贯通二氧化硅底板9，用于与外部电源之间的电连接，其横向尺寸应保证其具有良好的导电性能。

所述应力缓解凹槽10围绕T型下电极下部4，位于T型下电极下部4与二氧化硅底板9之间，应力缓解凹槽10表面覆盖有氮化硅层11、其在横向方向上将T型下电极下部4与二氧化硅底板9隔离开，避免了二者之间因温度引起的内应对基座2结构的影响，应力缓解凹槽10在基座2上的深度与T型下电极下部4的厚度相同，其宽度可根据基座2结构强度和加工工艺确定。

所述氮化硅层11覆盖T型下电极下部4外侧表面，或者覆盖应力缓解凹槽10，在实际制作过程中由于目前加工工艺的限制，只能满足覆盖应力缓解凹槽10大部分表面，未覆盖10整个表面，这是由所设计的加工工艺决定的。氮化硅层11一方面用于电隔离、保护T型下电极下部4，另一方面可以抑制T型下电极下部4因温度引起的形变。

所述二氧化硅底板9用于支撑基座2的其他结构部分，如二氧化硅支柱8、T型下电极5等。

所述温度敏感薄膜1热膨胀系数远大于基座2即二氧化硅支柱和二氧化硅底板的（主要是热氧化二氧化硅，下电极5对基座2的影响可忽略）热膨胀系数，因而当温度变化时，温度敏感薄膜1应力状态会发生较大的变化，从而改变CMUT的谐振频率，本发明即是基于这一机理实现温度的检测。

本发明基于CMUT的温度传感器，该CMUT结构在用于温度测量时，主要通过温度敏感薄膜与基座之间的热应力失配而引起的敏感薄膜谐振频率变化来实现温度检测。其具体应用方法为：设计后续谐振电路来追踪CMUT敏感探头的谐振频率变化，用频率计数器或其他器件来测量该频率。具体测量时，需校准某一参考温度（如0℃）对应的谐振频率，当温度改变时，敏感薄膜1内应力状态发生改变，进而引起CMUT谐振频率也会发生相应的变化，用频率计数器记录此频率变化，即可通过谐振频移与温度变化之间的关系获得被测温度值。

请参考图2，对本发明的制备方法进行详细说明：

（1）取一<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，光刻、刻蚀其上表面形成第一凹槽，并采用局部离子掺杂技术，从第一单晶硅上、下两侧进行离子参杂，形成T型下电极5及未掺杂单晶硅11。

（2）光刻第一单晶硅的第一凹槽表面，刻蚀第一凹槽内壁与下电极上部之间的未参杂单晶硅，刻蚀深度与T型电极上部厚度相同，此时初步形成C型空腔形状，形成未掺杂单晶硅12。

（3）光刻第一单晶硅下表面，从其下表面刻蚀与T型下电极下部（参杂单晶硅）相接的未掺杂单晶硅，形成第二凹槽13，第二凹槽深度与下电极5下部厚度相同。

（4）光刻第一单晶硅下表面，刻蚀第二凹槽13外侧单晶硅，以减薄第二凹槽外侧单晶硅厚度，缩短后续氧化工艺时间，此时未掺杂单晶硅12变为14。

（5）在第一单晶硅上表面沉积氮化硅层，光刻、刻蚀除T型下电极5上部表面以外的氮化硅层，余下的T型下电极5上部表面的氮化硅层15用于防止T型下电极5的上表面在后续氧化工艺中被氧化；同时在第一单晶硅下表面沉积氮化硅层，光刻、刻蚀第二凹槽13外侧氮化硅层，余下的氮化硅层16覆盖整个凹槽13和下电极5下部表面，用于防止下电极5下部表面在后续氧化工艺中被氧化。

（6）采用热氧化技术充分氧化第一单晶硅，使除被保护T型下电极5外其余部分单晶硅14均被氧化成二氧化硅，此时形成二氧化硅支柱8、应力缓解凹槽10和二氧化硅底板9。

（7）刻蚀掉覆盖在T型下电极5上部表面的氮化硅层15。

（8）采用干法热氧化技术，氧化T型下电极5上部表面，形成一定厚度二氧化硅隔绝层6和最终C型空腔形状。同时，取另一单晶硅作为第二单晶硅，用作衬底，在其上表面沉积温度敏感薄膜层（如多晶硅、碳化硅）。

（9）采用化学机械抛光技术抛光第一单晶硅的上表面，也即支柱8表面；同时采用局部离子掺杂技术在第二单晶硅的温度敏感薄膜层上参杂硼离子形成上电极（温度敏感薄膜）1，并用化学机械抛光技术抛光1上表面。

（10）将第一单晶硅支柱8上表面与第二单晶硅上温度敏感薄膜1上表面阳极键合，形成真空C型空腔7。

（11）刻蚀掉第二单晶硅，释放温度敏感薄膜1，并化学机械抛光其表面，以期获得较好的力学性能；光刻第一单晶硅下表面氮化硅层16，刻蚀掉覆盖在下电极5下部表面的氮化硅，以便于实现下电极电连接，形成最终氮化硅层11。

结合上述实施方式，本发明基于CMUT的温度传感器，其参考结构参数为：

温度敏感薄膜有效直径：10~200μm

温度敏感薄膜厚度：0.1~10μm

有效空腔高度：0.2~5μm

空腔直径：10~200μm

本发明一种基于CMUT的温度传感器，其参考性能指标为：

温度灵敏度：量级kHz/℃

温度范围：0~120℃，具体温度范围由传感器的结构和材料参数进行确定。

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 (6)

1.一种基于CMUT的温度传感器，其特征在于：其整体结构由温度敏感薄膜(1)和基座(2)两部分组成；其中温度敏感薄膜(1)采用高热膨胀系数半导体材料制成，其中部经离子掺杂形成上电极；基座(2)中部自上而下依次为C型空腔(7)、二氧化硅隔绝层(6)、T型下电极(5)；且T型下电极下部(4)外侧由内而外依次为应力缓解凹槽(10)以及二氧化硅底板(9)，二氧化硅底板(9)上围绕C型空腔设置有二氧化硅支柱(8)；所述T型下电极上部(3)位于二氧化硅底板(9)上侧，为下电极的主要部分；T型下电极下部(4)在厚度方向上贯通二氧化硅底板(9)，用于电连接。

2.根据权利要求1所述的基于CMUT的温度传感器，其特征在于：所述应力缓解凹槽(10)深度与T型下电极下部(4)厚度相同，将T型下电极下部(4)与二氧化硅底板(9)在横向方向上隔开。

3.根据权利要求1所述的基于CMUT的温度传感器，其特征在于：所述应力缓解凹槽(10)表面覆盖有氮化硅层(11)。

4.一种基于CMUT的温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取一<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅(12)，光刻、刻蚀其上表面形成第一凹槽，并采用局部离子掺杂技术，从第一单晶硅上、下两侧进行离子参杂，形成T型下电极(5)；

(2)光刻第一单晶硅的第一凹槽表面，刻蚀第一凹槽内壁与T型下电极上部之间的未参杂单晶硅，刻蚀深度与T型下电极上部厚度相同，此时初步形成C型空腔形状；

(3)光刻第一单晶硅下表面，从其下表面刻蚀与T型下电极下部相接的未掺杂单晶硅，形成第二凹槽(13)，第二凹槽深度与T型下电极下部厚度相同；

(4)光刻第一单晶硅下表面，刻蚀第二凹槽外侧单晶硅(14)，减薄第二凹槽外侧单晶硅厚度，以缩短后续氧化工艺时间；

(5)在第一单晶硅上表面沉积氮化硅层(15)，光刻、刻蚀除T型下电极上部表面以外的氮化硅层；同时在第一单晶硅下表面沉积氮化硅层(16)，光刻、刻蚀第二凹槽(13)外侧氮化硅层，余下的氮化硅层覆盖整个第二凹槽(13)和T型下电极下部表面；

(6)采用热氧化技术充分氧化第一单晶硅，使除被保护T型下电极部分外，其余部分单晶硅均被氧化成二氧化硅，此时形成二氧化硅支柱(8)、应力缓解凹槽(10)和二氧化硅底板(9)；

(7)刻蚀掉覆盖在T型下电极上部表面的氮化硅层；

(8)采用干法热氧化技术，氧化T型下电极上部表面，形成一定厚度的二氧化硅隔绝层，最终形成C型空腔形状；同时，取另一单晶硅作为第二单晶硅，用作衬底，在其上表面沉积温度敏感薄膜层；

(9)采用化学机械抛光技术抛光第一单晶硅的上表面，即二氧化硅支柱(8)表面；同时采用局部离子掺杂技术在第二单晶硅的温度敏感薄膜层(1)上参杂硼离子形成上电极，并用化学机械抛光技术抛光其上表面；

(10)将第一单晶硅的支柱上表面与第二单晶硅上温度敏感薄膜层上表面阳极键合，形成真空C型空腔(7)；

(11)刻蚀掉第二单晶硅，释放温度敏感薄膜，并化学机械抛光其表面；光刻第一单晶硅下表面氮化硅层，刻蚀掉覆盖在T型下电极下部表面的氮化硅层。

5.根据权利要求4所述的基于CMUT的温度传感器的制备方法，其特征在于：步骤(8)中在第二单晶硅表面沉积多晶硅或碳化硅层。

6.一种如权利要求1所述的基于CMUT的温度传感器的应用方法，其特征在于：测量CMUT的谐振频率，当温度改变时，因温度敏感薄膜与二氧化硅底板之间因热膨胀系数存在较大差异而致使温度敏感薄膜在温度变化时产生较大内应力变化，进而引起CMUT谐振频率发生变化，记录该频率变化，通过温度变化与频率变化之间的对应关系即可得到所测温度值。