CN103234567B - 基于阳极键合技术的mems电容式超声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，解决了传统的电容式超声传感器结构设计不合理、灵敏度低、杂散电容大等问题。本发明包括通过阳极键合技术键合在一起的一体化下电极和图形化上电极，一体化下电极包括上表面开设有若干圆柱形盲孔腔的玻璃衬底，各圆柱形盲孔腔之间通过开设连接腔连通，圆柱形盲孔腔和连接腔的底部溅射有金属层和二氧化硅层；图形化上电极包括若干圆形SOI硅片，各圆形SOI硅片之间通过十字形SOI硅片连接。本发明传感器结构新颖、重量轻、体积小，具有可控性高、灵敏度大、杂散电容小等优点，并且该传感器的工艺流程步骤少、工艺周期短，适合于批量化生产。

Description

基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的电容式超声传感器，具体是一种基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器。

背景技术

近几年随着微机电系统的蓬勃发展，基于MEMS的超声传感器逐渐受到了人们的关注。超声传感器主要应用于医疗成像、无损检测及水下声波探测等方面。目前超声传感器主要分为压电式和电容式两种。基于压电材料的压电效应所制备的压电式超声传感器是应用较为广泛的声电转换元件，但是近年来其地位已逐步被电容式超声器所取代。相比于传统的压电式超声传感器，电容式超声传感器有以下优点：第一、电容式超声传感器可用标准IC工艺批量制造，则其前端处理电路可以与传感器集成在一起，从而减少寄生电容及信号干扰的引入，这是传统压电式超声传感器无法比拟的。第二、电容式超声传感器的温度适用范围相比压电式超声传感器更广，则使其应用领域更加广泛。此外，由于电容式超声传感器的薄膜阻抗与空气的声阻抗更加接近，则意味着更高的机电转换效率。

表面微加工技术虽已成功制备出电容式超声传感器，但是依然有很多不足之处。首先，由于牺牲层不易移除，空腔蚀刻困难，以表面微加工技术所制备的器件在空腔形成和薄膜尺寸方面都有很大限制，导致传感器灵敏度低。其次，以表面微加工技术制备电容式超声传感器时，由于对蚀刻孔填充密封时在薄膜内表面引入很多不必要的材料如LTO或Si₃N₄，会导致单个薄膜厚度不均匀，两个薄膜之间厚度一致性相差更大，影响其工作性能；最后，现有电容式超声传感器由于其结构设计还存在有缺陷，从而导致其存在诸如杂散电容大等一系列问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供了一种基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器。本发明电容式超声传感器以顶层的导电硅SOI片作为上电极，底层的玻璃衬底内埋设的金属层作为下电极，并将顶层的SOI片和底层的玻璃衬底通过阳极键合工艺键合在一起，最终形成上、下电极引线互错的电容式超声传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，包括一体化下电极和图形化上电极，一体化下电极和图形化上电极通过阳极键合技术键合成为一体；一体化下电极包括玻璃衬底，玻璃衬底的上表面开设有若干圆柱形盲孔腔，若干圆柱形盲孔腔成排、列对齐布置，每排的两个相邻圆柱形盲孔腔之间、每列的两个相邻圆柱形盲孔腔之间都通过开设连接腔而互联相通；圆柱形盲孔腔和连接腔的腔底溅射有金属层，金属层上溅射有二氧化硅（SiO₂）层；图形化上电极通过阳极键合技术直接结合在一体化下电极的玻璃衬底上表面，图形化上电极包括若干个圆形SOI硅片，圆形SOI硅片的个数与玻璃衬底上开设的圆柱形盲孔腔的个数相同、并且在位置上每个圆形SOI硅片与每个圆柱形盲孔腔一一对应分布，圆形SOI硅片的直径大于圆柱形盲孔腔的直径（一般的，圆形SOI硅片的直径比圆柱形盲孔腔的直径大20um）；所有的圆形SOI硅片中，任意的四个彼此相邻的圆形SOI硅片之间连接有一个十字形SOI硅片相连，四个彼此相邻的圆形SOI硅片分别位于十字形SOI硅片的四个端部（圆形SOI硅片与十字形SOI硅片是由SOI硅片器件经逐步刻蚀而得到的一个一体化的整体结构）；各圆形SOI硅片键合覆盖在位置对应的圆柱形盲孔腔腔口上且二者同圆心设置（即二者圆心重合），十字形SOI硅片键合覆盖在玻璃衬底上四个彼此相邻圆柱形盲孔腔中间部分的上表面。

进一步地，本发明所述的基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器的制作工艺包括如下步骤：a）、取玻璃衬底，在玻璃衬底的上表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上放置掩膜板，经曝光、显影之后使得光刻胶上生成圆柱形盲孔腔和连接腔的图案，然后将玻璃衬底放入BOE溶液中通过湿法腐蚀在玻璃衬底上表面刻蚀出圆柱形盲孔腔和连接腔，最后再将玻璃衬底上剩留的光刻胶除去；b）、在圆柱形盲孔腔和连接腔的腔底溅射一层金属层作为下电极，然后再在金属层上溅射（可采用磁控射频反应溅射法溅射，该溅射法为一种现有的常规溅射方法）一层SiO₂作为电绝缘层，最后将玻璃衬底的上表面进行抛光和清洗；c）、取SOI硅片器件，将其底面抛光和清洗，并通过阳极键合技术将SOI硅片器件底面键合在玻璃衬底的上表面；d）、用TMAH腐蚀液（四甲基氢氧化铵）腐蚀掉SOI硅片器件的上层硅，接着再用BOE溶液蚀刻去除SOI硅片器件的埋氧层，最后留一层SOI硅片；e）、在SOI硅片上表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上放置掩膜板，经曝光、显影之后使得光刻胶上生成圆形SOI硅片及十字形SOI硅片的图案，然后用TMAH腐蚀液腐蚀SOI硅片，使得SOI硅片变成圆形SOI硅片及十字形SOI硅片，最后将圆形SOI硅片及十字形SOI硅片上的光刻胶去除，最后即得到了本发明所述的电容式超声传感器。

所述的阳极键合技术为一种现有技术，该技术是本领域技术人员所熟知的，其工作原理为：经过抛光和清洗的硅片表面与抛光和清洗的玻璃片表面紧密接触，放在温度可以控制的加热板上（温度一般为300~450℃），加上直流电压（200~1000V），将正极接硅片，负极接玻璃片。在一定温度下，玻璃中含有可移动的正离子Na+和不可移动的负离子O^2-。随着温度的升高硅片的电阻率将因本征激发而降到0.1?·cm左右。在直流电场的作用下，玻璃中的Na⁺向负极移动，在移动过程中不断地被复合而消失。在硅与玻璃的界面附近，玻璃一侧由于空出了Na⁺，而留下了不可移动的负离子，因而形成几微米的耗尽层。这样玻璃表面的耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，所以硅片和玻璃之间存在较大的静电引力，使二者表面的微小起伏发生弹性或塑性变形而紧密接触。静电引力的大小主要与外加电压、玻璃与硅片之间的间隙大小、玻璃中离子的浓度分度等因素有关。玻璃中的氧离子与硅片发生化学反应，生成SiO₂将硅和玻璃键合起来。阳极键合具有处理温度低、残余应力低和对表面要求质量不高等优点，是微传感器封装的基本工艺之一，在电容式与压阻式力学量传感器中的应用非常广泛。

本发明电容式超声传感器的制作工艺过程中，使用到的BOE溶液是一种公知且常用的缓冲蚀刻液，是由HF（氢氟酸）与NH₄F（氟化铵）依不同比例混合而成，HF为主要的蚀刻液，NH₄F则作为缓冲剂使用。利用NH₄F固定〔H+〕的浓度，使之保持一定的蚀刻率。HF会浸蚀玻璃及任何含硅石的物质。使用到的TMAH腐蚀液为四甲基氢氧化铵，是一种新型各向异性腐蚀液，可与单晶Si的反应，实现对硅的腐蚀，反应方程式为：2（CH₃）₄NOH+Si+H₂O→[（CH₃）₄N] ₂SiO₃+H₂↑。TMAH腐蚀液具有无毒、不易燃、腐蚀速率快等优点，对（100）、（111）面的腐蚀表面光滑、粗糙度小，所以可以在高精度、微量程压力传感器的正方膜片、矩形膜片的形成中作各向异性腐蚀使用，TMAH腐蚀液正在广泛应用于实践中。

本发明电容式超声传感器的结构中，圆形SOI硅片及十字形SOI硅片为一体结构，其整体组成的振动薄膜作为了本发明超声传感器的图形化上电极，该振动薄膜可以达到很好的厚度均匀性，同时振动薄膜内的应力更可控；玻璃衬底为本发明超声传感器的衬底以及边框，溅射在圆柱形盲孔槽和连接沟槽槽底的金属层作为本发明超声传感器的下电极，金属层上溅射的二氧化硅层作为绝缘层，用玻璃做衬底避免了传统的以导电硅为衬底的传感器的杂散电容大的缺点。本发明电容式超声传感器结构中，上电极中的圆形SOI硅片覆盖键合在玻璃衬底上圆柱形盲孔槽的槽口上，而圆形SOI硅片之间的十字形SOI硅片覆盖键合在玻璃衬底上位于四个彼此相邻圆柱形盲孔腔中间部分的上表面，圆形SOI硅片和十字形SOI硅片组成的图形化上电极尽可能的避免了与玻璃衬底中下电极金属层互联部分形成不必要的杂散电容，尤其是上电极中的十字形SOI硅片是位于四个彼此相邻的圆柱形盲孔槽中间位置的玻璃衬底上表面，减小了上电极与玻璃衬底内下电极的正对面积，大大减小了杂散电容。

进一步地，所述的玻璃衬底的厚度为675 um；所述的圆形SOI硅片及十字形SOI硅片的厚度为1um，圆形SOI硅片及十字形SOI硅片为低阻硅，电阻率是0.008 ~ -0.02Ω.cm，N型<100>。玻璃基底上圆柱形盲孔腔和连接腔的腔底溅射的金属层为金属铝（Al）层，其厚度为0.2um，Al的导电效果好而且成本较低，是一种高性价比的导电材料。

为了验证本发明电容式超声传感器结构的正确性，选用了有限元分析软件ANSYS14.0对本发明电容式超声传感器的结构建立有限元模型，然后对其经行静力分析以及模态分析，得到结构的力学特性和频率特性。

以下是对本发明MEMS电容式超声传感器的ANSYS有限元仿真分析：

1、静力分析

静力分析是在固定载荷作用下薄膜（该薄膜即指由若干个圆形SOI硅片及十字形SOI硅片组成的图形化上电极，下同）的各部分位移和应力的变化结果。根据所设定的尺寸建立有限元模型，在薄膜上施加沿Z轴方向的载荷，可以得到该模型的等效应力云图和薄膜位移云图，通过等效应力云图可以看出最大应力出现在薄膜边界处，而最大位移则出现在薄膜的中心处。通过ANSYS仿真计算薄膜的灵敏度的方法是，在通过定义路径将薄膜位移映射到路径AB上再将其导出，路径AB上薄膜位移图。通过定义100条路径近似得到薄膜的平均位移为3.05E-12m，再代入电容计算公式中，得到仿真灵敏度为0.19fF/Pa。

2、模态分析

对该结构进行四阶模态分析得到，一阶频率为0.15441E+07Hz，二阶频率0.35035E+07Hz，三阶频率为0.35036E+07Hz，四阶频率为0.57443E+07Hz。仿真结果表明一阶频率与二阶和三阶频率相差较大说明该结构的抗干扰能力很强。理论计算频率为1.48MHz与仿真值1.54MHz误差在5%以内，基本一致。

一阶频率下该结构的振动方式为：薄膜上下运动，且中心振幅最大，沿径向振幅逐渐减弱，符合超声波收发状态。二阶频率下该结构的振动方式为：结构分为上半圆及下半圆，上半圆向下振动同时下半圆向上振动，依次交替。三阶频率下该结构的振动方式为：与二阶频率下振动方式类似，结构分为左半圆及右半圆，左半圆向下振动同时右半圆向上振动，依次交替。四阶频率下该结构的振动方式更为复杂：结构分为四部分，对角方向的两个部分向下振动的同时，另外对角的两部分上上振动，依次交替。最终确定一阶频率为传感器的工作频率。

3 塌陷电压的仿真

ANSYS静电——结构耦合分析是为了确定硅薄膜在电压下挠度的变化，并以此来确定传感器工作时所加的偏置电压。

为了提高电容式超声传感器的转换效率，所施加的偏置电压要尽可能大，却不能无限大。因为过高的直流偏压会导致静电力过大而把薄膜直接拉向衬底基底。越接近基底，两极板之间距离越小，静电力与距离成反比，则静电力越大，而薄膜的机械恢复力与薄膜位移成正比，当存在的一个偏压，薄膜恢复力不能克服平衡静电力导致塌陷，该电压就是薄膜的塌陷电压。当施加的偏压大于塌陷电压时，薄膜塌陷到衬底上，不再以其基本模式振动。电容式超声传感器器件设计的一个重要方面就是让所加偏压低于塌陷电压而使器件在低压——未塌陷模式下工作。然而，为了增加器件的转换效率，器件偏压最好接近但不超过塌陷电压。低压——未塌陷模式能量消耗低，电子电路简单，安全。

通常电容式超声传感器在薄膜的形变是其空腔间隙的1/3时发生塌陷，据此，通过ANSYS静电——结构耦合分析得到器件的塌陷电压。薄膜采用Tet187单元建模，空气隙采用Tet227单元建模，电压加在薄膜底部即空气隙上部和空气隙下部，得到电势分布等值线图和薄膜位移曲线。将薄膜位移曲线的数据导出则可得到位移变化为空腔高度三分之一时的电压，即为塌陷电压，数值为70v。

本发明是利用阳极键合工艺制备的超声传感器，该传感器用玻璃做衬底及边框，用SOI硅片做振动薄膜，采用阳极键合工艺制备的上、下电极引线（上电极引线指十字形SOI硅片，下电极引线指连接腔腔底的金属层）互错的电容式超声传感器，并通过实验验证了其可行性。本发明传感器特别的结构构造大大减小了传感器的杂散电容。本发明传感器结构新颖、重量轻、体积小，具有可控性高、灵敏度大、杂散电容小等优点。此外，本发明传感器的工艺流程步骤少、工艺周期短，适合于批量化生产，解决了传统的电容式超声传感器在制造工程中，用低压化学气相淀积技术形成的氮化硅薄膜残余应力大且机械性能难以预知的问题，在超声成像领域具有一定的应用前景。

附图说明

图1为本发明MEMS电容式超声传感器的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明MEMS电容式超声传感器的玻璃衬底结构示意图。

图4为本发明MEMS电容式超声传感器的图形化上电极结构示意图。

图5为SOI硅片器件。

图6为本发明MEMS电容式超声传感器静力仿真结果的薄膜位移云图。

图7为本发明MEMS电容式超声传感器静力仿真结果的路径AB上薄膜位移图。

图8为本发明MEMS电容式超声传感器的一阶模态图。

图9为本发明MEMS电容式超声传感器的二阶模态图。

图10为本发明MEMS电容式超声传感器的三阶模态图。

图11为本发明MEMS电容式超声传感器的四阶模态图。

图12为本发明MEMS电容式超声传感器静电—结构仿真结果的电势分布等值线图。

图13为本发明MEMS电容式超声传感器静电—结构仿真结果的薄膜位移曲线图。

图中：1-玻璃衬底、2-圆柱形盲孔腔、3-连接腔、4-金属层、5-二氧化硅层、6-圆形SOI硅片、7-十字形SOI硅片、8-上层硅、9-埋氧层、10-SOI硅片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

本发明超声传感器玻璃衬底1上的圆柱形盲孔腔2的个数可根据实际需要情况而定，在该实施例中，以开设有九个圆柱形盲孔腔2的本发明超声传感器为例。需要说明的是，该实施例仅为说明性的，并不对本发明做任何的限定。

如图1至图4，一种基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，包括一体化下电极和图形化上电极；一体化下电极包括玻璃衬底1，玻璃衬底1的上表面设有九个圆柱形盲孔腔2，九个圆柱形盲孔腔2成三排、三列对齐布置，每排的两个相邻圆柱形盲孔腔2之间、每列的两个相邻圆柱形盲孔腔2之间都通过开设连接腔3而互联相通；圆柱形盲孔腔2和连接腔3的腔底都溅射有金属层4，金属层4上溅射有二氧化硅层5；图形化上电极通过阳极键合技术直接键合在一体化下电极的玻璃衬底1上表面的，图形化上电极包括九个圆形SOI硅片6，圆形SOI硅片6的个数与玻璃衬底1上开设的圆柱形盲孔腔2的个数相同、并且在位置上九个圆形SOI硅片6与九个圆柱形盲孔腔2分别一一对应分布，圆形SOI硅片6的直径大于圆柱形盲孔腔2的直径，圆形SOI硅片6的直径比圆柱形盲孔腔2的直径大20um；所有的圆形SOI硅片6中，任意的四个彼此相邻的圆形SOI硅片6之间连接有十字形SOI硅片7，四个彼此相邻的圆形SOI硅片6分别位于十字形SOI硅片7的四个端部；各圆形SOI硅片6都键合覆盖在对应的圆柱形盲孔腔2腔口上且二者同圆心设置，十字形SOI硅片7键合覆盖在玻璃衬底1上四个彼此相邻圆柱形盲孔腔2中间部分的上表面。

该电容式超声传感器的制作工艺包括如下步骤：a）、取玻璃衬底1，在玻璃衬底1的上表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上放置掩膜板，经曝光、显影之后使得光刻胶上生成圆柱形盲孔腔2和连接腔3的图案，然后将玻璃衬底1放入BOE溶液中通过湿法腐蚀在玻璃衬底1上表面刻蚀出圆柱形盲孔腔2和连接腔3，最后再将玻璃衬底1上剩留的光刻胶除去；b）、在圆柱形盲孔腔2和连接腔3的腔底溅射一层金属层4作为下电极，然后再在金属层4上溅射一层二氧化硅层5作为电绝缘层，最后将玻璃衬底1的上表面进行抛光和清洗；c）、取SOI硅片器件，将其底面抛光和清洗，并通过阳极键合技术将SOI硅片器件底面键合在玻璃衬底1的上表面；d）、用TMAH腐蚀液腐蚀掉SOI硅片器件的上层硅8，接着再用BOE蚀刻去除SOI硅片器件的埋氧层9，最后留一层SOI硅片10；e）、在SOI硅片10上表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上放置掩膜板，经曝光、显影之后使得光刻胶上生成圆形SOI硅片6及十字形SOI硅片7的图案，然后用TMAH腐蚀液腐蚀SOI硅片10，使得SOI硅片10腐蚀成圆形SOI硅片6及十字形SOI硅片7，最后将圆形SOI硅片6及十字形SOI硅片7上的光刻胶去除，最后即得到了本发明所述的电容式超声传感器。

进一步地，所述的玻璃衬底1的厚度为675 um；所述的圆形SOI硅片6及十字形SOI硅片7的厚度为1um，圆形SOI硅片6及十字形SOI硅片7为低阻硅，电阻率是0.008 ~ 0.02Ω.cm，N型<100>。

Claims (4)

1.一种基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，其特征在于：包括一体化下电极和图形化上电极；一体化下电极包括玻璃衬底（1），玻璃衬底（1）的上表面设有若干圆柱形盲孔腔（2），若干圆柱形盲孔腔（2）成排、列对齐布置，每排的两个相邻圆柱形盲孔腔（2）之间、每列的两个相邻圆柱形盲孔腔（2）之间都通过开设连接腔（3）而互联相通；圆柱形盲孔腔（2）和连接腔（3）的腔底都溅射有金属层（4），金属层（4）上溅射有二氧化硅层（5）；图形化上电极通过阳极键合技术键合在一体化下电极的玻璃衬底（1）上表面，图形化上电极包括若干个圆形SOI硅片（6），圆形SOI硅片（6）的个数与玻璃衬底（1）上开设的圆柱形盲孔腔（2）的个数相同、并且在位置上每个圆形SOI硅片（6）与每个圆柱形盲孔腔（2）一一对应分布，圆形SOI硅片（6）的直径大于圆柱形盲孔腔（2）的直径；所有的圆形SOI硅片（6）中，任意的四个彼此相邻的圆形SOI硅片（6）之间连接十字形SOI硅片（7），四个彼此相邻的圆形SOI硅片（6）分别位于十字形SOI硅片（7）的四个端部；各圆形SOI硅片（6）都键合覆盖在对应的圆柱形盲孔腔（2）腔口上且二者同圆心设置，十字形SOI硅片（7）键合覆盖在玻璃衬底（1）上四个彼此相邻圆柱形盲孔腔（2）中间部分的上表面。

2.根据权利要求1所述的基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，其特征在于，其制作工艺包括如下步骤：a）、取玻璃衬底（1），在玻璃衬底（1）的上表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上放置掩膜板，经曝光、显影之后使得光刻胶上生成圆柱形盲孔腔（2）和连接腔（3）的图案，然后将玻璃衬底（1）放入BOE溶液中通过湿法腐蚀在玻璃衬底（1）上表面刻蚀出圆柱形盲孔腔（2）和连接腔（3），最后再将玻璃衬底（1）上剩留的光刻胶除去；b）、在圆柱形盲孔腔（2）和连接腔（3）的腔底溅射一层金属层（4）作为下电极，然后再在金属层（4）上溅射一层二氧化硅层（5）作为电绝缘层，最后将玻璃衬底（1）的上表面进行抛光和清洗；c）、取SOI硅片器件，将其底面抛光和清洗，并通过阳极键合技术将SOI硅片器件底面键合在玻璃衬底（1）的上表面；d）、用TMAH腐蚀液腐蚀掉SOI硅片器件的上层硅（8），接着再用BOE溶液蚀刻去除SOI硅片器件的埋氧层（9），最后留一层SOI硅片（10）；e）、在SOI硅片（10）上表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上放置掩膜板，经曝光、显影之后使得光刻胶上生成圆形SOI硅片（6）及十字形SOI硅片（7）的图案，然后用TMAH腐蚀液腐蚀SOI硅片（10），使得SOI硅片（10）腐蚀生成圆形SOI硅片（6）及十字形SOI硅片（7），最后将圆形SOI硅片（6）及十字形SOI硅片（7）上的光刻胶去除，最后即得到了所述的电容式超声传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，其特征在于：所述的玻璃衬底（1）的厚度为675μm；所述的圆形SOI硅片（6）及十字形SOI硅片（7）的厚度为1μm，圆形SOI硅片（6）及十字形SOI硅片（7）为低阻硅，电阻率是0.008 ~ 0.02Ω·cm，N型<100>。

4.根据权利要求1或2所述的基于阳极键合技术的MEMS电容式超声传感器，其特征在于：玻璃衬底（1）上圆柱形盲孔腔（2）和连接腔（3）的腔底溅射的金属层（4）为金属铝层，其厚度为0.2μm。