專利名稱：快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝和MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))后處理技術(shù)的相對濕度傳感器，尤其是一種快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感
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背景技術(shù)：
濕度測量在氣象預(yù)報(bào)、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。濕度傳感器作為濕度測量系統(tǒng)中的重要組成部分，已經(jīng)發(fā)展了很多年。由最初的干濕球濕度計(jì)、毛發(fā)濕度計(jì)等傳統(tǒng)的濕度傳感器發(fā)展到目前可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的微型濕度傳感器。在商用領(lǐng)域中，電容式濕度傳感器應(yīng)用最為廣泛，這是因?yàn)殡娙菔綕穸葌鞲衅黛`敏度高、功耗小、制造成本低。利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝容易將濕度傳感器和檢測電路單片集成，這樣可以提高濕度檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。2001年，Y. Y. Qiu (人名)提出了利用CMOS工藝制作的電容式濕度傳感器，該濕度傳感器采用聚酰亞胺作為濕度敏感介質(zhì)，將檢測電路與濕度敏感電容單片集成，把濕度敏感電容的變化直接轉(zhuǎn)化為電壓變化輸出，便于后端檢測系統(tǒng)進(jìn)行信號采樣和處理，但是這種結(jié)構(gòu)的濕度傳感器響應(yīng)速度較慢。2006年，中國人彭韶華提出了一種CMOS工藝兼容的相對濕度傳感器，將濕度傳感器與CMOS測量電路單片集成，感濕介質(zhì)為聚酰亞胺，采用開關(guān)電容電路將敏感電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，再利用后端檢測系統(tǒng)對電壓信號進(jìn)行采樣和處理，這種結(jié)構(gòu)的相對濕度傳感器響應(yīng)速度也比較慢。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提出一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器，具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，線性度好，濕滯回差小，結(jié)構(gòu)簡單，長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出一種快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器，該相對濕度傳感器包括設(shè)有空腔的襯底、設(shè)置在襯底上的氧化層、設(shè)置在氧化層上的加熱條、設(shè)置在加熱條上的絕緣層、第一電容電極、第二電容電極和濕度敏感介質(zhì)，第一電容電極、第二電容電極分別設(shè)置在絕緣層上，濕度敏感介質(zhì)設(shè)置在第一電容電極和第二電容電極之間，濕度敏感介質(zhì)還設(shè)置在第一電容電極和第二電容電極上方，加熱條包括相對設(shè)置加熱第一公共端和加熱第二公共端，加熱條為條狀且等間距相鄰排列，第一電容電極包括若干平行的第一電極、將第一電極連接在一起的第一公共端、每個(gè)第一電極設(shè)有與第一公共端相對的第一自由端，第一電極連接第一公共端與第一自由端，第二電容電極包括若干平行的第二電極、將第二電極連接在一起的第二公共端、每個(gè)第二電極設(shè)有與第二公共端相對的第二自由端，第二電極連接第二公共端與第二自由端，第一自由端與第二公共端不接觸，第二自由端與第一公共端不接觸。優(yōu)選的，加熱條的加熱第一公共端和加熱第二公共端均固定在氧化層上。[0006]優(yōu)選的，相鄰的第一電極之間設(shè)有第二電極，相鄰的第二電極之間設(shè)有第一電極， 第一電容電極的第一公共端和第一自由端均設(shè)在絕緣層上，第二電容電極的第二公共端和第二自由端均設(shè)在絕緣層上。優(yōu)選的，濕度敏感介質(zhì)為聚酰亞胺。優(yōu)選的，第一電容電極、第二電容電極分別為鋁電極。優(yōu)選的，加熱條為多晶硅加熱條。優(yōu)選的，絕緣層為二氧化硅絕緣層。有益效果本實(shí)用新型工藝步驟簡單，利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝與MEMS加工技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行制造，成本低，精度高，長期穩(wěn)定性好。本實(shí)用新型提出的濕度傳感器采用聚酰亞胺作為濕度敏感介質(zhì)，靈敏度高，將襯底及其上方的氧化層腐蝕形成空腔，這樣電容電極之間的濕度敏感介質(zhì)的上方和下方均為空氣，使得傳感器的響應(yīng)速度加快。采用多晶硅電阻條進(jìn)行加熱可以減小濕滯回差。

圖1是本實(shí)用新型提供的快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器的截面圖，圖中有襯底1，氧化層2，加熱條3，絕緣層4，第一電容電極5，第二電容電極6，濕度敏感介質(zhì)7，空腔 8 ；圖2是本實(shí)用新型提供的快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器的俯視圖，圖中有氧化層2， 第一加熱條引線31，第二加熱條引線32，絕緣層4，第一電極53，第二電極63，第一電容電極的第一公共端51，第二電容電極的第二公共端61，第一電容電極的第一自由端52，第二電容電極的第二自由端62，第一電極引線54，第二電極引線64，濕度敏感介質(zhì)7，空腔8;圖3 是本實(shí)用新型提供的快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器的絕緣層結(jié)構(gòu)俯視圖，圖中有氧化層2，絕緣層4，空腔8 ；圖4是本實(shí)用新型提供的快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器的加熱條結(jié)構(gòu)俯視圖，圖中有氧化層2，加熱條3，第一加熱條引線31，第二加熱條引線32，加熱條的加熱第一公共端33，加熱條的加熱第二公共端34，空腔8。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型是一種快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器，由襯底，氧化層，加熱條，絕緣層，電容電極，濕度敏感介質(zhì)組成，氧化層設(shè)在襯底上，加熱條設(shè)在氧化層上，電容電極設(shè)在加熱條上方，電容電極與加熱條之間設(shè)有絕緣層，電容電極由電極引線引出，加熱條由加熱條引線引出，濕度敏感介質(zhì)設(shè)在電容電極之間和電容電極上方，腐蝕襯底及其上方的氧化層，形成空腔，使得電容電極之間的濕度敏感介質(zhì)的下表面也與空氣接觸，加熱條為梳狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，梳狀加熱條的兩個(gè)公共端均固定在氧化層上，電容電極為梳齒狀電極且交錯(cuò)排列，每組梳齒狀電極的公共端和梳齒狀電極的自由端均設(shè)在絕緣層上，以保證電容電極的機(jī)械強(qiáng)度。參見圖1 一 4，本實(shí)用新型是一種快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器，由襯底1，氧化層2，加熱條3，絕緣層4，第一電容電極5，第二電容電極6，濕度敏感介質(zhì)7組成，氧化層 2設(shè)在襯底1上，加熱條3設(shè)在氧化層2上，第一電容電極5和第二電容電極6設(shè)在加熱條 3上方，第一電容電極5、第二電容電極6與加熱條3之間設(shè)有絕緣層4，第一電容電極5和第二電容電極6由第一電極引線M和第二電極引線64分別引出，加熱條3由第一加熱條引線31和第二加熱條引線32引出，濕度敏感介質(zhì)7設(shè)在第一電容電極5和第二電容電極 6之間以及第一電容電極5和第二電容電極6上方，腐蝕襯底1及其上方的氧化層2，形成空腔8，使得第一電容電極5和第二電容電極6之間的濕度敏感介質(zhì)7的下表面也與空氣接觸，加熱條3為梳狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，梳狀加熱條的加熱第一公共端33和加熱第二公共端34均固定在氧化層2上，第一電容電極5和第二電容電極6為梳齒狀電極且交錯(cuò)排列，每組梳齒狀電極的第一公共端51和第二公共端61以及梳齒狀電極的第一自由端52和第二自由端62 均設(shè)在絕緣層4上，以保證第一電容電極5和第二電容電極6的機(jī)械強(qiáng)度。參見圖1 一 4，本實(shí)用新型提供的一種快速響應(yīng)的MEMS相對濕度傳感器，該相對濕度傳感器包括設(shè)有空腔8的襯底1、設(shè)置在襯底1上的氧化層2、設(shè)置在氧化層2上的加熱條3、設(shè)置在加熱條3上的絕緣層4、第一電容電極5、第二電容電極6和濕度敏感介質(zhì)7，第一電容電極5、第二電容電極6分別設(shè)置在絕緣層4上，濕度敏感介質(zhì)7設(shè)置在第一電容電極5和第二電容電極6之間，濕度敏感介質(zhì)7還設(shè)置在第一電容電極5和第二電容電極6上方，加熱條3包括相對設(shè)置加熱第一公共端33和加熱第二公共端34，加熱條3 為條狀且等間距相鄰排列，第一電容電極5包括若干平行的第一電極53、將第一電極53連接在一起的第一公共端51、每個(gè)第一電極53設(shè)有與第一公共端51相對的第一自由端52， 第一電極53連接第一公共端51與第一自由端52，第二電容電極6包括若干平行的第二電極63、將第二電極63連接在一起的第二公共端61、每個(gè)第二電極63設(shè)有與第二公共端61 相對的第二自由端62，第二電極63連接第二公共端61與第二自由端62，第一自由端52與第二公共端61不接觸，第二自由端62與第一公共端51不接觸。加熱條3的加熱第一公共端33和加熱第二公共端34均固定在氧化層2上。相鄰的第一電極53之間設(shè)有第二電極63，相鄰的第二電極63之間設(shè)有第一電極 53，第一電容電極5的第一公共端51和第一自由端52均設(shè)在絕緣層4上，第二電容電極6 的第二公共端61和第二自由端62均設(shè)在絕緣層4上。濕度敏感介質(zhì)7為聚酰亞胺。第一電容電極5、第二電容電極6分別為鋁電極。加熱條3為多晶硅加熱條。絕緣層4為二氧化硅絕緣層。本實(shí)施例中襯底1為體硅，氧化層2為二氧化硅，加熱條3為多晶硅，絕緣層4為二氧化硅，第一電容電極5和第二電容電極6為鋁電極，濕度敏感介質(zhì)7為聚酰亞胺，本實(shí)用新型可以用以下工藝來制作在硅襯底1上生長一層氧化層2，接著在硅襯底1背面淀積一層氮化硅，作為硅襯底腐蝕的阻擋層，在氧化層2上淀積一層多晶硅并光刻形成多晶硅加熱條3以及第一加熱條引線31和第二加熱條引線32，在多晶硅上淀積一層二氧化硅并光刻形成二氧化硅絕緣層4，濺射鋁并刻蝕形成第一電容電極5和第二電容電極6以及第一電極引線M和第二電極引線64，利用旋涂法旋涂一層聚酰亞胺，光刻聚酰亞胺，亞胺化，刻蝕硅片背面的氮化硅阻擋層形成硅襯底1的腐蝕窗口，然后利用體硅各向異性腐蝕從硅襯底1背面向氧化層2方向腐蝕，選用的腐蝕溶液對氧化層2的腐蝕速率遠(yuǎn)小于該腐蝕溶液對硅襯底1的腐蝕速率，當(dāng)硅襯底1被腐蝕到氧化層2時(shí)認(rèn)為硅襯底1的腐蝕已經(jīng)結(jié)束，這時(shí)在硅襯底1中得到一個(gè)腔體，將該腔體上方的氧化層2腐蝕掉便得到空腔8，此時(shí)第一電容電極5和第二電容電極6之間的濕度敏感介質(zhì)7的下表面也與空氣接觸，最后再將硅襯底1背面的氮化硅阻擋層腐蝕掉。 第一電容電極5和第二電容電極6構(gòu)成的電容以聚酰亞胺作為濕度敏感介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，聚酰亞胺感濕層的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而使得濕度敏感電容值發(fā)生變化，再利用電容檢測電路對濕度敏感電容的變化進(jìn)行檢測便可以得到環(huán)境濕度的信息。采用多晶硅電阻條進(jìn)行加熱可以減小濕滯回差。
權(quán)利要求1.一種快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于該相對濕度傳感器包括設(shè)有空腔(8)的襯底(1)、設(shè)置在襯底(1)上的氧化層(2)、設(shè)置在氧化層(2)上的加熱條(3)、設(shè)置在加熱條(3)上的絕緣層(4)、第一電容電極(5)、第二電容電極(6)和濕度敏感介質(zhì)(7)，第一電容電極(5)、第二電容電極(6)分別設(shè)置在絕緣層(4)上，濕度敏感介質(zhì) (7 )設(shè)置在第一電容電極(5 )和第二電容電極(6 )之間，濕度敏感介質(zhì)(7 )還設(shè)置在第一電容電極(5)和第二電容電極(6)上方，加熱條(3)包括相對設(shè)置加熱第一公共端(33)和加熱第二公共端(34)，加熱條(3)為條狀且等間距相鄰排列，第一電容電極(5)包括若干平行的第一電極(53)、將第一電極(53)連接在一起的第一公共端(51)、每個(gè)第一電極(53)設(shè)有與第一公共端(51)相對的第一自由端(52)，第一電極(53)連接第一公共端(51)與第一自由端(52)，第二電容電極(6)包括若干平行的第二電極(63)、將第二電極(63)連接在一起的第二公共端(61)、每個(gè)第二電極(63)設(shè)有與第二公共端(61)相對的第二自由端(62)，第二電極(63)連接第二公共端(61)與第二自由端(62)，第一自由端(52)與第二公共端(61) 不接觸，第二自由端(62)與第一公共端(51)不接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于 加熱條(3 )的加熱第一公共端(33 )和加熱第二公共端(34 )均固定在氧化層(2 )上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于 相鄰的第一電極(53)之間設(shè)有第二電極(63)，相鄰的第二電極(63)之間設(shè)有第一電極 (53)，第一電容電極(5)的第一公共端(51)和第一自由端(52)均設(shè)在絕緣層(4)上，第二電容電極(6)的第二公共端(61)和第二自由端(62)均設(shè)在絕緣層(4)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于濕度敏感介質(zhì)(7)為聚酰亞胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于第一電容電極(5)、第二電容電極(6)分別為鋁電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于加熱條(3)為多晶硅加熱條。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器，其特征在于絕緣層(4)為二氧化硅絕緣層。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種快速響應(yīng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)相對濕度傳感器該相對濕度傳感器包括設(shè)有空腔(8)的襯底(1)、設(shè)置在襯底(1)上的氧化層(2)、設(shè)置在氧化層(2)上的加熱條(3)、設(shè)置在加熱條(3)上的絕緣層(4)、第一電容電極(5)、第二電容電極(6)和濕度敏感介質(zhì)(7)，第一電容電極(5)、第二電容電極(6)分別設(shè)置在絕緣層(4)上，濕度敏感介質(zhì)(7)設(shè)置在第一電容電極(5)和第二電容電極(6)之間，濕度敏感介質(zhì)(7)還設(shè)置在第一電容電極(5)和第二電容電極(6)上方。本實(shí)用新型具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，濕滯回差小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N27/22GK202049132SQ20112011628
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者秦明, 趙成龍, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)