[发明专利]一种基于CMUT的温度传感器及制备和应用方法

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；