[发明专利]一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法，梳齿式超声传感器包括低单晶硅衬底，该衬底上有二氧化硅支柱层，支柱中心刻蚀形成有空腔，空腔上端面用SOI片键合形成密封层，通过抛光工艺将键合晶圆的SOI片硅衬底减薄至梳齿电极厚度，同时SOI片二氧化硅埋层形成二氧化硅绝缘层，通过重掺杂和DRIE工艺将键合晶圆顶端刻蚀出梳齿电极结构以及密封支柱层，再通过二次键合形成二氧化硅保护层，并保证梳齿电极结构处于真空域内。采用梳齿交流电极和梳齿直流电极激振CMUTs薄膜结构，通过对称布置的梳齿电极产生的径向拉压运动而形成的薄膜结构层的弯曲振动，因此相较于传统上、下电极直接加载交流电而产生振动的CMUTs结构，具有更高的品质因子。

技术领域

本发明属于MEMS技术和流体物性测量技术领域，具体涉及一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法。

背景技术

目前，用于流体密度测量的基本原理包括振动式、声速式、静压式、浮力式等。基于这些原理在进行实际流体密度测量时，往往都是提取样品后进行离线测量。众所周知，离线测量的检测环境与实际流体所处的环境有很大的差距，而这些环境误差将导致被测流体的密度发生变化，从而直接影响到实际的检测精度。与此同时，离线测量工作量大、耗时长，不利于高效率、高精度的密度检测。

为了克服以上在实际流体密度测量过程中的问题，国内外学者开展了一系列的基于MEMS技术的微型密度传感器研究。其中，基于MEMS技术的矩形硅微悬臂梁振动测量传感器，实现密度测量精度小于1％，测量范围为600kg/m³至900kg/m³。由于其采用的是微悬臂梁结构，致使其在真空中的本征谐振频率(基频)不高(14kHz至57kHz)，从而导致其密度检测的灵敏度也不高(–3Hz/(kg·m^-3)至–6Hz/(kg·m^-3))。同时，由于其激振方式为电磁激振，磁铁的存在也使得该传感器封装后的体积较大。

常规的电容微加工超声传感器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducers，CMUTs)虽然是基于MEMS技术研发的微型传感器，有尺寸小、机电性能好、易阵列、灵敏度高、噪声低等一些列优点，并且其基频高(1MHz至20MHz)，密度测量灵敏度高(-1000Hz/(kg·m^-3)以上)，可以实现在线测量。但是由于其同时在上、下电极之间施加交流激励电压和直流偏置电压，因此在检测时还需要设计复杂的收发隔离电路，将交流激振信号隔离后提取有效的输出信号，或采用先发射后测量的检测方式。收发一体式隔离电路设计复杂，且由于不同芯片的电参数不同，致使收发一体式隔离电路的通用性较差，与此同时，增大了芯片封装后的体积。采用先发射后测量的检测方式通常用在离线测量过程中，无法满足在线测量要求。

传统的CMUTs结构没有梳齿电极，只有上、下电极，即同时采用上、下电极进行激振和检测，因此需要设计收发一体式隔离电路，信号处理电路难度大，封装后传感器尺寸较大，而且需要采用阻抗分析仪进行检测，操作不便。与此同时，其激振方式直接由上、下电极加载交流电激发，因此相较于由面内拉压运动产生的弯曲振动模式而言，其品质因子较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法，该传感器具有激振结构与检测结构相隔离、易于实现流体密度测量和体积小的优点，满足在线测量要求，且无需设计收发隔离电路，简化了信号处理难度。

为达到上述目的，本发明所述一种梳齿式CMUTs流体密度传感器包括CMUTs单元，CMUTs单元包括自下而上依次设置的单晶硅衬底、二氧化硅支柱层、硅结构层和梳齿电极结构，梳齿电极结构包括间隔设置的梳齿直流电极和梳齿交流电极，二氧化硅支柱层与硅结构层封装形成密封真空腔，其中，单晶硅衬底用做下电极，与梳齿直流电极形成直流偏置电压施加点，也是信号检测端。