本发明属于微型机械电子系统(microelectro-mechanicalsystems，mems)和流体物性参数测试技术领域，具体涉及一种基于电容式微加工超声传感器(capacitivemicromachinedultrasonictransducers，cmuts)的流体密度传感器及其制备方法。
背景技术
密度是流体的一个重要的物性参数，在石油、化工、医疗、食品等众多领域都有着极其重要的作用，所以高精度的流体密度传感器有着重要的应用价值。目前，在工业现场和实验室中，主要采用传统方法来获取流体的密度数据，即先提取样品再离线测量其密度值。但由于测试环境与实际工况环境存在较大差异，导致离线测得的密度值无法反映流体的实际热物性状态，测量精度低、周期长。例如在石油开采之前，需要测得储层流体的密度等热物性数据，以评估油气储层开采的经济可行性，但流体往往处于高温高压等极端条件，传统测量方法是将储层流体取样到地面后再进行测量，在取样过程中，由于温度、压力等外界条件不断变化，导致储层流体的组份及密度值也在发生变化，因而，离线测得的密度值无法反映真实情况。
mems技术的发展为解决上述流体密度测量中遇到的问题提供了一种新的途径，基于mems微谐振器的流体密度传感器，具有小体积、高精度、低成本、可在线测量等优点。目前已有基于微悬臂梁结构的流体密度传感器研究，可实现在高温、高压条件下密度的测量，但矩形悬臂梁结构密度传感器的测量灵敏度较低，此外，其激振装置为电磁激励，封装结构复杂，无法完全体现出mems传感器技术的优势。
相对于微悬臂梁传感结构，基于cmuts的流体密度传感器表现出更多的优势。cmuts技术是mems技术领域研究的重点方向之一，得益于mems微加工技术及其自身独特结构，它具有尺寸小、重量轻、谐振频率高、灵敏度高、工作温度范围宽(最高工作温度可达500℃)、易阵列等优点。目前，在生物医学成像、生化物质检测、无损探伤、物距检测等领域已有众多的商业产品，展现出了很高的商业价值。上述cmuts展现出的诸多优点及商业应用价值为其作为流体密度传感器的研究提供了重要保证。传统的cmuts金属电极位于最上层，不能工作于导电或腐蚀性流体中；并且薄膜各层结构之间以及薄膜与流体之间存在声阻抗失配的问题，造成cmuts转化的声能大量损耗，会导致流体密度测试信号较弱；对于以阵列形式工作的cmuts，阵列中的超声互辐射作用严重影响了各单元的谐振一致性，因此需要设计新的cmuts结构用于流体密度的测量。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种cmuts流体密度传感器及其制备方法，本发明设计合理，以实现复杂环境下流体密度的高灵敏度、简便快捷的在线测量。
为达到上述目的，本发明所述一种cmuts流体密度传感器包括cmuts单元，cmuts单元包括单晶硅基底，单晶硅基底上设置有下电极，下电极上设置有环形空腔，环形空腔上方设置有环形的cmuts振动薄膜，cmuts振动薄膜包括自下至上依次设置的二氧化硅振动薄膜、环形金属上电极、二氧化硅绝缘层和声阻抗匹配层。
进一步的，单晶硅基底上表面设置有二氧化硅边缘支柱和二氧化硅中心支柱，二氧化硅边缘支柱和二氧化硅中心支柱之间形成环形空腔，二氧化硅振动薄膜设置在环形空腔上方并将将环形空腔密封。
进一步的，环形金属上电极的面积与二氧化硅振动薄膜的有效振动面积以及环形空腔的面积相同。
进一步的，二氧化硅绝缘层覆盖在环形金属上电极及二氧化硅振动薄膜上没有溅射金属电极的区域。
进一步的，二氧化硅绝缘层上表面设置有声阻抗匹配层。
进一步的，声阻抗匹配层外侧设置有隔声墙。
进一步的，下电极上表面设置有二氧化硅热应力匹配层。
进一步的，二氧化硅振动薄膜的厚度为0.5μm～1μm，直径为20μm～150μm。
一种cmuts流体密度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、取一n型<100>晶面单晶硅作为第一单晶硅，在其上表面氧化形成第一单晶硅的二氧化硅层；
步骤2、光刻、刻蚀第一单晶硅的二氧化硅层，形成环形空腔、二氧化硅中心支柱和二氧化硅边缘支柱；
步骤3、采用局部离子掺杂技术，从第一单晶硅上下两侧进行局部硼离子重掺杂，形成下电极和单晶硅基底；
步骤4、在下电极上表面沉积得到一层二氧化硅层，即二氧化硅热应力匹配层；
步骤5、取另一单晶硅作为第二单晶硅，并在其上、下表面氧化分别形成第二单晶硅的第一二氧化硅层和第二二氧化硅层，抛光二氧化硅中心支柱和二氧化硅边缘支柱的上表面以及第二单晶硅上第一二氧化硅层的上表面；
步骤6、将抛光后的二氧化硅中心支柱和二氧化硅边缘支柱的上表面与第二单晶硅上第一二氧化硅层的上表面真空熔融键合，形成环形真空腔，其中第一单晶硅在下，第二单晶硅在上；
步骤7、采用机械方法去掉第二单晶硅上第二二氧化硅层，并将第二单晶硅上未被氧化单晶硅剪薄至10μm-20μm，然后刻蚀掉剩余的单晶硅，其中第一二氧化硅层作为刻蚀停止层，然后对剩余的第一二氧化硅层进行抛光得到二氧化硅振动薄膜；
步骤8、在二氧化硅振动薄膜上溅射铝，然后刻蚀除去环形空腔区域以外的铝，形成环形金属上电极；
步骤9、在刻蚀后的金属电极上采用低压气相沉积技术沉积二氧化硅绝缘层；
步骤10、在二氧化硅绝缘层上沉积声阻抗匹配材料，刻蚀形成声阻抗匹配层；
步骤11、在步骤得到的产物上表面沉积硅橡胶材料形成隔声墙层，然后刻蚀形成隔声墙，同时刻蚀掉芯片边缘区域的二氧化硅绝缘层，露出上电极金属焊盘。
进一步的，步骤2中，掺杂后的下电极的电阻率为0.01ω·cm～0.02ω·cm。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
(1)本发明传感器中的cmuts振动薄膜为环形薄膜，能有效提高cmuts的谐振频率，从而使传感器具有更高的密度测量灵敏度。
(2)本发明所述下电极上部有二氧化硅热应力匹配层覆盖，防止下电极的热变形，上电极两侧均为二氧化硅层，从而减小高温环境下上电极引起的cmuts振动薄膜热应力；同时二氧化硅为绝缘性和耐腐蚀性材料，传感器可以用于导电流体和腐蚀性液体，保证传感器用于各种复杂流体环境中。
(3)本发明中cmuts振动薄膜的上表面为聚酰亚胺(polyimide，pi)薄膜，为cmuts振动薄膜与流体之间的声阻抗匹配层，其声阻抗介于流体域二氧化硅材料之间，金属上电极、二氧化硅绝缘层、声阻抗匹配层之间声阻抗依次递减，从而减小cmuts的声能损耗，使薄膜的振动能更好地传播到流体之中，提高声固耦合作用，增大传感器信号的强度。
(4)本发明所述传感器单元设置了隔声墙结构，传统的cmuts阵列，在流体中各单元间会存在超声互辐射引起的相互干扰，造成cmuts的谐振信号难以检测，隔声墙采用吸声性能较好的硅橡胶材料，能有效减小单元间的超声互辐射作用，提高cmuts作为谐振器时的谐振性能，提高cmuts各单元信号的一致性。
(5)环形金属上电极的面积与二氧化硅振动薄膜的有效振动面积以及环形空腔的面积相同，具有较强的静电力。
(6)进一步的，二氧化硅振动薄膜的厚度为0.5μm～1μm，直径为20μm～150μm，具有较高的谐振频率和流体密度检测灵敏度。
(7)本发明所述cmuts结构简单，极易形成阵列，易于电连接，可实现便携式在线测量。
附图说明
图1为本发明的cmuts单元结构示意图；
图2为本发明的cmuts单元结构剖面图；
图3为本发明的cmuts阵列单元结构示意图；
图4为本发明的cmuts制备方法流程图。
图中的标号如下表示：
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
一种cmuts流体密度传感器可实现高温、腐蚀性、导电流体的在线测量和微量测量，并且具有测量响应速度快、灵敏度高、性能稳定、体积小等优点。cmuts流体密度传感器包括cmuts单元，cmuts单元如图1所示，该单元结构包括单晶硅基底11、下电极10、二氧化硅热应力匹配层9、二氧化硅边缘支柱8、二氧化硅中心支柱6、二氧化硅振动薄膜5、环形金属上电极4、二氧化硅绝缘层3、声阻抗匹配层2、隔声墙1。其中，隔声墙1内侧设置有声阻抗匹配层2，声阻抗匹配层2的下表面与隔声墙1的下表面齐平，声阻抗匹配层2的上表面低于隔声墙1的上表面，二氧化硅边缘支柱8和二氧化硅中心支柱6之间形成环形空腔7，二氧化硅振动薄膜5将环形空腔7密封，并与环形金属上电极4、二氧化硅绝缘层3、声阻抗匹配层2共同组成环形cmuts振动薄膜。
1.cmuts单元结构说明
请参阅图1和图2所示，cmuts单元由基底与支柱部分、cmuts振动薄膜和隔声墙结构三大部分组成：
(1)基底与支柱部分包括单晶硅基底11、下电极10、二氧化硅热应力匹配层9、二氧化硅边缘支柱8和二氧化硅中心支柱6，组成了cmuts单元的下半部。单晶硅基底11由硼离子重掺杂得到下电极10后剩余第一单晶硅自然形成，包括下电极10的外侧和内侧两部分，外侧部分上表面设置有二氧化硅边缘支柱8，内侧基底部分上表面设置有二氧化硅中心支柱6，二氧化硅中心支柱6位于单晶硅基底11中心位置，直径在3μm-5μm之间；二氧化硅边缘支柱8和二氧化硅中心支柱6之间形成环形空腔7，为了保证cmuts能有较高的超声波发射强度，环形空腔7的高度大于0.5μm，但不超过1.5μm；下电极10为向下凸起的t型结构，包括水平部分和向下延伸的凸出部分，其中水平部分位于单晶硅基底11上表面，宽度与环形空腔7的宽度相等，向下的凸出部分宽度小于环形空腔7的宽度，厚度与单晶硅基底11相同，两者均通过对单晶硅基底11硼离子重掺杂形成；下电极10上表面设置有二氧化硅热应力匹配层9，二氧化硅热应力匹配层9通过等离子体增强化学气相沉积得到，由于二氧化硅热膨胀系数低，因此可在高温条件下减小下电极的热膨胀变形。
(2)cmuts振动薄膜包括二氧化硅振动薄膜5、环形金属上电极4、二氧化硅绝缘层3和声阻抗匹配层2，cmuts振动薄膜与流体产生相互作用实现流体密度的检测功能。二氧化硅振动薄膜5为圆形，覆盖在二氧化硅边缘支柱8和二氧化硅中心支柱6的上表面，二氧化硅振动薄膜5的直径与环形空腔7的外径相同，且两者同心；二氧化硅振动薄膜5上表面有环形金属上电极4，为了产生较强的静电力，其面积与二氧化硅振动薄膜5的有效振动面积及环形空腔7的面积相同；环形金属上电极4上覆盖有二氧化硅绝缘层3，二氧化硅绝缘层3覆盖环形金属上电极4及二氧化硅振动薄膜5上没有溅射金属电极的区域；二氧化硅绝缘层3上表面设置有与二氧化硅振动薄膜5同心的声阻抗匹配层2，声阻抗匹配层2覆盖隔声墙内的所有区域。二氧化硅振动薄膜5的尺寸大小直接决定cmuts的共振频率及机电耦合系数，为了获得较高的谐振频率和流体密度检测灵敏度，本实施方式中二氧化硅振动薄膜5的厚度为0.5μm～1μm，直径为20μm～150μm。环形金属上电极4通过磁控溅射铝靶材得到，为了减少环形金属上电极4受热膨胀引起的热应力，利用低压气相沉积技术在环形金属上电极4上部沉积二氧化硅绝缘层3，保证高温环境中流体密度的检测精度，同时其还起到绝缘和防腐蚀作用，保护环形金属上电极4。下电极9和环形金属上电极4的面积与环形空腔7面积相同。声阻抗匹配层2为cmuts振动薄膜和流体间的过渡层，减小cmuts的声能损耗，使薄膜的振动能更好地传播到流体之中，增大传感器信号的强度，因此匹配层材料的声阻抗值应介于二氧化硅和流体的声阻抗值之间，因此采用pi材料。二氧化硅绝缘层3和声阻抗匹配层2的总厚度小于1μm。
(3)隔声墙1设置在二氧化硅绝缘层3的上表面，其形状与二氧化硅边缘支柱8相同，隔声墙1由具有吸声性能的材料如硅橡胶(pdms)等加工，能阻挡cmuts单元发射的声波向其他单元的传播，减小cmuts各单元间的超声互辐射，保证单元间谐振性能的一致性，其高度为10μm-100μm，横向宽度小于等于二氧化硅支柱7的宽度。
2.cmuts阵列及电路说明
请参阅图3所示，本发明cmuts阵列中各cmuts单元之间相互并联连接，各单元的上电极由引线均接入到焊盘12中。在cmuts上下电极之间同时施加直流偏置电压vdc和交流激励电压vac使cmuts振动薄膜产生振动，两者总电压的峰值应小于cmuts的塌陷电压，通过相应的检测电路即可获得cmuts振动过程中阻抗的信息，通过观察阻抗变化得到cmuts的谐振频率。cmuts阵列工作时，隔声墙1的设计能有效减小cmuts阵列中的超声互辐射现象，从而能使各单元之间的谐振性能保持较好的一致性。
3.传感器工作原理
在cmuts上下电极之间施加直流偏置电压和交流激励电压时，cmuts的振动薄膜会在流体中产生振动，激发产生超声波，在流体中产生声场。流体中的声场声压力会反作用于cmuts振动薄膜，两者之间发生声固耦合作用，从而使cmuts的谐振频率产生偏移。流体的密度影响声场声压的大小，密度越大的流体产生的声压越大，从而使cmuts的谐振频率偏移量越大。对于流体中工作的cmuts，可将其流体声场中的声阻抗等效到cmuts的等效电路中，其作用与机械阻抗类似，但随着流体密度的改变而变化，可通过对等效电路的研究，确定流体对cmuts的作用大小。当改变输入交流激励电压的频率时，在cmuts发生谐振的位置，其等效电路的等效阻抗值最小，因此可以通过确定不同频率下cmuts的等效阻抗的大小确定其谐振频率值，根据流体密度和cmuts谐振频率之间的关系ρ＝αf+β实现流体密度的测量，式中ρ为被测流体密度，f为cmuts的谐振频率，α和β为待定参数，可以通过对已知密度流体的测量进行标定，确定其值。
一种基于cmuts的流体密度传感器及其制备方法，其主要结构参数为：
cmuts振动薄膜有效直径：20μm～150μm，cmuts振动薄膜总厚度：小于3.5μm，环形金属上电极4的厚度：0.5～1.5μm，空腔高度：0.5μm～0.15μm，隔声墙高度：10μm-100μm，横向宽度小于等于二氧化硅支柱的宽度，cmuts阵列尺寸：小于3×3mm2。
下面结合附图4(1)至图4(11)，对本发明所述cmuts的制备方法进行详细描述：
步骤1、取一n型<100>晶面单晶硅作为第一单晶硅13，在其上表面氧化形成第一单晶硅的二氧化硅层14；
步骤2、光刻、刻蚀第一单晶硅的二氧化硅层14，形成环形空腔7、二氧化硅中心支柱6和二氧化硅边缘支柱8；
步骤3、采用局部离子掺杂技术，从第一单晶硅上下两侧进行局部硼离子重掺杂，形成下电极10和单晶硅基底11，掺杂后的下电极10的电阻率为0.01～0.02ω·cm；
步骤4、采用等离子体增强化学气相沉积技术在下电极10上表面沉积得到一层二氧化硅层，即二氧化硅热应力匹配层9；
步骤5、取另一单晶硅作为第二单晶硅15，采用热氧化技术在其上、下表面氧化形成第二单晶硅的第一二氧化硅层16和第二单晶硅的第二二氧化硅层17，采用化学机械抛光技术抛光二氧化硅中心支柱6和二氧化硅边缘支柱8的上表面以及第二单晶硅上第一二氧化硅层16的上表面；
步骤6、将抛光后的二氧化硅中心支柱6和二氧化硅边缘支柱8的上表面与第二单晶硅上第一二氧化硅层16的上表面真空熔融键合，形成环形真空腔7，其中第一单晶硅在下，第二单晶硅15在上；
步骤7、采用机械方法去掉第二单晶硅15上第二二氧化硅层17，并将第二单晶硅15上未被氧化单晶硅剪薄至10μm-20μm，(剪薄至10μm时最佳)，然后用dep溶液刻蚀掉剩余的20％单晶硅，其中第二单晶硅的第一二氧化硅层16作为刻蚀停止层，最后采用化学机械抛光技术对剩余的第二单晶硅的第一二氧化硅层16进行抛光得到二氧化硅振动薄膜5；
步骤8、在二氧化硅振动薄膜5上溅射铝，然后刻蚀除去环形空腔区域以外的铝，形成环形金属上电极4；
步骤9、在刻蚀后的金属电极4上采用低压气相沉积技术沉积二氧化硅绝缘层3；
步骤10、在二氧化硅绝缘层3上沉积声阻抗匹配材料pi，刻蚀形成声阻抗匹配层2；
步骤11、在步骤10加工得到的结构上表面沉积pdms形成隔声墙层，然后刻蚀形成隔声墙1，同时刻蚀掉芯片边缘区域的二氧化硅绝缘层3，露出上电极金属焊盘12。
上述制备工艺加工的cmuts阵列芯片会使下电极、上电极金属焊盘12及引线裸露在外边，在实际应用时还需要注意其密封问题，同时也需要对传感器整体结构进行封装，可根据实际需求自行设计cmuts传感器的绝缘和封装结构。
本发明不限于上述所述实施方式，所述cmuts阵列结构尺寸、单元列数、分布形式，以及所述的cmuts单元薄膜形状与尺寸、电极形状与尺寸、空腔尺寸等，都可以根据实际需要进行改变。另外，声阻抗匹配层材料以选取合适声阻抗参数为目的，不限于所提pi材料，其原则为增大cmuts传感器的输出信号强度。
本发明的主要技术指标如下：
测量介质：牛顿流体，
密度测量范围：400kg/m3～1500kg/m3，
密度测量精度：优于1％fs，
检测灵敏度：≥1000(hz/(kg/m3))，
工作温度：-20℃～120℃，
工作压力：≤60mpa。
综上所述，本发明传感器具有以下优点：
(1)本发明设计了面向在线测量的环形空腔cmuts结构，测试精度高，可实现快速、在线测量，可直接将其放入需要测试的液体中工作，不需取样，根据谐振信号输出即可得到密度值；
(2)本发明cmuts设计了具有吸声性能的隔声墙结构，能有效降低阵列中各单元间的超声互辐射，提升单元间的谐振一致性；
(3)本发明传感器设计了声阻抗匹配层2，实现了金属上电极、二氧化硅绝缘层、声阻抗匹配层和待测流体之间声阻抗的依次减小，可减小cmuts声能的损耗，提高检测信号的强度；
(4)本发明传感器设计了二氧化硅绝缘层3和二氧化硅热应力匹配层9，因此可以实现高温、导电、腐蚀性流体环境等恶劣流体环境中的检测。
(5)本发明cmuts结构简单，易于制造，可实现大批量、高效率加工，生产成本低、周期短，传感器体积小、重量轻，测试方便，可面向工业及生活中应用。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。