硅基电容式声发射传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种硅基电容式声发射传感器及其制备方法，包括：声发射敏感膜；停靠环，位于声发射敏感膜的下表面；边框，位于声发射敏感膜外围，且与声发射敏感膜相隔一定的间距；边框的上表面设有上电极，下表面设有第一绝缘层；支撑膜，位于声发射敏感膜与边框之间；下电极硅片，下表面设有下电极，上表面设有第二绝缘层；第二绝缘层与第一绝缘层上下对应，且通过焊料层焊接在一起。支撑膜在大气压作用下变形，使得停靠环贴置于下电极硅片的上表面，声发射信号可以较好地耦合到声发射敏感膜上；在大气压作用下停靠环贴置于下电极硅片的上表面之后，声发射敏感膜与下电极硅片之间形成亚微米/纳米间隙，可极大地提高传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
硅基电容式声发射传感器及其制备方法
本专利技术涉及传感器领域，特别是涉及一种硅基电容式声发射传感器及其制备方法。
技术介绍
声发射传感器通过测量材料中缺陷在变化过程中发出的声振动信号可以实现对活动缺陷的检测甚至定位，是一种有重要应用前景的传感器。缺陷在变化过程中发出的声振动信号，也就是声发射信号，是非常微弱的，其振幅在10-9～10-12米的量级。作为比较，硅的平均晶格常数是5.4×10-10米。现有的声发射传感器一般采用压电材料制作，但是压电材料不易与电路集成，并且压电式传感器的价格也较为昂贵。利用硅微机电技术制作的硅基电容式声发射传感器便于大批量制造，便于与电路集成，也便于制作阵列式传感器，是有发展前景的技术。硅基电容式声发射传感器的挑战在于，一般的硅基传感器的敏感电容间隙在微米量级，用来检测10-9～10-12米量级的声振动信号时，灵敏度较低。减小敏感电容间隙到亚微米甚至纳米尺度可显著增加声发射传感器灵敏度，但是亚微米/纳米尺度的间隙制作难度高，实现难度大。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种硅基电容式声发射传感器及其制备方法，用于解决现有技术中采用压电材料制作声发射传感器导致的不易于电路集成，且价格昂贵的问题的问题、由于硅基电容式声发射传感器的敏感电容间隙在微米量级而导致的灵敏度较低的问题及亚微米/纳米尺度的敏感电容间隙制作难度高、难以实现的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种硅基电容式声发射传感器，所述硅基电容式声发射传感器包括：声发射敏感膜；停靠环，位于所述声发射敏感膜的下表面；边框，位于所述声发射敏感膜外围，且与所述声发射敏感膜相隔一定的间距；所述边框的上表面设有上电极，下表面设有第一绝缘层；支撑膜，位于所述声发射敏感膜与所述边框之间，且内侧与所述声发射敏感膜相连接，外侧与所述边框相连接；下电极硅片，位于所述第一绝缘层、所述支撑膜、所述声发射敏感膜及所述停靠环的下方，且与所述声发射敏感膜相隔一定的间距；所述下电极硅片的下表面设有下电极，上表面设有第二绝缘层；所述第二绝缘层与所述第一绝缘层上下对应，且通过焊料层焊接在一起，以在所述声发射敏感膜与所述下电极硅片之间形成真空腔。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的一种优选方案，所述声发射敏感膜的形状为圆形、正方形或矩形。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的一种优选方案，所述停靠环的材料为绝缘材料。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的一种优选方案，所述停靠环的厚度为100nm～1μm。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的一种优选方案，所述支撑膜在大气压作用下变形，以使得所述停靠环贴置于所述下电极硅片的上表面，所述支撑膜的最大应力小于所述支撑膜材料的断裂应力。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的一种优选方案，所述声发射敏感膜与所述下电极硅片的间距为微米量级。本专利技术还提供一种硅基电容式声发射传感器的制备方法，所述硅基电容式声发射传感器的制备方法包括：1)提供制作硅片，在所述制作硅片底部形成环形凹槽；2)在所述制作硅片底部及所述环形凹槽底部形成绝缘隔离层，去除部分位于所述环形凹槽底部的所述绝缘隔离层，使得位于所述环形凹槽底部的所述绝缘隔离层与所述环形凹槽侧壁相隔一定的间距；3)在所述环形凹槽内形成低应力多晶硅层，所述低应力多晶硅层覆盖所述绝缘隔离层；4)光刻、刻蚀位于所述制作硅片底部的所述绝缘隔离层，以在所述制作硅片底部形成第一绝缘层及停靠环；5)提供下电极硅片，在所述下电极硅片下表面形成下电极，并在所述下电极硅片上表面形成第二绝缘层，所述第二绝缘层与所述第一绝缘层上下对应；6)在所述第二绝缘层表面形成焊料层，并将所述第一绝缘层与所述第二绝缘层通过所述焊料层焊接在一起；7)在对应后续要形成边框区域的所述制作硅片上表面形成上电极；8)光刻、刻蚀所述制作硅片，并去除位于所述低应力多晶硅层上方的所述绝缘隔离层，以形成声发射敏感膜及边框。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，在所述制作硅片底部及所述环形凹槽底部形成的所述绝缘隔离层的厚度为100nm～1μm。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，在所述环形凹槽内形成所述低应力多晶硅层之后，还包括对所述低应力多晶硅层进行掺杂的步骤。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的制备方法的一种优选方案，述第一绝缘层、所述第二绝缘层及所述焊料层的厚度之和为微米量级。作为本专利技术的硅基电容式声发射传感器的制备方法的一种优选方案，步骤8)中，形成的所述声发射敏感膜的形状为圆形、正方形或矩形。本专利技术的硅基电容式声发射传感器及其制备方法，具有以下有益效果：支撑膜在大气压作用下变形，使得停靠环贴置于下电极硅片的上表面，使得声发射信号可以较好地耦合到声发射敏感膜上；停靠环的厚度为100nm～1μm，在大气压作用下停靠环贴置于下电极硅片的上表面之后，声发射敏感膜与下电极硅片之间形成亚微米/纳米间隙，可极大地提高传感器的灵敏度；制作过程中，声发射敏感膜与下电极硅片的间距为微米量级，尺寸较大，降低了加工难度，成品率较高。附图说明图1显示为本专利技术实施例一中提供的硅基电容式声发射传感器的截面结构示意图。图2显示为本专利技术实施例一中提供的硅基电容式声发射传感器的立体结构示意图。图3显示为本专利技术实施例一中提供的硅基电容式声发射传感器自焊料层拆分的拆分结构示意图。图4显示为本专利技术实施例一中提供的硅基电容式声发射传感器的工作振型示意图。图5显示为本专利技术实施例二中提供的硅基电容式声发射传感器的立体结构示意图。图6显示为本专利技术实施例二中提供的硅基电容式声发射传感器自焊料层拆分的拆分结构示意图。图7显示为本专利技术实施例二中提供的硅基电容式声发射传感器的工作振型示意图。图8显示为本专利技术实施例三中提供的硅基电容式声发射传感器的制备方法的流程示意图。图9至图15显示为本专利技术实施例三中提供的硅基电容式声发射传感器的制备方法各步骤的结构示意图。元件标号说明100声发射敏感膜101停靠环102边框103上电极104第一绝缘层105支撑膜106下电极硅片107下电极108第二绝缘层109焊料层110真空腔201制作硅片202环形凹槽203绝缘隔离层204低应力多晶硅层具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图15需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，虽图示中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一请参阅图1，本专利技术提供一种硅基电容式声发射传感器，本专利技术提供一种硅基电容式声发射传感器，所述硅基电容式声发射传感器包括：声发射敏感膜100；停靠环101，所述停靠环101位于所述声发射敏感膜100的下表面；边框102，所述边框102位于所述声发射敏感膜100外围，且与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基电容式声发射传感器，其特征在于，所述硅基电容式声发射传感器包括：声发射敏感膜；停靠环，位于所述声发射敏感膜的下表面；边框，位于所述声发射敏感膜外围，且与所述声发射敏感膜相隔一定的间距；所述边框的上表面设有上电极，下表面设有第一绝缘层；支撑膜，位于所述声发射敏感膜与所述边框之间，且内侧与所述声发射敏感膜相连接，外侧与所述边框相连接；下电极硅片，位于所述第一绝缘层、所述支撑膜、所述声发射敏感膜及所述停靠环的下方，且与所述声发射敏感膜相隔一定的间距；所述下电极硅片的下表面设有下电极，上表面设有第二绝缘层；所述第二绝缘层与所述第一绝缘层上下对应，且通过焊料层焊接在一起，以在所述声发射敏感膜与所述下电极硅片之间形成真空腔。

【技术特征摘要】
1.一种硅基电容式声发射传感器，其特征在于，所述硅基电容式声发射传感器包括：声发射敏感膜；停靠环，位于所述声发射敏感膜的下表面；边框，位于所述声发射敏感膜外围，且与所述声发射敏感膜相隔一定的间距；所述边框的上表面设有上电极，下表面设有第一绝缘层；支撑膜，位于所述声发射敏感膜与所述边框之间，且内侧与所述声发射敏感膜相连接，外侧与所述边框相连接；下电极硅片，位于所述第一绝缘层、所述支撑膜、所述声发射敏感膜及所述停靠环的下方，且与所述声发射敏感膜相隔一定的间距；所述下电极硅片的下表面设有下电极，上表面设有第二绝缘层；所述第二绝缘层与所述第一绝缘层上下对应，且通过焊料层焊接在一起，以在所述声发射敏感膜与所述下电极硅片之间形成真空腔。2.根据权利要求1所述的硅基电容式声发射传感器，其特征在于：所述声发射敏感膜的形状为圆形、正方形或矩形。3.根据权利要求1所述的硅基电容式声发射传感器，其特征在于：所述停靠环的材料为绝缘材料。4.根据权利要求1所述的硅基电容式声发射传感器，其特征在于：所述停靠环的厚度为100nm～1μm。5.根据权利要求1所述的硅基电容式声发射传感器，其特征在于：所述支撑膜在大气压作用下变形，以使得所述停靠环贴置于所述下电极硅片的上表面，所述支撑膜的最大应力小于所述支撑膜材料的断裂应力。6.根据权利要求1所述的硅基电容式声发射传感器，其特征在于：所述声发射敏感膜与所述下电极硅片的间距为微米量级。7.一种硅基电容式声发射传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1)提供制作硅片，在所述制作硅片底部形成环形凹槽；2)在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨恒，王小飞，豆传国，孙珂，吴燕红，李昕欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31