[发明专利]差分电容式纤毛水听器及其制造方法

说明书

本发明提供了一种差分电容式纤毛水听器及其制造方法，属于水下声纳传感器制造技术领域。本发明差分电容式纤毛水听器结构包括纤毛体、连接梁、中心连接体、上电极、钝化层、介质层、下电极、基底层等；制备方法，使用COMS‑MEMS单片集成工艺，在COMS工艺的后端层设置器件的结构，电路信号处理电子层在器件结构下方集成，各金属层间通过金属钨塞连接。由COMS‑MEMS单片集成工艺制备的差分电容式纤毛水听器具有一致性好、集成化、频带宽、灵敏度高、易封装、可批量生产等优点。

技术领域

本发明涉及CMOS-MEMS集成的传感器制造技术领域，具体是一种差分电容式纤毛水听器及其制备方法。

背景技术

当前，声波是唯一能在水下进行远距离信息传输的载体，我们对海洋进行探索和研究主要采用水声技术。水听器通过核心功能元件接收声波信号，将其转化为电信号，再将电信号放大后进行传输。传统水听器通常体积较大、一致性较差、成本较高等缺点，而集成CMOS-MEMS技术制造的差分电容式纤毛水听器具有频带宽、灵敏度高、小型化、集成化、一致性好以及批量化等优点。因此，我们急需研发一种全新结构及制备方法的基于CMOS-MEMS的水听器来满足现在行业的需求。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于CMOS-MEMS集成的水听器结构，具体是一种差分电容式纤毛水听器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种差分电容式纤毛水听器，包括基底层，基底层上由下而上依次设置有第一层介质层、第一层金属层、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层、第（n-1）层金属层、第n层介质层、第n层金属层、多晶硅层以及钝化层，n≥3；第n层介质层上刻蚀形成有一个空腔，空腔的顶部为第n层金属层、底部为第（n-1）层金属层，空腔顶部的第n层金属层形成上电极层，第n层金属层、多晶硅层以及钝化层部分形成有位于中心部位的中心连接体以及连接在中心连接体四周的四根连接梁，中心连接体上垂直固定有纤毛体，四根连接梁上分布设置有上电极；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层作为上电极层并在其上设置有电极焊点，第（n-1）层金属层作为下电极层，第（n-2）层金属层作为电子层。

作为优选的技术方案，基底层的材料为硅，介质层的材料为氧化硅，金属层的材料为铝，钝化层的材料为氮化硅，纤毛体的材料为硅、玻璃或树脂，纤毛体的形状为圆柱体或长方体，空腔的形状为长方体。

作为优选的技术方案，基底层采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的P型（100）硅片，典型的掺杂浓度N_A≈10¹⁵cm^-3。

作为优选的技术方案，电子层上设置有CMOS信号处理电路。

进一步的，本发明还提供了上述差分电容式纤毛水听器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：选用硅晶圆作为起始基底层，利用CMOS工艺在基底层上完成CMOS有源区、n层介质层以及n层金属层的制作，各层金属层通过钨塞互连；其中，第n层金属层作为上电极层，多晶硅层作为制作中心连接体、连接梁及电极的主体层，第n层介质层作为制作空腔的主体层，第（n-2）层金属层作为电子层，第（n-1）层金属层作为下电极层，第n、（n-1）层金属层制备完后图形化；

步骤2：，在第n层金属层上淀积多晶硅层以及钝化层、多晶硅层及钝化层并图形化形成连接梁及中心连接体结构；

步骤3：在第n层介质层通过干法刻蚀形成空腔，使中心连接体和连接梁悬空；

步骤4：电气焊接，引出电极焊点，通过二次集成将纤毛粘附到中心质量块上，最后即得到所述的差分电容式纤毛水听器。

作为优选的技术方案，步骤1中，CMOS工艺包括0.18um工艺制程。

作为优选的技术方案，金属层的材质为铝，介质层是通过化学气相淀积的二氧化硅，钝化层是通过化学气相淀积的氮化硅。