基于MEMS技术的电容式声压水听器及其制备方法与流程

本发明属于mems技术领域，具体是一种基于mems技术的电容式声压水听器及其制备方法。

背景技术：

地球表面的各大陆被总面积约为3.6亿平方公里的海洋所覆盖，其面积大约占了地球表面积的71%，然而截止到今天，海洋中已被人类探索的部分还只占了其5%。由于蕴含着大量的矿物资源、生物资源和化学资源，海洋是一个极具潜力的宝库。

水下声压检测是水下探测的重要一环，利用准确的声压信息结合声压梯度信息可以精确获得水下目标的方位和距离，还可以有效的利用声压水听器对海洋环境进行监控。目前常见的声压水听器按照工作原理分类有压电式、压阻式以及电容式等，压电式声压水听器利用压电材料的正（逆）压电效应制成，该类型传感器加工工艺简单，价格低廉，适用广泛，但与气体或液体介质存在突出的阻抗失配问题，会影响到传感器的灵敏度，带宽和机电转换效率等重要参数；压阻式传感器利用压阻效应制成，通过感受声压改变惠斯通电桥桥臂电阻的阻值进而改变输出电压来实现对声压的测量，线性度较好且检测方法简单，但随温度变化，材料的压阻系数和电阻率也会发生改变，不利于温度条件多变的水下声压测量；电容式声压水听器通过振动薄膜感受声压，上下极板的间距发生变化从而导致电容发生变化。相比较其他类型的声压水听器，本发明提出的基于mems技术的声压水听器具有尺寸小，功耗低，带宽宽以及与周围介质具有固有的阻抗匹配等优点，通过注油封装可以很大程度上提高传感器的耐压能力。得益于硅微加工技术的发展，此类型声压水听器可以实现批量生产，进一步降低成本。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于mems技术的电容式声压水听器及其制备方法。本发明水听器可以实现频响范围在5hz-2khz，耐静水压达到20mpa以上以及灵敏度在-160db以上的水下声压测量。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于mems技术的电容式声压水听器，包括玻璃衬底，玻璃衬底的顶面的中心处设置有圆片状金属铝下电极；玻璃衬底的顶面上还设置有环状硅支柱，环状硅支柱的内环为圆环状且其直径是圆片状金属铝下电极直径的二倍，环状硅支柱的高度高于圆片状金属铝下电极的高度；环状硅支柱的顶部设置有二氧化硅振动薄膜，二氧化硅振动薄膜的顶面的中心处设置有圆片状金属铝上电极，圆片状金属铝上电极的直径和圆片状金属铝下电极的直径相同；二氧化硅振动薄膜、环状硅支柱以及玻璃衬底之间合围形成圆柱形的电容空腔，二氧化硅振动薄膜上围绕圆片状金属铝上电极均布有四个与电容空腔相通的圆形注油孔，电容空腔通过圆形注油孔注满有硅油；玻璃衬底、圆片状金属铝下电极、环状硅支柱、二氧化硅振动薄膜及圆片状金属铝上电极都位于同一轴线上。

作为优选的技术方案，玻璃衬底的厚度为400-500μm；环状硅支柱的厚度和电容空腔的高度相同、均为5-10μm，环状硅支柱内环的直径和电容空腔的直径相同、均为800-2000μm；二氧化硅振动薄膜的厚度为1-2μm；圆片状金属铝下电极及圆片状金属铝上电极的厚度为0.1-0.4μm；圆形注油孔的直径为80-240μm。

本发明还提供了上述基于mems技术的电容式声压水听器的制备方法，具体包括如下步骤：

1）对soi(silicon-on-insulator)片的器件层进行光刻，做出电容空腔的图形；

2）对步骤1）中做出的电容空腔图形区进行深硅刻蚀，刻蚀过程直到埋氧层为止，最终形成环状硅支柱和电容空腔；

3）在玻璃片上溅射金属铝，得到玻璃衬底，之后进行光刻得到圆片状金属铝下电极图形；

4）对步骤3）所得到的玻璃衬底做湿法腐蚀，最终得到圆片状金属铝下电极及其金属焊盘；

5）将步骤2）得到的soi片和步骤4）得到的玻璃衬底进行阳极键合；

6）将步骤5）得到的键合片利用cmp(chemicalmechanicalpolishing，化学机械抛光)进行减薄和抛光，后通过湿法腐蚀将soi片的衬底层的硅去除干净，以埋氧层作为腐蚀停止层，得到的埋氧层即为二氧化硅振动薄膜；

7）在步骤6）的键合片的二氧化硅振动薄膜上溅射金属铝，之后进行光刻得到圆片状金属铝上电极图形；

8）对步骤7）的键合片做湿法腐蚀，最终得到圆片状金属铝上电极及其金属焊盘；

9）对步骤8）得到的器件进行光刻，得到注油孔的图形，利用rie(reactiveionetching，反应离子刻蚀)刻蚀二氧化硅振动薄膜上的圆形注油孔图形，最终得到圆形注油孔；

10）划片后，通过抽真空的方式将硅油从圆形注油孔注满电容空腔即可。

本发明的有益效果如下：

1）得益于mems技术和soi工艺，本发明可以将电容的振动薄膜控制在1微米左右，很大程度上提高了传感器的灵敏度，同时器件尺寸可以做到很小，便于后续的封装和使用；

2）与常用的硅、氮化硅等材料相比，二氧化硅的弹性模量小，因此受到同样的声压作用时，二氧化硅振动薄膜产生的形变量更大，电容变化量更大，因此更容易观测声压信号；

3）注油孔的设计起到了平衡振动薄膜内外压强的作用，保证灵敏度的同时，很大程度上提高了传感器耐静水压的能力，扩展了电容式声压水听器的适用范围；

4）本发明的加工工艺仅包含四步光刻，工艺流程简洁明了，可以批量生产且成本低廉。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明基于mems技术的电容式声压水听器的三维结构示意图。

图2为本发明基于mems技术的电容式声压水听器的三维剖面示意图。

图3-图11为本发明基于mems技术的电容式声压水听器的仿真结果图。

图12为本发明基于mems技术的电容式声压水听器的加工工艺流程图。

图中：1-玻璃衬底、2-圆片状金属铝下电极、3-环状硅支柱、4-二氧化硅振动薄膜、5-圆片状金属铝上电极、6-电容空腔、7-圆形注油孔。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1、2所示，一种基于mems技术的电容式声压水听器，包括玻璃衬底1，玻璃衬底1的顶面的中心处设置有圆片状金属铝下电极2；玻璃衬底1的顶面上还设置有环状硅支柱3，环状硅支柱3的内环为圆环状且其直径是圆片状金属铝下电极2直径的二倍，环状硅支柱3的高度高于圆片状金属铝下电极2的高度；环状硅支柱3的顶部设置有二氧化硅振动薄膜4，二氧化硅振动薄膜4的顶面的中心处设置有圆片状金属铝上电极5，圆片状金属铝上电极5的直径和圆片状金属铝下电极2的直径相同；二氧化硅振动薄膜4、环状硅支柱3以及玻璃衬底1之间合围形成圆柱形的电容空腔6，二氧化硅振动薄膜4上围绕圆片状金属铝上电极5均布有四个与电容空腔6相通的圆形注油孔7，电容空腔6通过圆形注油孔7注满有硅油；玻璃衬底1、圆片状金属铝下电极2、环状硅支柱3、二氧化硅振动薄膜4及圆片状金属铝上电极5都位于同一轴线上。其中，玻璃衬底1的厚度为400-500μm；环状硅支柱3的厚度和电容空腔6的高度相同、均为5-10μm，环状硅支柱3内环的直径和电容空腔6的直径相同、均为800-2000μm；二氧化硅振动薄膜4的厚度为1-2μm；圆片状金属铝下电极2及圆片状金属铝上电极5的厚度为0.1-0.4μm；圆形注油孔7的直径为80-240μm。

本发明电容式水听器具有结构尺寸小，工艺流程简单，灵敏度高，耐压能力强等优点。所述的环状硅支柱3和电容空腔6在干法刻蚀器件层时同时形成，考虑电容空腔6高度对于塌陷电压和灵敏度的影响，将环状硅支柱3的厚度、也就是电容空腔6的高度设计成5-10μm，将环状硅支柱3内环的直径、也就是电容空腔6的直径设计成800-2000μm。所述的二氧化硅振动薄膜4，为了实现高灵敏度的要求应当做到厚度尽可能的减小，但综合考虑振动薄膜厚度对于塌陷电压、灵敏度以及固有频率的影响，同时兼顾工艺实现的可能性，最终将二氧化硅振动薄膜4的厚度设计成1-2μm，二氧化硅振动薄膜4的有效振动部分实际上就是电容空腔6腔顶的部分，也就是说二氧化硅振动薄膜4的有效振动部分的直径与电容空腔6的直径相同，都为800-2000μm。所述的圆片状金属铝上电极5，综合考虑电极厚度、大小和相对振动薄膜的位置对于传感器塌陷电压和灵敏度的影响，最终将圆片状金属铝上电极5的厚度设计为0.1-0.4μm，圆片状金属铝上电极5的直径为电容空腔6直径的二分之一，也是二氧化硅振动薄膜4有效振动部分直径的二分之一，即400-1000μm，并且位于二氧化硅振动薄膜4的中心处。所述的圆片状金属铝下电极2与圆片状金属铝上电极5位置对应，且厚度和直径均相等。圆形注油孔7在埋氧层上刻蚀而成，兼顾注油方便以及尽量避免对传感器性能的影响，其直径设计为80-240μm。玻璃衬底1选取材料强度高的键合用玻璃片，厚度为400-500um。

如图3-图11所示，利用comsol软件对所述本发明传感器进行建模和仿真，为减小计算量，利用传感器模型的对称特性，取其四分之一进行建模，模型如图3所示，依据塌陷电压的计算公式：

其中，γ取0.82代表半金属化，e为二氧化硅的杨氏模量（7.3e10pa），t为薄膜残余应力（暂不考虑），v为二氧化硅材料的泊松比（0.17），ε为真空介电常数（8.854e-12f/m），t为薄膜厚度（取为1μm），d为电容空腔高度（取为5μm），a为薄膜半径（取为600μm），通过计算可以得到所设计传感器的理论塌陷电压为5.11v，为防止薄膜结构被破坏以及尽可能提高传感器的灵敏度，取塌陷电压的百分之六十，即3.06v作为传感器的工作电压，利用comsol的热粘性声-结构边界进行稳态仿真和谐波扰动仿真，稳态条件下得到在工作电压3.06v时，振动薄膜的位移和应力云图以及沿半径方向的位移曲线图如图4至图6所示，对振动薄膜施加频率为1khz，大小为10pa的声压后，根据灵敏度计算公式：

其中vout为传感器输出电压，pin为施加的声压大小，仿真得到的传感器灵敏度如图7所示，根据传感器固有频率的计算公式：

其中为二氧化硅的密度（2200kg/m³），t为振动薄膜厚度，a为薄膜半径，e为二氧化硅的杨氏模量，v为二氧化硅的泊松比，计算得到理论固有频率为7631.6hz，经过仿真得到的固有频率为7626.1hz，仿真值与理论值较为接近，传感器的一至四阶模态图如图8至图11所示。

以下结合图12具体介绍说明上述本发明基于mems技术的电容式声压水听器的制备方法，包括如下步骤：

1）取soi片备用，如图12中的a所示，然后对soi片的器件层进行光刻，做出电容空腔的图形，；

2）对步骤1）中做出的电容空腔图形区进行深硅刻蚀，刻蚀过程直到埋氧层为止，最终形成环状硅支柱3和电容空腔6，如图12中的b所示；

3）去玻璃片备用，如图12中的c所示，然后在玻璃片上利用磁控溅射机溅射一层金属铝，得到玻璃衬底1，之后对玻璃衬底1溅射了金属铝的一面进行光刻，得到圆片状金属铝下电极图形，如图12中的d所示；

4）对步骤3）所得到的玻璃衬底1做湿法腐蚀，最终得到圆片状金属铝下电极2及其金属焊盘，如图12中的e所示；

5）将步骤2）得到的soi片和步骤4）得到的玻璃衬底1进行阳极键合，如图12中的f所示；

6）将步骤5）得到的键合片利用cmp进行减薄和抛光，后通过湿法腐蚀将soi片的衬底层的硅去除干净，以埋氧层作为腐蚀停止层，得到的埋氧层即为二氧化硅振动薄膜4，如图12中的g所示；

7）在步骤6）的键合片的二氧化硅振动薄膜4上利用磁控溅射机溅射一层金属铝，之后对键合片溅射了金属铝的一面进行光刻，得到圆片状金属铝上电极图形，如图12中的h所示；

8）对步骤7）的键合片做湿法腐蚀，最终得到圆片状金属铝上电极5及其金属焊盘，如图12中的i所示；

9）对步骤8）得到的器件进行光刻，得到注油孔的图形，利用rie刻蚀二氧化硅振动薄膜4上的注油孔图形，最终得到圆形注油孔7，如图12中的j所示；

10）划片后，通过抽真空的方式将硅油从圆形注油孔7注满电容空腔即可。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。