[發明專利]一種梳齒式CMUTs流體密度傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201810745339.2
• 申請日: 2018-07-09
• 公開（公告）號: CN108982291B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 趙立波;李杰;李支康;盧德江;趙一鶴;張家旺;徐廷中;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N9/00
• 分類號: G01N9/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種梳齒式CMUTs流體密度傳感器及其制備方法，梳齒式超聲傳感器包括低單晶硅襯底，該襯底上有二氧化硅支柱層，支柱中心刻蝕形成有空腔，空腔上端面用SOI片鍵合形成密封層，通過拋光工藝將鍵合晶圓的SOI片硅襯底減薄至梳齒電極厚度，同時SOI片二氧化硅埋層形成二氧化硅絕緣層，通過重摻雜和DRIE工藝將鍵合晶圓頂端刻蝕出梳齒電極結構以及密封支柱層，再通過二次鍵合形成二氧化硅保護層，并保證梳齒電極結構處于真空域內。采用梳齒交流電極和梳齒直流電極激振CMUTs薄膜結構，通過對稱布置的梳齒電極產生的徑向拉壓運動而形成的薄膜結構層的彎曲振動，因此相較于傳統上、下電極直接加載交流電而產生振動的CMUTs結構，具有更高的品質因子。

技術領域

本發明屬于MEMS技術和流體物性測量技術領域，具體涉及一種梳齒式CMUTs流體密度傳感器及其制備方法。

背景技術

目前，用于流體密度測量的基本原理包括振動式、聲速式、靜壓式、浮力式等。基于這些原理在進行實際流體密度測量時，往往都是提取樣品后進行離線測量。眾所周知，離線測量的檢測環境與實際流體所處的環境有很大的差距，而這些環境誤差將導致被測流體的密度發生變化，從而直接影響到實際的檢測精度。與此同時，離線測量工作量大、耗時長，不利于高效率、高精度的密度檢測。

為了克服以上在實際流體密度測量過程中的問題，國內外學者開展了一系列的基于MEMS技術的微型密度傳感器研究。其中，基于MEMS技術的矩形硅微懸臂梁振動測量傳感器，實現密度測量精度小于1％，測量范圍為600kg/m³至900kg/m³。由于其采用的是微懸臂梁結構，致使其在真空中的本征諧振頻率(基頻)不高(14kHz至57kHz)，從而導致其密度檢測的靈敏度也不高(–3Hz/(kg·m^-3)至–6Hz/(kg·m^-3))。同時，由于其激振方式為電磁激振，磁鐵的存在也使得該傳感器封裝后的體積較大。

常規的電容微加工超聲傳感器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducers，CMUTs)雖然是基于MEMS技術研發的微型傳感器，有尺寸小、機電性能好、易陣列、靈敏度高、噪聲低等一些列優點，并且其基頻高(1MHz至20MHz)，密度測量靈敏度高(-1000Hz/(kg·m^-3)以上)，可以實現在線測量。但是由于其同時在上、下電極之間施加交流激勵電壓和直流偏置電壓，因此在檢測時還需要設計復雜的收發隔離電路，將交流激振信號隔離后提取有效的輸出信號，或采用先發射后測量的檢測方式。收發一體式隔離電路設計復雜，且由于不同芯片的電參數不同，致使收發一體式隔離電路的通用性較差，與此同時，增大了芯片封裝后的體積。采用先發射后測量的檢測方式通常用在離線測量過程中，無法滿足在線測量要求。

傳統的CMUTs結構沒有梳齒電極，只有上、下電極，即同時采用上、下電極進行激振和檢測，因此需要設計收發一體式隔離電路，信號處理電路難度大，封裝后傳感器尺寸較大，而且需要采用阻抗分析儀進行檢測，操作不便。與此同時，其激振方式直接由上、下電極加載交流電激發，因此相較于由面內拉壓運動產生的彎曲振動模式而言，其品質因子較低。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種梳齒式CMUTs流體密度傳感器及其制備方法，該傳感器具有激振結構與檢測結構相隔離、易于實現流體密度測量和體積小的優點，滿足在線測量要求，且無需設計收發隔離電路，簡化了信號處理難度。

為達到上述目的，本發明所述一種梳齒式CMUTs流體密度傳感器包括CMUTs單元，CMUTs單元包括自下而上依次設置的單晶硅襯底、二氧化硅支柱層、硅結構層和梳齒電極結構，梳齒電極結構包括間隔設置的梳齒直流電極和梳齒交流電極，二氧化硅支柱層與硅結構層封裝形成密封真空腔，其中，單晶硅襯底用做下電極，與梳齒直流電極形成直流偏置電壓施加點，也是信號檢測端。