[发明专利]一种基于CMUT的温度传感器及其制备方法与应用方法

说明书

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；