專利名稱：一種基于cmut的溫度傳感器及制備和應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種溫度檢測裝置，特別是一種基于CMUT的溫度傳感器及制備和應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
目前，在用于環(huán)境溫度檢測的傳感器中研究較多的是基于石英晶體和基于懸臂梁的諧振式溫度傳感器。石英晶體溫度傳感器依據(jù)其振動頻率的溫度效應(yīng)來實現(xiàn)溫度的測量，具有分辨率高、輸出信號易于數(shù)字化、抗干擾強等優(yōu)點。但由于石英材料的各向異性特性，傳感器的測量精度取決于石英晶體的切型，即切割的精確性，對切割技術(shù)要求高；另外，由于石英晶體的加工技術(shù)與MEMS微加工技術(shù)不兼容，因而難以實現(xiàn)微型化，這些方面的不足限制了石英晶體傳感器在微型機電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。而基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的溫度傳感器則能很好利用MEMS硅微加工技術(shù)實現(xiàn)溫度傳感器的微型化，形成低成本批量生產(chǎn)，同時易于與IC電路集成，因而成為目前研究的熱點。這種溫度傳感器主要利用雙層懸臂梁因溫度變化引起的熱應(yīng)力失配和懸臂梁形變對諧振頻率的影響來實現(xiàn)溫度檢測。它同樣具有類似于石英晶體傳感器的高分辨、數(shù)字化輸出信號等優(yōu)點。但由于懸臂梁結(jié)構(gòu)為單端固支梁，要保證其結(jié)構(gòu)的強度和在大范圍溫度變化中工作的可靠性，其厚度不能太薄，這在一定程度上限制了懸臂梁溫度傳感器靈敏度的提高；另外，整個懸臂梁結(jié)構(gòu)處于環(huán)境介質(zhì)中，由于阻尼的因素，其品質(zhì)因子無法進一步提高。CMUT是基于MEMS技術(shù)的重要研究成果之一，它克服傳統(tǒng)壓電超聲傳感器工作于空氣介質(zhì)中阻抗失配的缺點，已廣泛應(yīng)用于超聲成像、無損檢測等領(lǐng)域。近年來，其應(yīng)用范圍及應(yīng)用方法都在進一步拓展，比如有關(guān)報道試圖將其用于生化物質(zhì)檢測、用于流體密度檢測等。這些應(yīng)用都是基于CMUT結(jié)構(gòu)、制備以及其驅(qū)動方式的優(yōu)點。CMUT振動薄膜將空腔真空密封，因而薄膜的一側(cè)為真空，另一側(cè)與環(huán)境介質(zhì)接觸，這決定了其相對于兩側(cè)均與介質(zhì)接觸的振動結(jié)構(gòu)具有較高的品質(zhì)因子，在已有的報道中其品質(zhì)因子可以達到幾百；另外，其振動薄膜周邊固支，相對于懸臂梁結(jié)構(gòu)更加堅固，因而其薄膜厚度可以進一步減薄，為實現(xiàn)更高靈敏度的溫度檢測提供了條件。除此之外，CMUT還具有類似于懸臂梁的易于微加工、低成本批量生產(chǎn)、易于與電路集成等特點。現(xiàn)有技術(shù)中基于MEMS技術(shù)的微型傳感器——電容式微加工超聲傳感器(CMUT )在溫度檢測方面還沒有實際應(yīng)用的實例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于CMUT的溫度傳感器及制備和應(yīng)用方法，以實現(xiàn)高靈敏度的溫度測量，同時為溫度參數(shù)的獲取提供一種新的檢測途徑。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種基于CMUT的溫度傳感器，其總體結(jié)構(gòu)由溫度敏感薄膜和基座兩大部分組成；其中溫度敏感薄膜自上而下由高熱膨脹系數(shù)金屬層和二氧化硅薄膜組成，高熱膨脹系數(shù)金屬層同時作為溫度傳感器的上電極；其中基座上部中間部分設(shè)置有空腔和圍繞空腔的二氧化硅支柱，基座下部中間部分設(shè)置有下電極、圍繞下電極的應(yīng)力釋放凹槽，下電極和應(yīng)力釋放凹槽表面覆蓋有氮化硅層，氮化硅層上開設(shè)有下電極電連接窗口。所述應(yīng)力釋放凹槽頂部與下電極上側(cè)在同一平面將下電極與基座在橫向方向上隔開。所述上電極和下電極形狀與空腔形狀相同，上電極和下電極橫向尺寸小于或等于空腔的橫向尺寸。所述基座各組成部分由同一單晶硅經(jīng)熱氧化、離子摻雜和刻蝕工藝形成。所述基座除下電極外，其余部分材料均為二氧化硅。 所述高熱膨脹系數(shù)金屬層材料為金或鋁。一種基于CMUT的溫度傳感器的制備方法，包括以下步驟:(I)取一〈111〉晶向單晶硅片作為第一單晶硅，氧化第一單晶硅上表面使第一單晶硅形成上部二氧化硅層和下部單晶硅層，其中上部二氧化硅層的厚度大于下部單晶硅層的厚度，并刻蝕二氧化硅層形成空腔和支柱；(2)光刻第一單晶硅的下部單晶硅層下表面形成應(yīng)力釋放凹槽圖形窗口，刻蝕釋放凹槽圖形窗口內(nèi)單晶硅層，刻蝕停止于二氧化硅層，形成凹槽；此時下部單晶層被分成兩部分，即內(nèi)側(cè)單晶硅層部分和外側(cè)單晶硅層部分；(3)采用局部離子摻雜技術(shù)重摻雜第一單晶硅下部內(nèi)側(cè)單晶硅層部分形成下電極，并在第一單晶娃下表面沉積一定厚度的氮化娃層；(4)光刻、刻蝕第一單晶娃下表面沉積的氮化娃層,露出第一單晶娃下部外側(cè)單晶娃層部分；(5)氧化第一單晶硅下表面使其下部外側(cè)單晶硅層部分完全形成二氧化硅；另外，取另一〈111〉晶向單晶硅片作為第二單晶硅，氧化其上表面，形成二氧化硅薄膜層；(6)拋光第一單晶硅和第二單晶硅上表面，將第一單晶硅和第二單晶硅上表面真空熔融鍵合，形成真空腔，其中第二單晶硅在上，第一單晶硅在下；(7)機械法去掉第二單晶硅上未被氧化單晶硅的80%，然后再用DEP溶液刻蝕掉剩余的20%單晶硅，第二單晶硅上的二氧化硅薄膜作為刻蝕停止層，并對該二氧化硅薄膜的上表面進行拋光；(8)在二氧化硅薄膜上沉積高熱膨脹系數(shù)金屬層，刻蝕形成最終金屬層形狀，同時刻蝕第二單晶硅下表面氮化硅層，形成下電極電連接窗口。一種基于CMUT的溫度傳感器的應(yīng)用方法:所述基于CMUT的溫度傳感器用于溫度測量。在某一參考溫度下，給溫度傳感器兩電極之間施加一定的直流偏置和諧波電壓，使其在非塌陷工作模式下發(fā)生諧振，將此時的電氣參數(shù)和對應(yīng)的溫度值分別作為電參數(shù)和溫度的參考值，當(dāng)溫度變化時，用阻抗分析儀測量此時的電氣參數(shù)，通過電氣參數(shù)的相對變化值與溫度變化值之間的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)溫度的測量。本發(fā)明所述基于CMUT的溫度傳感器相對于懸臂梁式溫度傳感器，下電極與基座在橫向方向上通過應(yīng)力釋放凹槽隔開，可以減少由于單晶硅材料與二氧化硅材料因熱膨脹系數(shù)不同而引起的內(nèi)應(yīng)力以及基座的變形。應(yīng)力釋放凹槽及下電極表面覆蓋有氮化硅層，氮化硅層能有效抑制下電極因溫度變化引起的形變，盡量有效減小電極的變化，維持CMUT工作的穩(wěn)定性；另一方面，氮化硅層在抑制下電極的變形的同時也減小了下電極與其上側(cè)基座之間的內(nèi)應(yīng)力，從而進一步減小了整個基座因溫度引起的形變，提高溫度測量精度，實現(xiàn)高靈敏度溫度檢測，同時溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)堅固、能用于高溫度沖擊等惡劣環(huán)境。進一步，由于基座主要材料為二氧化硅，其熱膨脹系數(shù)與二氧化硅薄膜相同，因而二氧化硅薄膜與基座在溫度變化中不會有內(nèi)應(yīng)產(chǎn)生，敏感薄膜的應(yīng)力變化只來源于金屬層與二氧化硅薄膜之間的熱應(yīng)力失配，便于溫度傳感器的設(shè)計與控制。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明基于CMUT的溫度傳感器的制備方法流程圖；圖中的標(biāo)號如下表示:
權(quán)利要求
1.一種基于CMUT的溫度傳感器，其特征在于:其總體結(jié)構(gòu)由溫度敏感薄膜(I)和基座(2)兩大部分組成；其中溫度敏感薄膜(I)自上而下由高熱膨脹系數(shù)金屬層(3)和二氧化硅薄膜(4)組成，高熱膨脹系數(shù)金屬層(3)同時作為溫度傳感器的上電極；其中基座(2)上部中間部分設(shè)置有空腔(5)和圍繞空腔的二氧化硅支柱(6)，基座下部中間部分設(shè)置有下電極(7)、圍繞下電極的應(yīng)力釋放凹槽(8)，下電極(7)和應(yīng)力釋放凹槽(8)表面覆蓋有氮化硅層(9)，氮化硅層(9)上開設(shè)有下電極電連接窗口(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的溫度傳感器，其特征在于:所述應(yīng)力釋放凹槽(8)頂部與下電極(7)上側(cè)在同一平面將下電極(7)與基座(2)在橫向方向上隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的溫度傳感器，其特征在于:所述上電極和下電極形狀與空腔形狀相同，上電極和下電極橫向尺寸小于或等于空腔的橫向尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的溫度傳感器，其特征在于:所述基座各組成部分由同一單晶硅經(jīng)熱氧化、離子摻雜和刻蝕工藝形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的溫度傳感器，其特征在于:所述基座除氮化硅層和下電極外，其余部分材料均為二氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于CMUT的溫度傳感器，其特征在于:所述高熱膨脹系數(shù)金屬層(3)材料為金或鋁。
7.一種基于CMUT的溫度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)取一〈111〉晶向單晶硅片作為第一單晶硅，氧化第一單晶硅上表面使第一單晶硅形成上部二氧化硅層和下部單晶硅層，其中上部二氧化硅層的厚度大于下部單晶硅層的厚度，并刻蝕二氧化硅層形成空腔和支柱； (2)光刻第一單晶硅的下部單晶硅層下表面形成應(yīng)力釋放凹槽圖形窗口，刻蝕釋放凹槽圖形窗口內(nèi)單晶硅層，刻蝕停止于二氧化硅層，形成凹槽；此時下部單晶層被分成兩部分，即內(nèi)側(cè)單晶硅層部分和外側(cè)單晶硅層部分； (3)采用局部離子摻雜技術(shù)重摻雜第一單晶硅下部內(nèi)側(cè)單晶硅層部分形成下電極，并在第一單晶娃下表面沉積一定厚度的氮化娃層； (4)光刻、刻蝕第一單晶娃下表面沉積的氮化娃層,露出第一單晶娃下部外側(cè)單晶娃層部分； (5)氧化第一單晶硅下表面使其下部外側(cè)單晶硅層部分完全形成二氧化硅；另外，取另一〈111〉晶向單晶硅片作為第二單晶硅，氧化其上表面，形成二氧化硅薄膜層； (6)拋光第一單晶硅和第二單晶硅上表面，將第一單晶硅和第二單晶硅上表面真空熔融鍵合，形成真空腔，其中第二單晶硅在上，第一單晶硅在下； (7)機械法去掉第二單晶硅上未被氧化單晶硅的80%，然后再用DEP溶液刻蝕掉剩余的20%單晶硅，第二單晶硅上的二氧化硅薄膜作為刻蝕停止層，并對該二氧化硅薄膜的上表面進行拋光； (8)在二氧化硅薄膜上沉積高熱膨脹系數(shù)金屬層，刻蝕形成最終金屬層形狀，同時刻蝕第二單晶硅下表面氮化硅層，形成下電極電連接窗口。
8.—種如權(quán)利要求1所述的基于CMUT的溫度傳感器的應(yīng)用方法，其特征在于:所述基于CMUT的溫度傳感器用于溫度測量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于CMUT的溫度傳感器的應(yīng)用方法，其特征在于:在某一參考溫度下，給溫度傳感器兩電極之間施加一定的直流偏置和諧波電壓，使其在非塌陷工作模式下發(fā)生諧振，將此時的電氣參數(shù)和對應(yīng)的溫度值分別作為電參數(shù)和溫度的參考值，當(dāng)溫度變化時，用阻抗分析儀測量此時的電氣參數(shù)，通過電氣參數(shù)的相對變化值與溫度變化值 之間的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)溫度的測量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于CMUT的溫度傳感器及制備和應(yīng)用方法，基于CMUT的溫度傳感器，其總體結(jié)構(gòu)由溫度敏感薄膜和基座兩大部分組成；其中溫度敏感薄膜自上而下由高熱膨脹系數(shù)金屬層和二氧化硅薄膜組成，其中基座上部中間部分設(shè)置有空腔和圍繞空腔的二氧化硅支柱，基座下部中間部分設(shè)置有下電極、圍繞下電極的應(yīng)力釋放凹槽；所述溫度傳感器的基本工作原理為通過溫度敏感層對溫度變化的敏感性引起的CMUT電參數(shù)的變化來實現(xiàn)溫度的檢測，相對于懸臂梁式溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)堅固、能用高溫度沖擊等惡劣環(huán)境以及能實現(xiàn)高靈敏度溫度檢測的優(yōu)點，為溫度檢測開辟了新途徑。
文檔編號G01K7/01GK103217228SQ20131008479
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者蔣莊德, 李支康, 趙立波, 葉志英, 王久洪, 王苑, 趙玉龍, 苑國英 申請人:西安交通大學(xué)