[發(fā)明專利]高靈敏度微壓檢測(cè)環(huán)形溝槽振膜結(jié)構(gòu)電容式微機(jī)械超聲換能器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110911557.0
• 申請(qǐng)日: 2021-08-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113714072B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王紅亮;丁琦;何常德;張文棟;黃霄;王任鑫;王智豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): B06B1/02
• 分類號(hào): B06B1/02;B81B7/02
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;曹一杰

本發(fā)明涉及微壓（0?10kPa）檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及MEMS或電容式微機(jī)械超聲換能器，具體為高靈敏度微壓檢測(cè)環(huán)形溝槽振膜結(jié)構(gòu)電容式微機(jī)械超聲換能器，包括金屬上電極、Si振膜、SiO₂支撐柱、真空腔、SiO₂絕緣層以及硅襯底，Si振膜的下方邊緣位置設(shè)置有環(huán)形的SiO₂支撐柱，SiO₂支撐柱的下方設(shè)置硅襯底，Si振膜、SiO₂支撐柱和硅襯底所圍成的空腔為真空腔，真空腔底部設(shè)置有SiO₂絕緣層，Si振膜上方濺射金屬上電極，Si振膜上表面刻蝕出若干條同心的環(huán)形溝槽。本發(fā)明的電容式微機(jī)械超聲換能器具有高靈敏度、優(yōu)線性度的壓力檢測(cè)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微壓(0-10kPa)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及MEMS或電容式微機(jī)械超聲換能器，具體為高靈敏度微壓檢測(cè)環(huán)形溝槽振膜結(jié)構(gòu)電容式微機(jī)械超聲換能器。

背景技術(shù)

壓力作為最基本的應(yīng)用參數(shù)，它的精密測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防科技、生物醫(yī)療等領(lǐng)域迫切需要解決的技術(shù)難題。尤其在微壓環(huán)境下，高效而精確地獲取微弱壓力始終是壓力傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一；再加上壓力突變等復(fù)雜情況，設(shè)計(jì)出具有高敏度、低檢出的實(shí)用性傳感器的難度頗大。盡管如此，微壓傳感器始終是科研學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，這主要在于微壓測(cè)量在航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著迫切的應(yīng)用需求。例如：通過(guò)高空壓力進(jìn)行飛行器的測(cè)高及軌道校正，工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的壓力條件監(jiān)測(cè)，高鐵運(yùn)行系統(tǒng)中的外物脈動(dòng)風(fēng)壓檢測(cè)，頸內(nèi)動(dòng)脈血管術(shù)前術(shù)后的壓力差檢測(cè)等。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，用于壓力測(cè)量的傳感器不斷開(kāi)發(fā)并投入使用，較為突出的是基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器。相比于其它類型的壓力傳感器，該類傳感器具有微型化、高諧振頻率、高靈敏度、低噪聲以及可量產(chǎn)等顯著優(yōu)勢(shì)。MEMS壓力傳感器大致可分為：壓阻式、電容式和諧振式三類。其中，壓阻式MEMS壓力傳感器是利用材料的壓阻效應(yīng)制備而成。該類傳感器工藝簡(jiǎn)易、線性度良好，但固有的溫敏特性對(duì)測(cè)量精度影響極大，必要的溫度補(bǔ)償嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用范圍。電容式MEMS壓力傳感器通過(guò)上下極板間的電容變化間接得到待測(cè)壓力。這類傳感器具有低溫漂、低功耗以及高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，但固有的非線性特性和較小的輸出電容對(duì)檢測(cè)信號(hào)要求很高。而諧振式MEMS壓力傳感器通過(guò)諧振器工作時(shí)固有頻率變化間接實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。相比于前兩者，諧振式MEMS壓力傳感器主要受器件本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械特性的影響，因此測(cè)量精度/靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)，在航空航天、工業(yè)控制等傳感器性能要求較高的領(lǐng)域舉足輕重，其中的典型代表就是硅微諧振式MEMS壓力傳感器。

作為硅微諧振式MEMS傳感器的典型代表，電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)由于其卓越的共振特性，已成為硅微諧振式MEMS壓力傳感器的重要組成部分。當(dāng)CMUT設(shè)計(jì)為壓力傳感器時(shí)，可用于測(cè)量靜態(tài)或者緩慢變化的壓力。不同于懸臂梁等第二敏感元件諧振式壓力傳感器，CMUT的振膜可直接感測(cè)不同壓力，從而有效提高分辨率；此外，CMUT本身較高的諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)等也為壓力測(cè)量靈敏度的提升創(chuàng)造了條件；再者，CMUT的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)、良好的電路匹配性以及可批量生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢(shì)確保了復(fù)雜環(huán)境下的壓力測(cè)量的可靠性。

目前，典型的電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括金屬上電極、Si振膜、SiO₂支撐柱、真空腔、SiO₂絕緣層以及硅襯底(亦為下電極)，Si振膜的下方邊緣位置設(shè)置有環(huán)形的SiO₂支撐柱，SiO₂支撐柱的下方設(shè)置硅襯底，Si振膜、SiO₂支撐柱和重?fù)诫s硅襯底所圍成的空腔為真空腔，真空腔底部設(shè)置有SiO₂絕緣層，Si振膜上方濺射金屬上電極，硅襯底采用重?fù)诫s硅襯底。傳統(tǒng)的電容式微機(jī)械超聲換能器Si振膜為平膜，該振膜及柱形空腔結(jié)構(gòu)嚴(yán)重限制了振膜變形，抑制了壓力測(cè)量性能的進(jìn)一步優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容