專利名稱：集成溫濕度大氣壓力傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器的結(jié)構(gòu)和制作方法，具體地說涉及一種進(jìn)行環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力測量的多傳感器集成芯片的結(jié)構(gòu)和制作方法。
背景技術(shù)：
微型集成多傳感器是傳感技術(shù)研究發(fā)展的重要方向之一。溫度、濕度和大氣壓力是環(huán)境和大氣監(jiān)測中的重要物理量。通常對這些物理量的測量采用的是分離的傳感器；溫度采用的是熱敏電阻或鉑電阻；濕度測量目前廣泛采用的如電容法、吸濕法、比重法、光學(xué)法等；大氣壓力測量采用的是空壓合傳感器等。分離傳感器其特點是體積較大，功耗大，不能滿足目前快速發(fā)展的微系統(tǒng)對傳感器的小體積、低功耗、集成度等方面的要求。
MEMS(micro electronic mechanical system一微機(jī)械電子系統(tǒng))是近十多年來發(fā)展起來的新技術(shù)，它是指可以用微電子微機(jī)械等批量加工工藝制造的集微執(zhí)行器、微傳感器、集成電路等部件于一體的微機(jī)電系統(tǒng)。其特點是體積小，性能穩(wěn)定，可批量生產(chǎn)，因而成本低，性能一致性好。對濕度的測量是設(shè)計制作中的難點，濕度是指單位體積內(nèi)水蒸氣的相對含量，對它的測量要受到許多其它因素的干擾和制約。為了制作微型的集成傳感器，傳統(tǒng)測量中廣泛采用的如電容法、吸濕法、比重法、光學(xué)法等與MEMS工藝兼容較差，難以實現(xiàn)，因為這些方法一般要在換能器上涂敷吸濕的敏感材料。傳統(tǒng)的絕對濕度測量是采用兩個熱敏電阻，也有利用微電子技術(shù)使用陶瓷等復(fù)合材料制作電阻進(jìn)行濕度測量的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種集成溫濕度大氣壓力傳感器芯片以及該芯片的制作方法。本發(fā)明提供的芯片具有體積小，功耗低，響應(yīng)快、一致性好等特點。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用MEMS技術(shù)在硅片上制作三個微型的鉑溫度傳感器，可以實現(xiàn)溫度與濕度的同時測量。
本發(fā)明利用電阻法的原理進(jìn)行濕度傳感器的設(shè)計，可以進(jìn)行濕度的絕對測量。
按照本發(fā)明，一種集成溫度、濕度和大氣壓力傳感器的芯片，是在一個基片(硅或玻璃片)上用利用微電子技術(shù)制造出三個電阻和一個平板電極。其中兩個電阻串連構(gòu)成電橋的兩個臂，用于測量絕對濕度，另一個電阻單獨引線，用于測量溫度。在基片上鍵合有一硅片，該硅片上對應(yīng)一個測量濕度電阻和一個測量溫度電阻的位置開有兩個窗口。該硅片與另一個測量濕度電阻和平板電極之間刻蝕有微腔，該微腔是密封的，內(nèi)部充有一個大氣壓力的干燥的空氣，密封測量濕度電阻的腔體作為傳感器芯片濕度的參照。對應(yīng)平板電極和微腔頂部沉積有厚度為納米到微米級的氮化硅薄膜作為傳感器芯片壓力的敏感膜。
平板電極是構(gòu)成測量壓力的電容的一個電極，密封于硅片的腔體內(nèi)，該腔體頂部敏感膜下面鍍有金或其它導(dǎo)電薄膜作為電容的另一個電極。
本發(fā)明溫度傳感器的測量原理鉑電阻的阻值隨溫度變化而發(fā)生變化，其變化關(guān)系是Rt＝Ro(1+αT+βT2+...)后面的高次項可以省去。α，β當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)的變化，其值是固定不變的，這樣我們通過測量Rt就可以得出溫度的值。
本發(fā)明濕度測量的原理在基片上集成鉑電阻對稱半電橋，將該電橋一臂密封在干燥的空氣中，另一臂裸露與外界直接接觸。由于電橋的對稱性，在相同外界條件下對稱兩部分兩端的電壓應(yīng)該相等，電橋處于平衡狀態(tài)。在測量時，首先施加一個定時間定量電流使電橋通過自身阻值產(chǎn)生熱量達(dá)到一定溫度，由于裸露部分橋臂與外界氣體直接接觸，當(dāng)外界氣體中含有水蒸氣，導(dǎo)致散熱增加，溫度降低，電阻的阻值就減小，電橋兩端電壓不再相等，電橋失去平衡。因此可以通過對電信號的測量找出其失衡量，并通過標(biāo)定計算出溫度濕度的一組相關(guān)曲線，同時可以根據(jù)溫度傳感器測得的溫度值在曲線中確定其對應(yīng)的濕度值。
當(dāng)在電橋的兩臂通一定電流時，使得電阻的溫度達(dá)到400℃，利用Sutherland-Wassiljewa關(guān)于低壓氣體混合物導(dǎo)熱率公式λmix=Σi=1nλi1+Σj=1,j≠inAij(Xi/Xj)]]>式中λmix是混合氣體的導(dǎo)熱率，λi是單一氣體的導(dǎo)熱率，Xi，Yj是組分i，j的分子分?jǐn)?shù)，Aij是組分i，j的結(jié)合參數(shù)。
通過計算得出在三四百攝氏度以上水蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)和干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)有明顯的差異。而在這樣的高溫下，水蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)隨絕對濕度的變化很敏感，水蒸氣的傳熱系數(shù)要比空氣的大，暴露在水蒸氣的電阻散熱要比密封的電阻散熱快，這樣到達(dá)穩(wěn)定時，倆個電阻的溫度不同，阻值不同，導(dǎo)致電橋失衡。
當(dāng)兩邊電阻散熱達(dá)到穩(wěn)定時，其穩(wěn)定電流的加熱功率等于散熱量，用數(shù)學(xué)表達(dá)式就是I2R＝S*ΔT*λ式中λ是電阻表面氣體的傳熱系數(shù)，S是電阻暴露在空氣中的面積，ΔT是電阻表面和與其接觸氣體的溫度差，I是流過電阻的電流值，R是電阻的阻值。
由于水蒸氣的λ值大于干燥空氣的值，所以ΔT值大，就是暴露在水蒸氣的電阻其溫度值低于密封電阻值的溫度，這樣在水蒸氣中的電阻值要低于密封的電阻值，電橋倆臂電阻的電壓就會發(fā)生變化，電橋就會失衡，可以通過測量這個變化量，得出水蒸氣的絕對濕度。
本發(fā)明大氣壓力測量的原理在基片上的電極與微腔中氮化硅薄膜上的金屬電極構(gòu)成了測量壓力的電容，微腔是在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下鍵合密封的，氮化硅薄膜為彈性膜。當(dāng)外部的氣壓變化時，導(dǎo)致氮化硅薄膜形變，從而電容發(fā)生變化。當(dāng)外部壓力小于一大氣壓時，兩電極間距增大，電容變小。反之，變大。因此可以通過對電容的測量確定大氣壓力。采用圓形電極，其電容可通過下式計算C=2πϵ∫0Rrdrd0+ω(r)]]>式中ε為空氣介電常數(shù)，R為薄膜半徑，d0為薄膜內(nèi)的壓力與薄膜外的壓力平衡時，上下電極之間的距離，ω(r)為距離薄膜中心r處的薄膜的撓度，對于氮化硅材料薄膜可以近似表示為 D為薄膜的抗撓剛度，是常數(shù)。
可以看出，外部壓強(qiáng)P外變小則ω(r)變大，即積分的分母變大，故電容C變小。反之，外部壓強(qiáng)P外變大則ω(r)變小，即積分的分母變小，故電容C變大。因此可以通過對電容的測量確定大氣壓力。


圖1為本發(fā)明集成傳感器芯片俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明集成傳感器芯片截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一個具體實施方案。
本實例是在一個5×5mm2的玻璃基片(1)上利用微電子技術(shù)射頻濺射鉑金薄膜，光刻出三個蛇形的電阻，依據(jù)需要該三個電阻還可以是螺旋形，電阻的大小約為100Ω，同時刻蝕出一個直徑為1.5mm的圓形的平板電極(5)作為大氣壓力測量下電極。在三個電阻中，其中(2、3)兩個電阻串連構(gòu)成電橋的兩個臂，用于測量絕對濕度；另一個電阻(4)單獨引線，用于測量溫度。在玻璃基片1上鍵合有硅片(6)，在硅片(6)上正面刻蝕二個窗口(7、8)，窗口的面積為1×2mm2，分別在電阻(3)和(4)上面，使電阻(3)通過其上方窗口感知濕度，電阻(4)通過其上方窗口感知溫度。該硅片電阻(2)和平板電極(5)之間刻蝕有兩個深度為2微米的微腔(10、13)，微腔(10)的尺度為1×2mm2，其位置與玻璃基片上的電阻(2)正對；微腔(13)的尺度為2×2mm2，其位置和玻璃基片上的平板電極(5)正對。微腔的頂部沉積有500納米厚度的氮化硅薄膜(9、11)，在實際使用時，氮化硅薄膜(9)沒有太大作用，本例中之所以將其標(biāo)出，是因為這兩個薄膜在一個工藝中同時沉積而成，若不沉積此氮化硅薄膜，反要增加一道工藝程序。氮化硅薄膜(11)為感知壓力的敏感膜，在其下面沉積1000納米厚的金薄膜(12)作為測量大氣壓力電容的上電極，面積為1.8×1.8mm2，正對著玻璃基片上的下電極，構(gòu)成測量壓力的電容。微腔(10、13)是密封的，內(nèi)部充有一個大氣壓力的干燥的空氣。
上述硅片鍵合在玻璃基片上即構(gòu)成集成的溫度、濕度和大氣壓力傳感器芯片。
本發(fā)明的集成溫度、濕度和大氣壓力傳感器芯片具有如下特點1、集成溫濕度芯片可以提供了一種快速、靈敏和穩(wěn)定的同時測量溫度、濕度和大氣壓力的方法。
2、利用MEMS技術(shù)制造的、在硅片和玻璃上的集成芯片具有體積小，功耗低，響應(yīng)快、一致性好等特點。
權(quán)利要求
1.一種集成溫濕度大氣壓力傳感器芯片，其特征在于一基片，其上射頻濺射鉑金薄膜，光刻出三個電阻和一個平板電極，其中兩個為測濕電阻并串連構(gòu)成電橋的兩個臂，另一個為測溫電阻，平板電極為測壓電容的下電極；基片上鍵合有一硅片，該硅片對應(yīng)電橋的一個臂和測溫電阻分別開有兩個窗口；硅片對應(yīng)平板電極和另一測濕電阻處刻蝕有兩個微腔，分別將該平板電極和該測濕電阻密封，微腔頂部沉積有一氮化硅薄膜；以及對應(yīng)平板電極的微腔內(nèi)，其氮化硅薄膜的面上鍍有導(dǎo)電薄膜，該導(dǎo)電薄膜為測壓電容的上電極，與平板電極構(gòu)成測壓電容；由上述結(jié)構(gòu)，一橋臂通過窗口與外界氣體接觸，通入一定量電流使電橋通過自身阻值達(dá)到一定溫度；當(dāng)外界氣體中含有水蒸氣，導(dǎo)致散熱增加，溫度降低，電阻的阻值減小，電橋失去平衡，通過對電信號的失衡量，標(biāo)定計算出溫度濕度的相關(guān)曲線，并根據(jù)測溫電阻測得的溫度值在曲線中確定其對應(yīng)的濕度值；由上述結(jié)構(gòu)，外部的氣壓變化時，導(dǎo)致氮化硅薄膜形變，電容發(fā)生變化，通過對電容的測量確定大氣壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述基片上的三個電阻形狀為蛇形或螺旋形；平板電極為方形、長方形或圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述氮化硅薄膜面上的導(dǎo)電薄膜為金薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述基片為硅片或玻璃片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于，所述密封平板電極和測濕電阻的微腔內(nèi)部充有一個大氣壓力的干燥空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的芯片，其特征在于，所述密封測濕電阻的微腔作為傳感器芯片濕度的參照。
全文摘要
一種集成溫濕度大氣壓力傳感器芯片，在基片制造出三個電阻和一個平板電極。其中兩個電阻串連構(gòu)成電橋的兩個臂，用于測量絕對濕度，另一個電阻單獨引線，用于測量溫度。在基片上鍵合有一硅片，該硅片上對應(yīng)一個測量濕度電阻和一個測量溫度電阻的位置開有兩個窗口。該硅片與另一個測量濕度電阻和平板電極之間刻蝕有微腔，該微腔是密封的，內(nèi)部充有一個大氣壓力的干燥的空氣。密封測量濕度電阻的腔體作為傳感器芯片濕度的參照，各微腔頂部沉積有厚度為納米到微米級的氮化硅薄膜作為傳感器芯片壓力的敏感膜。平板電極構(gòu)成測量壓力的電容的一個電極，密封于硅片的腔體內(nèi)，該腔體頂部敏感膜下面鍍有金或其它導(dǎo)電薄膜作為電容的另一個電極。
文檔編號G01D5/14GK1492215SQ0214806
公開日2004年4月28日 申請日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者趙湛, 張博軍, 武宇, 方震, 趙 湛 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所