CN113714071B - 高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微压（0‑10kPa）检测领域，尤其涉及MEMS或电容式微机械超声换能器，具体为高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器，包括金属上电极、Si振膜、SiO₂支撑柱、真空腔、SiO₂绝缘层以及硅衬底，Si振膜的下方边缘位置设置有环形的SiO₂支撑柱，SiO₂支撑柱的下方设置硅衬底，Si振膜、SiO₂支撑柱和硅衬底所围成的真空腔为倒置的圆台形真空腔，真空腔底部设置有SiO₂绝缘层，Si振膜上方溅射金属上电极。本发明的电容式微机械超声换能器具有高灵敏度、优线性度的压力检测性能。

Description

高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换 能器

技术领域

本发明涉及微压(0-10kPa)检测领域，尤其涉及MEMS或电容式微机械超声换能器，具体为高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器。

背景技术

压力作为最基本的应用参数，它的精密测量是工业生产、科学研究、国防科技、生物医疗等领域迫切需要解决的技术难题。尤其在微压环境下，高效而精确地获取微弱压力始终是压力传感器设计的关键技术和难点之一；再加上压力突变等复杂情况，设计出具有高敏度、低检出的实用性传感器的难度颇大。尽管如此，微压传感器始终是科研学者们的研究热点，这主要在于微压测量在航空航天、工业控制等领域有着迫切的应用需求。例如：通过高空压力进行飞行器的测高及轨道校正，工业生产中化学反应过程的压力条件监测，高铁运行系统中的外物脉动风压检测，颈内动脉血管术前术后的压力差检测等。

经过长期发展，用于压力测量的传感器不断开发并投入使用，较为突出的是基于MEMS技术的压力传感器。相比于其它类型的压力传感器，该类传感器具有微型化、高谐振频率、高灵敏度、低噪声以及可量产等显著优势。MEMS压力传感器大致可分为：压阻式、电容式和谐振式三类。其中，压阻式MEMS压力传感器是利用材料的压阻效应制备而成。该类传感器工艺简易、线性度良好，但固有的温敏特性对测量精度影响极大，必要的温度补偿严重限制了它的应用范围。电容式MEMS压力传感器通过上下极板间的电容变化间接得到待测压力。这类传感器具有低温漂、低功耗以及高灵敏度等优点，但固有的非线性特性和较小的输出电容对检测信号要求很高。而谐振式MEMS压力传感器通过谐振器工作时固有频率变化间接实现压力测量。相比于前两者，谐振式MEMS压力传感器主要受器件本身结构设计的机械特性的影响，因此测量精度/灵敏度高、抗干扰性强，在航空航天、工业控制等传感器性能要求较高的领域举足轻重，其中的典型代表就是硅微谐振式MEMS压力传感器。

作为硅微谐振式MEMS传感器的典型代表，电容式微机械超声换能器(CMUT)由于其卓越的共振特性，已成为硅微谐振式MEMS压力传感器的重要组成部分。当CMUT设计为压力传感器时，可用于测量静态或者缓慢变化的压力。不同于悬臂梁等第二敏感元件谐振式压力传感器，CMUT的振膜可直接感测不同压力，从而有效提高分辨率；此外，CMUT本身较高的谐振频率、品质因数等也为压力测量灵敏度的提升创造了条件；再者，CMUT的稳固结构、良好的电路匹配性以及可批量生产等显著优势确保了复杂环境下的压力测量的可靠性。

目前，典型的电容式微机械超声换能器(CMUT)的结构如图1所示，包括金属上电极、Si振膜、SiO₂支撑柱、真空腔、SiO₂绝缘层以及硅衬底(亦为下电极)，Si振膜的下方边缘位置设置有环形的SiO₂支撑柱，SiO₂支撑柱的下方设置硅衬底，Si振膜、SiO₂支撑柱和硅衬底所围成的空腔为真空腔，真空腔底部设置有SiO₂绝缘层，Si振膜上方溅射金属上电极，硅衬底采用重掺杂硅衬底。传统的电容式微机械超声换能器Si振膜为平膜，该振膜及柱形空腔结构严重限制了振膜变形，抑制了压力测量性能的进一步优化。

发明内容

常见的用于微压(0-10kPa)测量的电容式微机械超声换能器受到空腔结构的限制，压力测量灵敏度和线性度偏低。针对该问题，本发明的目的在于提出一种具有倒置圆台形空腔结构的CMUT微元用于微压检测，以实现高灵敏度、优线性度的压力检测性能。

本发明是采用如下的技术方案实现的：高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器，包括金属上电极、Si振膜、SiO₂支撑柱、真空腔、SiO₂绝缘层以及低阻率硅衬底，Si振膜的下方边缘位置设置有环形的SiO₂支撑柱，SiO₂支撑柱的下方设置作为下电极的硅衬底，Si振膜、SiO₂支撑柱和硅衬底所围成的空腔为倒置的圆台形真空腔，真空腔底部设置有SiO₂绝缘层，Si振膜上方溅射上电极。

本发明基本工作原理为：CMUT两端电极施加一定偏置电压并将其置于微压环境下，静电力和外部压力的共同作用导致振膜的位移状态产生明显变化，进而引起CMUT的谐振频率发生变化，通过压力变化与频率变化之间的对应关系即可得到所测压力值。

本发明在传统CMUT的基础上减小空腔底部半径形成倒置的圆台形空腔结构，从而降低密闭空腔的平均高度。倒置的圆台形空腔结构是指空腔底部半径小于顶部半径。根据现有技术可知，若施加直流偏置电压一定，当密闭空腔的平均高度降低时，振膜所受的静电力增大，产生的位移相应增加；此外，空腔底部半径的不断缩减会降低空腔平均高度，而空腔平均高度的减小则会导致CMUT的塌陷电压降低。位移增加、塌陷电压降低都将有利于提高压力传感器的测量性能。

进一步的，Si振膜半径以及真空腔顶部半径为200微米，Si振膜厚度为5微米，SiO₂支撑柱宽度为10微米，真空腔高度为3微米；真空腔底部半径为40-100微米，优选为50微米。

考虑到CMUT微元的共振频率和测量灵敏度，真空腔底部半径为50微米时，CMUT微元具有最佳的综合性能。

本发明相比于现有技术的优势：

(1)相比于传统CMUT微元，该结构空腔的平均高度减小，保证偏置电压及外部压力不变的情况下，所受静电力随之增大，因而可实现更明显的位移变化(如图5所示)。

(2)相比于传统CMUT微元，该结构对外部压力的微小变化会相应产生更明显的位移及谐振频率的响应变化，因而可实现较高灵敏度压力检测(如图5、6所示)。

(3)相对于传统CMUT微元，谐振频率变化与压力变化之间的线性度显著提高，能有效确保CMUT微元测量压力的精确性(如图7所示)。

(4)相对于传统CMUT微元，塌陷电压值大幅度下降，从而使偏置电压值更趋近于塌陷电压值，能有效提高压力测量的灵敏度(如图8所示)。

附图说明

图1为传统CMUT结构图。

图2为本发明CMUT微元结构图。

图3灵敏度与腔底半径的关系示意图。

图4本发明CMUT的频率与腔底半径的关系示意图，其中实线为传统CMUT的频率，为固定值。

图5两种结构的位移比较图。

图6两种结构的灵敏度比较图。

图7两种结构的线性度比较图。

图8两种结构的塌陷电压比较图。

图中：1-金属上电极、2-Si振膜、3-SiO₂支撑柱、4-真空腔、5-SiO₂绝缘层、6-硅衬底、7-环形沟槽。

具体实施方式

如图2所示，为本发明所述的高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器，其整体结构包括金属上电极1、Si振膜2、SiO₂支撑柱3、真空腔4、SiO₂绝缘层5以及低阻率硅衬底(作为下电极)；具体制备工艺流程：首先，将备好的SOI晶圆及优质Si晶圆经过RCA清洗后去除表面不溶性污染物；然后，采用光刻及湿法蚀刻工艺在优质Si晶圆上定义台型空腔的形状及深度，后经过干氧氧化形成二氧化硅绝缘层；其次，将SOI及处理后的Si晶圆键合后，采用干法及湿法蚀刻工艺去除SOI的埋氧层及衬底，从而释放顶硅形成振膜；最后，采用光刻及磁控溅射工艺定义金属上电极。

以下结合材料特性对本发明做进一步的说明。

传统CMUT几何参数如下：振膜半径r_m为200微米，振膜厚度h为5微米，SiO₂支撑柱宽度一般为10μm，空腔高度d₀为3微米。

CMUT的性能与结构、材料、负载等紧密相关，它们可通过间接改变振膜位移的方式影响着压力传感器的测量性能。当静电力和均匀压力共同作用时，振膜径向位置r处的位移为：

式中r_m为振膜半径，D是有效弯曲刚度，P为待测压力；

初始挠度为零时，单位面积的静电力Q为：

Q＝ε₀V_dc ²/(2d₀ ²) (2)

式中ε₀为真空的相对介电常数，V_dc为偏置电压；

V_collapse为塌陷电压，A为上电极面积，K为振膜的等效弹簧系数。

上述公式(1)(2)(3)为现有技术，用于分析计算CMUT的各个参数，如振膜径向位置r处的位移、单位面积的静电力Q及塌陷电压。由上述公式可以看出，若施加直流偏置电压V_dc一定，根据式(1)、(2)可知，空腔平均高度降低，振膜所受的静电力增大，产生的位移相应增加；此外，根据式(3)，空腔高度的减小也会导致CMUT的塌陷电压降低。这将有利于提高压力传感器的测量性能。

本发明在传统CMUT的基础上减小空腔底部半径至50μm形成最优的倒置圆台形空腔结构，从而有效降低密闭空腔的平均高度。

由图3可以看出，随着空腔底部半径的增大，压力灵敏度快速减小，当半径持续增大至振膜半径的一半时，压力测量灵敏度基本稳定在93.4Hz kPa^-1。

由图4可知，当待测压力P＝0时，空腔底部半径愈大，相对于传统CMUT而言，本发明所述CMUT的共振频率的降幅愈小，即在0-100μm范围内，共振频率随着空腔底部的半径的增大而不断增大；当空腔的底部半径超过100μm时，该频率基本保持不变。因此，圆台型空腔底部的半径不宜过大或过小，空腔底部半径过大会导致压力灵敏度大幅度降低，过小则会使振膜的共振频率急剧减小。

如图5可以看出，本发明所述CMUT微元在外部压力作用下位移变化更加明显，特别是在靠近距离空腔中心较近的位置更明显。

如图6所示，本发明所述CMUT微元比传统CMUT微元的灵敏度更高；图7中本发明所述CMUT微元比传统CMUT微元的线性度更高。如图8所示，相对于传统CMUT微元，本发明所述CMUT微元的塌陷电压值大幅度下降。

综合上述仿真结构，本发明将底部空腔半径优选为50微米，此时CMUT微元综合(灵敏度、共振频率等)性能最佳。

Claims (3)

1.高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器，包括金属上电极（1）、Si振膜（2）、SiO₂支撑柱（3）、真空腔（4）、SiO₂绝缘层（5）以及硅衬底（6）；Si振膜（2）的下方边缘位置设置有环形的SiO₂支撑柱（3），SiO₂支撑柱（3）的下方设置硅衬底（6），其特征在于：Si振膜（2）、SiO₂支撑柱（3）和硅衬底（6）所围成的真空腔（4）为倒置的圆台形真空腔，真空腔（4）底部设置有SiO₂绝缘层，Si振膜（2）上方溅射金属上电极（1）；Si振膜（2）半径以及真空腔（4）顶部半径为200微米，Si振膜（2）厚度为5微米，SiO₂支撑柱（3）宽度为10微米，真空腔（4）高度为3微米；真空腔（4）底部半径为40-100微米。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器，其特征在于：倒置的圆台形真空腔底部半径为50微米。

3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度微压检测倒置台形空腔结构电容式微机械超声换能器，其特征在于：所述硅衬底（6）采用低阻率硅衬底。

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