CN103217228B - 一种基于cmut的温度传感器及制备和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于CMUT的温度传感器及制备和应用方法，基于CMUT的温度传感器，其总体结构由温度敏感薄膜和基座两大部分组成；其中温度敏感薄膜自上而下由高热膨胀系数金属层和二氧化硅薄膜组成，其中基座上部中间部分设置有空腔和围绕空腔的二氧化硅支柱，基座下部中间部分设置有下电极、围绕下电极的应力释放凹槽；所述温度传感器的基本工作原理为：通过温度敏感层对温度变化的敏感性引起的CMUT电参数的变化来实现温度的检测，相对于悬臂梁式温度传感器，具有结构坚固、能用高温度冲击等恶劣环境以及能实现高灵敏度温度检测的优点，为温度检测开辟了新途径。
Description
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的温度传感器及制备和应用方法。
背景技术
目前，在用于环境温度检测的传感器中研究较多的是基于石英晶体和基于悬臂梁的谐振式温度传感器。石英晶体温度传感器依据其振动频率的温度效应来实现温度的测量，具有分辨率高、输出信号易于数字化、抗干扰强等优点。但由于石英材料的各向异性特性，传感器的测量精度取决于石英晶体的切型，即切割的精确性，对切割技术要求高；另外，由于石英晶体的加工技术与MEMS微加工技术不兼容，因而难以实现微型化，这些方面的不足限制了石英晶体传感器在微型机电系统中广泛应用。而基于悬臂梁结构的温度传感器则能很好利用MEMS硅微加工技术实现温度传感器的微型化，形成低成本批量生产，同时易于与IC电路集成，因而成为目前研究的热点。这种温度传感器主要利用双层悬臂梁因温度变化引起的热应力失配和悬臂梁形变对谐振频率的影响来实现温度检测。它同样具有类似于石英晶体传感器的高分辨、数字化输出信号等优点。但由于悬臂梁结构为单端固支梁，要保证其结构的强度和在大范围温度变化中工作的可靠性，其厚度不能太薄，这在一定程度上限制了悬臂梁温度传感器灵敏度的提高；另外，整个悬臂梁结构处于环境介质中，由于阻尼的因素，其品质因子无法进一步提高。
CMUT是基于MEMS技术的重要研究成果之一，它克服传统压电超声传感器工作于空气介质中阻抗失配的缺点，已广泛应用于超声成像、无损检测等领域。近年来，其应用范围及应用方法都在进一步拓展，比如有关报道试图将其用于生化物质检测、用于流体密度检测等。这些应用都是基于CMUT结构、制备以及其驱动方式的优点。CMUT振动薄膜将空腔真空密封，因而薄膜的一侧为真空，另一侧与环境介质接触，这决定了其相对于两侧均与介质接触的振动结构具有较高的品质因子，在已有的报道中其品质因子可以达到几百；另外，其振动薄膜周边固支，相对于悬臂梁结构更加坚固，因而其薄膜厚度可以进一步减薄，为实现更高灵敏度的温度检测提供了条件。除此之外，CMUT还具有类似于悬臂梁的易于微加工、低成本批量生产、易于与电路集成等特点。现有技术中基于MEMS技术的微型传感器——电容式微加工超声传感器(CMUT)在温度检测方面还没有实际应用的实例。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于CMUT的温度传感器及制备和应用方法，以实现高灵敏度的温度测量，同时为温度参数的获取提供一种新的检测途径。
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，其总体结构由温度敏感薄膜和基座两大部分组成；其中温度敏感薄膜自上而下由高热膨胀系数金属层和二氧化硅薄膜组成，高热膨胀系数金属层同时作为温度传感器的上电极；其中基座上部中间部分设置有空腔和围绕空腔的二氧化硅支柱，基座下部中间部分设置有下电极、围绕下电极的应力释放凹槽，下电极和应力释放凹槽表面覆盖有氮化硅层，氮化硅层上开设有下电极电连接窗口。
所述应力释放凹槽顶部与下电极上侧在同一平面将下电极与基座在横向方向上隔开。
所述上电极和下电极形状与空腔形状相同，上电极和下电极横向尺寸小于或等于空腔的横向尺寸。
所述基座各组成部分由同一单晶硅经热氧化、离子掺杂和刻蚀工艺形成。
所述基座除下电极外，其余部分材料均为二氧化硅。
所述高热膨胀系数金属层材料为金或铝。
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>晶向单晶硅片作为第一单晶硅，氧化第一单晶硅上表面使第一单晶硅形成上部二氧化硅层和下部单晶硅层，其中上部二氧化硅层的厚度大于下部单晶硅层的厚度，并刻蚀二氧化硅层形成空腔和支柱；
(2)光刻第一单晶硅的下部单晶硅层下表面形成应力释放凹槽图形窗口，刻蚀释放凹槽图形窗口内单晶硅层，刻蚀停止于二氧化硅层，形成凹槽；此时下部单晶层被分成两部分，即内侧单晶硅层部分和外侧单晶硅层部分；
(3)采用局部离子掺杂技术重掺杂第一单晶硅下部内侧单晶硅层部分形成下电极，并在第一单晶硅下表面沉积一定厚度的氮化硅层；
(4)光刻、刻蚀第一单晶硅下表面沉积的氮化硅层，露出第一单晶硅下部外侧单晶硅层部分；
(5)氧化第一单晶硅下表面使其下部外侧单晶硅层部分完全形成二氧化硅；另外，取另一<111>晶向单晶硅片作为第二单晶硅，氧化其上表面，形成二氧化硅薄膜层；
(6)抛光第一单晶硅和第二单晶硅上表面，将第一单晶硅和第二单晶硅上表面真空熔融键合，形成真空腔，其中第二单晶硅在上，第一单晶硅在下；
(7)机械法去掉第二单晶硅上未被氧化单晶硅的80％，然后再用DEP溶液刻蚀掉剩余的20％单晶硅，第二单晶硅上的二氧化硅薄膜作为刻蚀停止层，并对该二氧化硅薄膜的上表面进行抛光；
(8)在二氧化硅薄膜上沉积高热膨胀系数金属层，刻蚀形成最终金属层形状，同时刻蚀第二单晶硅下表面氮化硅层，形成下电极电连接窗口。
一种基于CMUT的温度传感器的应用方法：所述基于CMUT的温度传感器用于温度测量。
在某一参考温度下，给温度传感器两电极之间施加一定的直流偏置和谐波电压，使其在非塌陷工作模式下发生谐振，将此时的电气参数和对应的温度值分别作为电参数和温度的参考值，当温度变化时，用阻抗分析仪测量此时的电气参数，通过电气参数的相对变化值与温度变化值之间的对应关系实现温度的测量。
本发明所述基于CMUT的温度传感器相对于悬臂梁式温度传感器，下电极与基座在横向方向上通过应力释放凹槽隔开，可以减少由于单晶硅材料与二氧化硅材料因热膨胀系数不同而引起的内应力以及基座的变形。应力释放凹槽及下电极表面覆盖有氮化硅层，氮化硅层能有效抑制下电极因温度变化引起的形变，尽量有效减小电极的变化，维持CMUT工作的稳定性；另一方面，氮化硅层在抑制下电极的变形的同时也减小了下电极与其上侧基座之间的内应力，从而进一步减小了整个基座因温度引起的形变，提高温度测量精度，实现高灵敏度温度检测，同时温度传感器具有结构坚固、能用于高温度冲击等恶劣环境。
进一步，由于基座主要材料为二氧化硅，其热膨胀系数与二氧化硅薄膜相同，因而二氧化硅薄膜与基座在温度变化中不会有内应产生，敏感薄膜的应力变化只来源于金属层与二氧化硅薄膜之间的热应力失配，便于温度传感器的设计与控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明基于CMUT的温度传感器的制备方法流程图；
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，本发明其整体结构由温度敏感薄膜1和基座2两部分组成。
所述二氧化硅薄膜1由高热膨胀系数金属层3和二氧化硅薄膜4组成。其中金属层3用作上电极，同时用作温度敏感元件的组成部分，其材料可为铝、金等，优选为铝材料，其形状与空腔相同，横向尺寸(平行于金属层表面的尺寸)小于或等于空腔5的横向尺寸，厚度尺寸应保证其良好的导电性和温度敏感性。其中二氧化硅薄膜4用作振动薄膜，同时用作温度敏感元件的组成部分，其尺寸根据所需温度检测灵敏度进行设计。
所述基座2经同一单晶硅片形成，由真空腔5、二氧化硅支柱6、下电极7、应力释放凹槽8、氮化硅层9、下电极电连接窗口10组成。所述真空腔5和二氧化硅支柱6由单晶硅氧化、刻蚀形成。
所述下电极7由单晶硅经离子重掺杂形成，位于基座2的下部中间部分，其形状与空腔形状相同，横向尺寸小于或等于空腔横向尺寸，以保证充足的有效电极和较小寄生电容为准。其厚度尺寸在保证充分的导电性能同时应尽量减小因温度引起的内应力。
所述应力释放凹槽8位于下电极7周围，在横向方向上将下电极7与下电极7外侧的二氧化硅隔开，以减小因温度变化时下电极7与其外侧二氧化硅内应力，进而减小基座2的变形。应力释放凹槽8的顶部与下电极7的上侧在同一平面。其宽度可根据氮化硅层9厚度和加工工艺确定。
所述氮化硅层9覆盖几乎整个下电极7表面和应力释放凹槽8部分表面，用于实现与下电极7的应力匹配，抑制下电极7因温度变化而发生的变形及其与上侧二氧化硅的之间的内应力，确保基座2在温度变化中结构的稳定性。氮化硅层9的厚度可根据下电极7和具体的温度范围确定。
所述下电极电连接窗口10位于下电极7的下表面、氮化硅层9中，主要用于下电极的电连接。
所述基座2的结构可确保基底在温度变化中产生较小的内应力和形状改变，减小结构变化对CMUT工作性能(偏执电压、耦合效率、灵敏度等)及其电气参数的影响。
所述二氧化硅薄膜4的材料与基座2的绝大部分(除下电极7和氮化硅层9)材料热膨胀系数相同，因而二氧化硅薄膜4和基座2之间无热应力产生，CMUT电气参数改变只取决于温度敏感薄膜1中由二氧化硅薄膜4和金属层3引起的应力和形状变化，便于传感器的设计与控制。
请参考图2，对本发明基于CMUT的温度传感器的制备方法进行说明：
(1)取<111>晶向单晶硅片作为第一单晶硅，采用连续热氧化技术氧化第一单晶硅上表面，使第一单晶硅形成上部二氧化层11和下部单晶硅层12，其中上部二氧化硅层11的厚度大于下部单晶硅层12的厚度，并刻蚀二氧化硅层形成空腔5和支柱6。
(2)光刻第一单晶硅的下部单晶硅层12下表面形成应力释放凹槽图形窗口，刻蚀图形窗口内单晶硅层，刻蚀停止于二氧化硅层11，形成凹槽14。此时将下部单晶层分成两部分，其中内侧单晶硅13用于形成下电极，外侧单晶硅部分将进一步被氧化。
(3)采用局域离子掺杂技术重掺杂第一单晶硅下部内侧单晶硅层13，形成下电极7，并在第一单晶硅下表面沉积一定厚度氮化硅层15。
(4)光刻、刻蚀第一单晶硅下表面沉积氮化硅层15，露出第一单晶硅下部外侧单晶硅部分，此时剩余氮化硅层16完全覆盖凹槽14以及内侧重掺杂单晶硅7的表面，以防止其在后续氧化工艺中被氧化。
(5)采用干法氧化工艺氧化第一单晶硅下表面使其下部外侧单晶硅部分完全形成二氧化硅，至此第一单晶硅除用作下电极的重掺杂单晶硅层7外，其余单晶硅皆被氧化成二氧化硅17，同时形成最终应力释放凹槽8。另外，取另一<111>晶向单晶硅片作为第二单晶硅，氧化其上表面，形成二氧化硅薄膜层4。
(6)采用化学机械抛光技术同时抛光第一单晶硅和第二单晶硅上表面，即支柱5和薄膜4的上表面，并采用熔融键合技术将二氧化硅17和二氧化硅薄膜层4的上表面真空键合，形成真空腔5。其中第二单晶硅在上，第一单晶硅在下。
(7)机械法去掉第二单晶硅上未被氧化单晶硅18的80％，然后再用DEP溶液刻蚀掉剩余的20％单晶硅，此时第二单晶硅上的二氧化硅薄膜4可作为刻蚀停止层，并对该二氧化硅薄膜4的上表面进行化学机械抛光，以尽量保证薄膜在温度变化中应力变化的均匀性。
(8)在二氧化硅薄膜4上沉积高热膨胀系数金属材料，并刻蚀形成金属层3，同时刻蚀第一单晶硅下侧氮化硅层16，形成下电极电连接窗口10。
所述温度传感器的基本工作原理为：通过温度敏感薄膜对温度变化的敏感性引起的CMUT电参数的变化来实现温度的检测。
本发明一种基于CMUT的温度传感器，其具体应用方法为：在某一参考温度下(如0℃)，给CMUT的两电极之间施加一定的直流偏置和谐波电压，使其在非塌陷工作模式下发生谐振，将此时CMUT电气参数包括电阻抗、电感、电阻、电容等和对应的温度值(如0℃)分别作为电参数和温度的参考值，此时应用高精度温度计和阻抗分析仪对参考温度和电气参数进行校准。当温度变化时，温度敏感薄膜应力状态以及薄膜形状会发生相应的变化，进而引起CMUT谐振频率和谐振时的电气参数发生变化，改变谐波电压频率使CMUT再次发生谐振，谐振时电阻抗参数最小，用阻抗分析仪测量此时的电气参数，通过电气参数的相对变化值与温度变化值之间的对应关系即可实现温度的测量。
结合上述实施方式，本发明一种基于CMUT的温度传感器参考结构参数为：
金属层直径：16～100μm
金属层厚度：0.5～10μm
二氧化硅薄膜厚度：0.1～5μm
空腔高度：0.4～2μm
空腔直径：16～100μm
本发明一种基于CMUT的温度传感器参考性能指标为：
温度灵敏度：由阻抗参数(阻抗、电容、电阻)变化值与温度变化之比确定。
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。
本发明并不限于所述实施方式，所述CMUT结构的薄膜形状、尺寸，电极形状、尺寸，空腔的形状、尺寸等可根据具体性能需求进行确定，以提高CMUT温度灵敏度及工作可靠性、稳定性为优化目标。
Claims (7)
1.一种基于CMUT的温度传感器，其特征在于：其总体结构由温度敏感薄膜(1)和基座(2)两大部分组成；其中温度敏感薄膜(1)自上而下由高热膨胀系数金属层(3)和二氧化硅薄膜(4)组成，高热膨胀系数金属层(3)同时作为温度传感器的上电极；所述高热膨胀系数金属层(3)材料为金或铝；其中基座(2)上部中间部分设置有空腔(5)和围绕空腔的二氧化硅支柱(6)，基座下部中间部分设置有下电极(7)、围绕下电极的应力释放凹槽(8)，下电极(7)和应力释放凹槽(8)表面覆盖有氮化硅层(9)，氮化硅层(9)上开设有下电极电连接窗口(10)。
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：所述应力释放凹槽(8)顶部与下电极(7)上侧在同一平面，应力释放凹槽(8)将下电极(7)与二氧化硅支柱(6)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：所述上电极和下电极形状与空腔形状相同，上电极和下电极横向尺寸小于或等于空腔的横向尺寸。
4.根据权利要求1所述的基于CMUT的温度传感器，其特征在于：所述基座各组成部分由同一单晶硅经热氧化、离子掺杂和刻蚀工艺形成。
5.根据权利要求1所述的基于CMUT的温度传感器，其特征在于：所述基座除氮化硅层和下电极外，其余部分材料均为二氧化硅。
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：所述基于CMUT的温度传感器用于温度测量。
7.根据权利要求6所述的基于CMUT的温度传感器的应用方法，其特征在于：在某一参考温度下，给温度传感器两电极之间施加一定的直流偏置和谐波电压，使其在非塌陷工作模式下发生谐振，将此时的电气参数和对应的温度值分别作为电参数和温度的参考值，当温度变化时，用阻抗分析仪测量此时的电气参数，通过电气参数的相对变化值与温度变化值之间的对应关系实现温度的测量。
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