[发明专利]一种基于CMUT 的超低量程压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于MEMS技术领域，涉及一种基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法。 

背景技术

超低量程压力传感器主要用来测量极其微小的压力变化。随着科学技术的速迅发展，该类低量程压力传感器在工业控制、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则具有极其重要的实用意义。 

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超低量程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工作，通过硅膜受压后膜内集成惠斯登电桥输出电压的变化来测量被测压力的大小。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，增加了测量的复杂性，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，成 本高。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和更高灵敏度的超低微压的测量。因而本文将避开上述常见的三种结构，欲将基于MEMS技术更具有结构和性能优势的CMUT(Capactive Micro-machined Ultrasonic Transducer，电容微加工超声传感器)用于超微压力测量。CMUT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虽已广泛应用医疗、生物、化学、军事等领域，但在超低微压测量方面的应用还未见相关报道。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法，以实现更小量程(小于300Pa)和更高灵敏度(大于150Hz/Pa)的压力测量，进而满足极端环境中超低微压测量的要求。 

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其整体结构自上而下依次为：金属铝上电极、二氧化硅薄膜、二氧化硅支柱、单晶硅基座、氮化硅绝缘层、金属铝下电极，其中，所述二氧化硅支柱的中间部分形成与二氧化硅等高的空腔，金属铝上电极和金属铝下电极分别位于二氧化硅薄膜和氮化硅绝缘层的中间部分，且金属铝上电极和金属铝下电极的横向尺寸大于等于空腔相应尺寸的一半，但小于等于空腔横向尺寸。 

作为本发明的优选实施例，所述金属铝上电极的厚度为0.02～0.05μm； 

作为本发明的优选实施例，所述二氧化硅薄膜的厚度为0.04～0.1μm，横向 尺寸为5～12μm； 

作为本发明的优选实施例，所述二氧化硅支柱的厚度为0.05～0.15μm； 

作为本发明的优选实施例，所述空腔的横向尺寸为5～12μm； 

作为本发明的优选实施例，所述单晶硅基座的厚度为5～20μm； 

作为本发明的优选实施例，所述氮化硅绝缘层覆盖整个单晶硅基座的下表面，用于将具有半导体性能的单晶硅基座与金属铝下电极完全电隔绝； 

作为本发明的优选实施例，所述金属铝下电极的厚度尺寸为0.1～0.3μm。一种基于CMUT的超低量程压力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，将其上表面采用化学机械抛光CMP技术进行化学机械抛光，然后采用干法热氧化技术将第一单晶硅的上表面进行氧化，在第一单晶硅上表面形成二氧化硅层； 

(2)光刻步骤(1)第一单晶硅上表面二氧化硅层，形成图形窗口，然后采用湿法刻蚀技术去掉暴露于图形窗口中的二氧化硅层，余下周围的二氧化硅层形成二氧化硅支柱3，第一单晶硅未被氧化的部分形成单晶硅基座5；