CN108982291B - 一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种梳齿式CMUTs流体密度传感器及其制备方法

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。

进一步的，梳齿直流电极包括圆形的电极中心，电极中心向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱，第一纵向支柱上并列设置有若干个第一弧形延伸部，第一弧形延伸部关于第一纵向支柱对称布置；梳齿交流电极包括第二纵向支柱，第二纵向支柱上并列设置有若干个第二弧形延伸部，第二弧形延伸部关于第二纵向支柱对称布置；第二纵向支柱设置在两个相邻的第一纵向支柱之间，第一弧形延伸部和第二弧形延伸部交叉设置。

进一步的，硅结构层上设置有二氧化硅绝缘层。

进一步的，硅结构层和二氧化硅绝缘层的厚度之和为1μm-2μm，密封真空腔高度小于2μm、半径为100μm-250μm。

进一步的，梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层。

进一步的，两梳齿电极之间间距为0.5μm-2μm，梳齿电极厚度为2μm-10μm。

一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、选取一个高掺硅片作为基底，激光打标后清洗，形成单晶硅衬底；再选一个衬底及顶层硅均为单晶硅的SOI片，将该SOI片清洗后备片；

步骤2、在单晶硅衬底的上、下表面各形成一层0.5μm～2μm的二氧化硅层；

步骤3、在单晶硅衬底上表面的二氧化硅层上经涂胶和光刻后，进行刻蚀，将上表面的二氧化硅层刻穿直至单晶硅衬底，形成圆形的空腔，空腔周围为二氧化硅支柱，然后干法去胶；

步骤5、将步骤4制得结构的顶层SOI片硅衬底减薄至2μm～10μm；

步骤6、在步骤5制得结构的上侧利用掩膜版进行重掺杂硼离子，形成梳齿电极区域；

步骤7、在步骤6制得结构的上侧进行刻蚀，形成梳齿直流电极、梳齿交流电极以及密封支柱层；

步骤8、另选一个单晶硅片，在其上、下表面各形成一层0.2μm～0.4μm二氧化硅层；

步骤9、将步骤8和步骤7制作的结构进行二次键合，其中，步骤8制得的结构在上；

步骤10、自上至下将步骤9的结构上表面的二氧化硅去除，并去除相邻硅层的80％；

步骤11、去除单晶硅衬底二氧化硅层，去除步骤8中单晶硅片上层硅结构层，留下二氧化硅结构层，形成二氧化硅保护层。

进一步的，步骤4和步骤9中，均采用直接键合工艺。

进一步的，步骤5中，其中先采用不织布磨皮减薄至15μm，再用发泡聚氨酯硬质磨皮将其减薄至2μm～10μm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明由梳齿电极结构中直流梳齿电极和交流梳齿电极间产生交变静电力，引起空腔上方复合薄膜结构层发生振动，其中复合结构层包括硅结构层和二氧化硅绝缘层，由梳齿电极结构中梳齿直流电极和低电阻率单晶硅衬底形成电容输出端，即采用梳齿交流电极激振CMUTs薄膜结构，同时采用梳齿直流电极和单晶硅衬底作为作为电容输出端检测输出信号端，将激振结构与检测结构相分离，简化后期电路设计，避免增加复杂的收发一体式隔离电路，转而采用更为简单的C/V转化放大电路提取谐振频率信号，从而简化了信号处理电路难度；采用CMUTs结构进行流体密度测量，相较于微悬臂梁结构，本发明有较高的基频，促使其检测灵敏度较高；没有磁铁及复杂的收发一体式隔离电路，减小了封装后传感器的尺寸，避免采用阻抗分析仪进行检测，更加便捷。

进一步的，梳齿直流电极包括圆形的电极中心，电极中心向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱，第一纵向支柱上并列设置有若干个第一弧形延伸部，第一弧形延伸部关于第一纵向支柱对称布置；梳齿交流电极包括第二纵向支柱，第二纵向支柱上并列设置有若干个第二弧形延伸部，第二弧形延伸部关于第二纵向支柱对称布置；第二纵向支柱设置在两个相邻的第一纵向支柱之间，第一弧形延伸部和第二弧形延伸部交叉设置。该电极布置方式使得梳齿电极结构产生的拉压静电力在圆周上均匀对称分布，促使硅结构层在该静电力作用下，产生弯曲振动。相较于无梳齿电极结构的靠上、下电极间产生的静电力振动的传统CMUTs单元结构，本发明的硅结构层是受到径向拉压运动而产生的弯曲振动模式，因此其具有更高的品质因子。

进一步的，硅结构层上设置有二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层起到隔离其顶部梳齿电极结构与硅结构层的作用。

进一步的，梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层，由于二氧化硅保护层的存在，电极不会被腐蚀，可实现导电、腐蚀性流体的检测，应用范围广、可靠性高。

进一步的，硅结构层和二氧化硅绝缘层的厚度之和为1μm-2μm，密封真空腔高度小于2μm，提高的CMUTs单元的基本频率，进而提高了流体密度检测灵敏度。

一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法，步骤4和步骤9中，均采用直接键合工艺，利用线膨胀系数更为接近的硅和二氧化硅材料进行键合，避免添加中间辅助层，降低了由于热应力不匹配带来的加工过程中的残余应力，保证传感器在线测量的精度。

进一步的，步骤5中，其中先采用不织布磨皮减薄至15μm，再用发泡聚氨酯硬质磨皮将其减薄至2μm～10μm，以保证上表面的平坦性。

附图说明

图1为本发明用于流体密度测量的梳齿电极式电容微加工超声传感器局部剖视图；

图2为梳齿电极式CMUTs单元的结构剖面图；

图3为图2的A-A剖面受交变静电力示意图；

图4为梳齿电极式CMUTs施加直流偏置及交流电压后形成的向上振动的示意图；

图5为梳齿电极式CMUTs施加直流偏置及交流电压后形成的向下振动的示意图；

图6为梳齿电极式CMUTs检测端输出信号后的C/V转化放大电路图；

图7为梳齿电极式CMUTs单元的制备工艺流程图。

附图中：1、单晶硅衬底，2、二氧化硅支柱，3、密封真空腔，4、硅结构层，5、二氧化硅绝缘层，6、梳齿电极直流电极，7、梳齿电极交流电极，8、二氧化硅保护层，9、密封支柱层，10、隔直匹配电容，11、放大电阻，12、放大器，61、电极中心，62、第一纵向支柱，63、第一弧形延伸部，71、第二纵向支柱，72、第二弧形延伸部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，一种梳齿式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低电阻率单晶硅衬底1、二氧化硅支柱层2、硅结构层4、二氧化硅绝缘层5、梳齿电极结构、二氧化硅保护层8以及密封支柱层9，其中，梳齿电极结构参照图2所示，包括间隔设置的梳齿直流电极6和梳齿交流电极7，二氧化硅支柱层2内侧设置有密封真空腔3，二氧化硅支柱层2通过直接键合工艺与硅结构层4封装形成密封真空腔3。图1为本发明用于流体密度检测的梳齿电极式CMUTs结构局部剖视示意图，其中剖视部分为二氧化硅保护层8，参照图2，其中，单晶硅衬底1用做下电极，与梳齿直流电极6形成直流偏置电压施加点，也为信号检测端；单晶硅衬底1上设置有二氧化硅支柱层2；二氧化硅支柱层2形成支柱，将硅结构层4撑起，形成空腔3；硅结构层4上设置有二氧化硅绝缘层5，其中二氧化硅绝缘层5起到隔离其顶部梳齿电极结构与硅结构层4的作用，硅结构层4与氧化硅绝缘层5形成复合薄膜结构层；二氧化硅绝缘层5上设置有梳齿电极结构以及密封支柱层9，梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层8，其中密封支柱层9同二氧化硅保护层8形成密封腔，保证梳齿直流电极6和梳齿交流电极7之间为真空域。工作时，在梳齿直流电极6和单晶硅衬底1上施加偏置电压，将空腔3上的复合薄膜结构层下拉，使复合薄膜结构层形成一个初始形变，在梳齿交流电极7和梳齿直流电极6上施加交流电压，即会在梳齿交流电极7与梳齿直流电极6间产生径向交变静电力，交变静电力分布如图3所示，由于该径向力为圆周内对称施加，因此薄膜会产生径向的拉-压运动，当直流偏置电压施加后，薄膜下拉，在交变静电力作用下，薄膜会因挤压而发生弯曲振动，如图4和图5所示，在该交变静电力作用下，硅结构层4产生机械振动，其中图4为振动过程中硅结构层4因拉应力而形成的向上弯曲振动，图5为为振动过程中硅结构层4因压应力而形成的向下弯曲振动；施加直流偏置电压的单晶硅衬底1及梳齿直流电极6形成类似平行板电容器结构，由于上层硅结构层4发生振动，带动梳齿直流电极振动，促使该平行板间电容发生周期性变化，即单晶硅衬底1与梳齿直流电极6形成的信号检测端的电容发生周期性变化；将检测端与C/V转化放大电路的输入端相连接，即可将该电容信号转化为电压信号，并放大后输出；如图6所示，仅需设计简单的C/V转换放大电路即可获得相应的时域信号，经傅里叶转换后即可获得谐振频率信息，无需体积庞大的阻抗分析仪即可进行检测，该电路简化了封装结构，减小了封装体积，有利于实现流体密度的在线测量，其中C/V转换放大电路包括隔直匹配电容10、放大电阻11以及放大器12。

参照图3，梳齿电极结构为圆环梳齿电极结构，包括间隔设置的梳齿交流电极7与梳齿直流电极6，梳齿直流电极6包括圆形的电极中心61，电极中心61向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱62，第一纵向支柱62上并列设置有若干个第一弧形延伸部63，第一弧形延伸部63关于第一纵向支柱62对称布置；梳齿电极交流电极7包括，第二纵向支柱71上并列设置有若干个第二弧形延伸部72，第二弧形延伸部72关于第二纵向支柱71对称布置；第二纵向支柱71设置在两个相邻的第一纵向支柱62之间，第一弧形延伸部63和第二弧形延伸部72交叉设置，且第一弧形延伸部63和第二弧形延伸部72均与电极中心61同心设置且自电极中心61向外弧长依次增大。梳齿电极交流电极7靠近梳齿电极直流电极6布置，间距需小于密封真空腔3的高度。下面结合附图2说明该梳齿式CMUTs结构的主要参数。为提高流体密度检测灵敏度，必须提高CMUTs单元的基本频率，使其达到MHz级别，因此需要有足够的薄膜厚度及空腔高度，与此同时，为增大振幅，需提高足够的交变静电力，在保证低功耗的前提下，应该尽可能的减小梳齿交流电极与梳齿直流电极之间的空隙，且适量增加梳齿电极的厚度，以提供足够的交变静电力，因此设计的新型梳齿电极式CMUTs单元的主要结构参数如下：

硅结构层4有效直径：100μm-250μm，硅结构层4的厚度为1～2μm，以获得足够的基频；复合薄膜结构层的总厚度：1μm-2μm，梳齿交流电极7与梳齿直流电极6的间距d₁(见图3)：0.5μm-2μm，间距d₂应大于d₁约2μm-4μm，以便形成图3所示的静电力受力情况，梳齿电极厚度：2μm-10μm，二氧化硅绝缘层5厚度：0.2μm～0.4μm，密封真空腔3高度小于2μm，设计CMUTs阵列尺寸：≤1×5mm²，即多个具有本结构的CMUTs单元形成的阵列面积≤1×5mm²。

传感器的工作原理如下：

当薄膜在流体中发生振动时，由于薄膜表面流体与固体之间的相互作用，促使薄膜的谐振频率信号发生偏移，在流固耦合作用过程中，由于表面张力的作用，薄膜表面附着的流体便随薄膜一起发生振动，其结果等效于薄膜的附加质量增加，而薄膜质量的增加最终影响到谐振频率的变化。由于CMUTs谐振频率与流体密度成线性关系，因此，经过标定后，即可得到CMUTs谐振频率与被测流体密度的关系式：fs＝kρ+a，其中fs为谐振频率，ρ为流体密度，k、a为实验标定的常数，且k表示为流体密度检测的灵敏度值。经实验标定后k、a后，在实际工作时，检测出不同密度流体的谐振频率数值，通过该关系式即可计算出相应流体密度。与此同时，通过增加硅结构层4的厚度、改变梳齿电极的尺寸以及真空腔半径的尺寸等结构尺寸参数来保证梳齿式CMUTs结构具有较高基频，从而获得较高的斜率值k，以促使梳齿电极式CMUTs具备较高的密度检测灵敏度值。

下面结合图7说明一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法，传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤1、选硅衬底及SOI硅片

选取双面抛光n型<100>晶面的高掺硅片作为基底，电阻率小于0.02Ω·cm，激光打标后清洗，形成单晶硅衬底1；再选<100>晶面衬底及顶层硅均为单晶硅的SOI片，其中二氧化硅绝缘层5厚度为0.2μm～0.4μm，将该SOI片清洗后备片，用于后期键合工艺。

步骤2、氧化

采用干-湿-干进行热氧化工艺，在1050℃条件下在单晶硅衬底1的上、下表面各形成一层0.5μm～2μm的二氧化硅层；

步骤3、干法刻蚀二氧化硅层

在单晶硅衬底1的上表面的二氧化硅层上经涂胶，光刻后，采用等离子体刻蚀工艺进行干法刻蚀，将此二氧化硅层刻穿直至单晶硅衬底1，形成圆形的空腔，空腔周围为二氧化硅支柱2，然后干法去胶。

步骤4、直接键合

键合前对两片晶圆同时进行标准RCA cleaning工艺清洗，在清洗过程中，采用硫酸和双氧水溶液去除两片晶圆上用于键合的表面上的有机物；采用氨水和双氧水溶液去两片晶圆上用于键合的表面上的非金属玷污；采用盐酸和双氧水溶液去除两片晶圆上用于键合的表面上的金属玷污，然后进行键合，将步骤1清洗后的SOI片键合在步骤3制得的结构上面，形成密封真空腔3，SOI片二氧化硅埋层形成二氧化硅绝缘层5，SOI片的顶层硅做为硅结构层4，在键合过程中，加压至40000N，并抽真空，在30min后升温至300℃，加压键合时间为2小时；键合后退火，退火时间5小时；

步骤5、化学机械抛光

采用CMP工艺将步骤4制得结构的顶层SOI片硅衬底减薄至2μm～10μm，其中先采用不织布磨皮减薄至15μm，再用发泡聚氨酯硬质磨皮将其减薄至2～10μm，以保证上表面的平坦性；

步骤6、重掺杂

在步骤5制得结构的上侧利用掩膜版进行重掺杂硼离子，形成梳齿电极区域，掺杂后电阻率为0.01～0.02Ω·cm；

步骤7、DRIE刻蚀

基于DRIE刻蚀工艺，在步骤6制得结构上侧进行刻蚀，形成梳齿直流电极(6)、梳齿交流电极(7)以及密封支柱层(9)。

步骤8、另选硅片氧化

另选一单晶硅片经过干-湿-干进行热氧化工艺，在1050℃条件下，在其上、下表面各形成一层0.1～0.4μm的二氧化硅层；

步骤9、二次键合

将步骤8制得结构和步骤7中的键合晶圆的梳齿电极结构上表面进行标准RCAcleaning工艺清洗，之后进行二次键合，其中，步骤8制得结构在上，在键合过程中，加压至40000N，并抽真空，在30min后升温至300℃，加压键合时间为2小时；键合后退火，退火时间5小时；

步骤10、化学机械抛光

采用CMP工艺自上至下将二次键合后的晶圆上表面的SiO₂去除，并去除相邻硅层的80％，减薄过程中用不织布磨皮；

步骤11、漂洗背面二氧化硅及干法刻蚀正面硅结构层

湿法去除单晶硅衬底1二氧化硅层，干法刻蚀去除步骤8中单晶硅片上层硅结构层，留下二氧化硅结构层，形成二氧化硅保护层8。

支柱中心是过刻蚀形成有空腔，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片硅衬底剪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。

本发明的主要技术指标为：测量介质：牛顿流体，密度测量范围：400kg/m³～1500kg/m³，密度测量精度：优于1％，检测灵敏度：≥1000Hz/(kg/m³)，工作温度：-20℃～120℃。

本发明可实现导电、腐蚀性流体的检测，应用范围广、可靠性高，可以在线测量流体密度，避免浪费。

本发明不限于上述具体的实施方式，所述的CMUTs单元数量、阵列结构尺寸和阵列分布形式以及梳齿电极尺寸结构、薄膜厚度、宽度等尺寸特征、检测电路的放大器增益等基本参数都可根据实际的情况作出相应的优化调整，整个优化过程需遵循增加检测灵敏度、降低功耗等基本原则。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或者唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种梳齿式CMUTs流体密度传感器，其特征在于，包括CMUTs单元，CMUTs单元包括自下而上依次设置的单晶硅衬底(1)、二氧化硅支柱层(2)、硅结构层(4)、梳齿电极结构和密封支柱层(9)，梳齿电极结构包括间隔设置的梳齿直流电极(6)和梳齿交流电极(7)，二氧化硅支柱层(2)与硅结构层(4)封装形成密封真空腔(3)，其中，单晶硅衬底(1)用做下电极，与梳齿直流电极(6)形成直流偏置电压施加点，也为信号检测端；

梳齿直流电极(6)包括圆形的电极中心(61)，电极中心(61)向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱(62)，第一纵向支柱(62)上并列设置有若干个第一弧形延伸部(63)，第一弧形延伸部(63)关于第一纵向支柱(62)对称布置；梳齿交流电极(7)包括第二纵向支柱(71)，第二纵向支柱(71)上并列设置有若干个第二弧形延伸部(72)，第二弧形延伸部(72)关于第二纵向支柱(71)对称布置；第二纵向支柱(71)设置在两个相邻的第一纵向支柱(62)之间，第一弧形延伸部(63)和第二弧形延伸部(72)交叉设置。

2.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器，其特征在于，硅结构层(4)上设置有二氧化硅绝缘层(5)。

3.根据权利要求2所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器，其特征在于，硅结构层(4)和二氧化硅绝缘层(5)的厚度之和为1μm-2μm，密封真空腔(3)的高度小于2μm、半径为100μm-250μm。

4.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器，其特征在于，梳齿电极结构上设置有二氧化硅保护层(8)。

5.根据权利要求1所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器，其特征在于，两梳齿电极之间间距为0.5μm-2μm，梳齿电极厚度为2μm-10μm。

6.一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选取一个高掺硅片作为基底，激光打标后清洗，形成单晶硅衬底(1)；再选一个衬底及顶层硅均为单晶硅的SOI片，将该SOI片清洗后备用 ；

步骤2、在单晶硅衬底(1)的上、下表面各形成一层0.5μm～2μm的二氧化硅层；

步骤3、在单晶硅衬底(1)上表面的二氧化硅层上经涂胶和光刻后进行刻蚀，将上表面的二氧化硅层刻穿直至单晶硅衬底(1)，形成圆形的空腔，空腔周围为二氧化硅支柱(2)，然后干法去胶；

步骤4、将步骤1得到SOI片键合在步骤3制得的结构上面，形成密封真空腔(3)，SOI片的顶层硅做为硅结构层(4)，SOI片的二氧化硅埋层做为二氧化硅绝缘层(5)；

步骤5、将步骤4制得结构的顶层SOI片硅衬底减薄至2μm～10μm；

步骤6、在步骤5制得结构的上侧利用掩膜版进行重掺杂硼离子，形成梳齿电极区域；

步骤7、在步骤6制得结构的上侧进行刻蚀，形成梳齿直流电极(6)、梳齿交流电极(7)以及密封支柱层(9)；梳齿直流电极(6)包括圆形的电极中心(61)，电极中心(61)向外延伸有若干对称设置的第一纵向支柱(62)，第一纵向支柱(62)上并列设置有若干个第一弧形延伸部(63)，第一弧形延伸部(63)关于第一纵向支柱(62)对称布置；梳齿交流电极(7)包括第二纵向支柱(71)，第二纵向支柱(71)上并列设置有若干个第二弧形延伸部(72)，第二弧形延伸部(72)关于第二纵向支柱(71)对称布置；第二纵向支柱(71)设置在两个相邻的第一纵向支柱(62)之间，第一弧形延伸部(63)和第二弧形延伸部(72)交叉设置；

步骤8、另选一个单晶硅片，在其上、下表面各形成一层0.2μm～0.4μm二氧化硅层；

步骤9、将步骤8和步骤7制作的结构进行二次键合，其中，步骤8制得的结构在上；

步骤10、自上至下将步骤9的结构上表面的二氧化硅去除，并去除相邻硅层的80％；

步骤11、去除单晶硅衬底(1)二氧化硅层，去除步骤8中单晶硅片上层硅结构层，留下二氧化硅结构层，形成二氧化硅保护层(8)。

7.根据权利要求6所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法，其特征在于，步骤4和步骤9中，均采用直接键合工艺。

8.根据权利要求6所述的一种梳齿式CMUTs流体密度传感器的制备方法，其特征在于，步骤5中，其中先采用不织布磨皮减薄至15μm，再用发泡聚氨酯硬质磨皮将其减薄至2μm～10μm。

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