多量程cmos mems電容式濕度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多量程CMOSMEMS電容式濕度傳感器，其特征是：包括多個(gè)連接在一起的傳感器單元，所述傳感器單元包括一對叉指狀的上電極和下電極，下電極穿過SiO2氧化層設(shè)置在硅基底的同一表面上，上電極位于下電極的上方，上電極的叉指與下電極的叉指在高度方向上重合，在上電極和下電極之間、上電極的叉指之間、下電極的叉指之間填充濕度敏感介質(zhì)；在所述上電極的上方設(shè)置鋁條，鋁條位于上電極、下電極的叉指之間，在鋁條和上電極之間填充濕度敏感介質(zhì)；在所述上電極和下電極正下方的硅基底上形成空腔，使下電極以及下電極叉指間的濕度敏感介質(zhì)直接與空氣接觸；所述傳感器單元由鋁條串聯(lián)在一起。本發(fā)明提高了電容式壓力傳感器的靈敏度和測量范圍。
【專利說明】多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器，尤其是一種多量程并與CMOS工藝兼容的電容式濕度傳感器，屬于MEMS器件設(shè)計(jì)制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]濕度測量是MEMS技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用方面，濕度的檢測和控制技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。比如軍事，氣象，農(nóng)業(yè)，工業(yè)(特別是紡織，電子，食品)，醫(yī)療，建筑以及家用電器等方面需要對濕度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測，有些場合甚至需要對濕度進(jìn)行控制和報(bào)警，比如空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，溫室控制系統(tǒng)，倉庫監(jiān)測系統(tǒng)。對濕度監(jiān)測，控制的需要促進(jìn)了對濕度傳感器的研究進(jìn)展。
[0003]電容式的單片集成濕度傳感器采用鋁叉指結(jié)構(gòu)，叉指結(jié)構(gòu)濕度傳感器電容式濕度傳感器是硅微濕度傳感器的一種多量程主要類型，其基本原理是將濕度變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。在叉指狀電容器以及電阻條上面覆蓋一層感濕介質(zhì)層一聚酰亞胺，當(dāng)外界環(huán)境中的相對濕度發(fā)生變化，感濕材料吸附/脫附空氣中的水汽分子，使得聚酰亞胺的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起叉指電容值的改變。濕敏電容值減小。通過電容檢測電路就可以將電容值轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)進(jìn)行輸出。
[0004]傳統(tǒng)濕度傳感器制備均采用MEMS體硅加工工藝，工藝復(fù)雜，加工成本昂貴，并且很難實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)電容式壓力傳感器芯片主要缺點(diǎn):(I)無法使其與CMOS工藝兼容，傳感器芯片的CMOS工藝集成化是傳感器研究和發(fā)展的趨勢；(2)單一的量程，只能針對某一特定的量程范圍進(jìn)行測試，使其不能得到最大限度的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器，該傳感器靈敏度高，量程范圍大，并且提高了可制造性，制造成本低。
[0006]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器，其特征是:包括多個(gè)連接在一起的傳感器單元，所述傳感器單元包括一對叉指狀的上電極和下電極，下電極穿過SiO2氧化層設(shè)置在硅基底的同一表面上，上電極位于下電極的上方，上電極的叉指與下電極的叉指在高度方向上重合，在上電極和下電極之間、上電極的叉指之間、下電極的叉指之間填充濕度敏感介質(zhì)；在所述上電極的上方設(shè)置鋁條，鋁條位于上電極、下電極的叉指之間，在鋁條和上電極之間填充濕度敏感介質(zhì)；在所述上電極和下電極正下方的硅基底上形成空腔，使下電極以及下電極叉指間的濕度敏感介質(zhì)直接與空氣接觸；所述傳感器單元由鋁條串聯(lián)在一起。
[0007]所述每個(gè)傳感器單元分別由壓焊塊連接在硅基底上表面。
[0008]每個(gè)傳感器單元的叉指面積不同。
[0009]所述上電極和下電極采用金屬鋁。
[0010]所述濕度敏感介質(zhì)為聚酰亞胺。[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所述多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器響應(yīng)迅速，靈敏度高，輸出范圍寬，耐高溫，濕滯誤差小，溫度特性和長期穩(wěn)定性好；本發(fā)吸與CMOS工藝完全兼容，并利用電路工藝加工在先，后處理工藝在后的方式，保證了 CMOS工藝的完整性和工藝次序的不被改變和打斷，易于實(shí)現(xiàn)批量化制造以及傳感器的微型化和智能化；本發(fā)明提高了電容式壓力傳感器的靈敏度和測量范圍，采用了不同膜面積的六個(gè)壓力傳感器進(jìn)行分段壓力測量的方式，從而通過一個(gè)傳感器陣列來提高測量范圍，彌補(bǔ)了單個(gè)傳感器測量范圍的不足。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述濕度傳感器的俯視圖。
[0013]圖2為本發(fā)明所述傳感器單元的剖視圖。
[0014]圖3為圖2的剖視圖。
[0015]圖中的序號(hào)為:下電極1、上電極2、鋁條3、濕度敏感介質(zhì)7、硅基底8、空腔9、SiO2氧化層10、壓焊塊11、傳感器單元12。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]如圖1所示:所述多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器包括六個(gè)連接在一起的傳感器單元12 ;如圖2、圖3所示，所述傳感器單元12包括一對叉指狀的上電極2和下電極1，下電極I穿過SiO2氧化層10設(shè)置在硅基底8的同一表面上，上電極2位于下電極I的上方，上電極2的叉指與下電極I的叉指在高度方向上重合，在上電極2和下電極I之間、上電極2的叉指之間、下電極I的叉指之間填充濕度敏感介質(zhì)7 ;在所述上電極2的上方設(shè)置鋁條3，鋁條3位于上電極2、下電極I的叉指之間，在鋁條3和上電極2之間填充濕度敏感介質(zhì)7 ;在所述上電極2和下電極I正下方的硅基底8上形成空腔9，下電極I以及下電極I叉指間的濕度敏感介質(zhì)7可以直接與空氣接觸；所述傳感器單元12由鋁條3串聯(lián)在一起，鋁條3可以對上電極2、下電極I叉指間的濕度敏感介質(zhì)7起到加速脫濕的功效；
所述上電極2和下電極I采用金屬鋁；所述濕度敏感介質(zhì)7為聚酰亞胺；
所述每個(gè)傳感器單元12分別由壓焊塊11連接在硅基底8上表面，每個(gè)傳感器單元12的叉指面積、數(shù)量不同，可以分別用于不同范圍的濕度測量。
[0018]制備上述多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器的方法，采用以下工藝步驟:
(1)在硅基底8上生長一層SiO2形成SiO2氧化層10，在SiO2氧化層10上濺射金屬鋁，并刻蝕形成下電極I ;
(2)采用旋涂法旋涂一層聚酰亞胺，再濺射金屬鋁，并刻蝕形成上電極2，上電極2的叉指與下電極I的叉指在高度方向上重合；
(3)再采用刻涂法旋涂一層聚酰亞胺，然后濺射金屬鋁，并刻蝕形成鋁條3，鋁條3位于上電極2、下電極I的叉指之間；
(4)在硅基底8的背面淀積一層氮化硅阻擋層，并在硅底底8上刻蝕出腐蝕窗口，然后利用硅的各向異性腐蝕從硅基底8的背面向SiO2氧化層10方向腐蝕，選用的腐蝕溶液對SiO2氧化層10的腐蝕速率遠(yuǎn)小于該腐蝕溶液對硅基底8的腐蝕速率，當(dāng)硅基底8腐蝕到SiO2氧化層10下表面時(shí)，第一步腐蝕結(jié)束；第二步腐蝕將SiO2氧化層10腐蝕至下電極I的下表面；兩步腐蝕完成后在下電極I下部的硅基底8上形成空腔9，并且下電極I以及下電極I叉指間的濕度敏感介質(zhì)能夠與空氣接觸；
(5)最后再將硅底8背面的氮化硅阻擋層去除。
[0019]本發(fā)明采用了不同叉指面積的六個(gè)濕度傳感器進(jìn)行分段濕度測量的方式，從而通過一個(gè)傳感器陣列來提高測量范圍，彌補(bǔ)了單個(gè)傳感器測量范圍的不足。在工作時(shí)，環(huán)境中的濕氣被上電極和下電極之間的濕度敏感介質(zhì)吸附/脫附從而使得上電極和下電極間介質(zhì)介電常數(shù)發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電容值變化，電容值隨著濕度變化單調(diào)變化，電容值與濕度值相互對應(yīng)，形成由濕度到電容的傳感轉(zhuǎn)換功能。在某一濕度情況下，部分傳感器單元已經(jīng)飽和，而部分傳感器單元在此壓力情況下變形很小，此時(shí)就可以選擇需要挑需合適的傳感器單元作為測量單元，以實(shí)現(xiàn)一定的靈敏度，采用這種方法設(shè)計(jì)的傳感器可以在測量范圍和靈敏度之間選擇，實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化。
[0020]本發(fā)明在傳統(tǒng)電容式壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選定了基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的電容式濕度傳感器并實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元電容傳感器的集合，形成了大量程電容式壓力傳感器陣列，它具有多方面的優(yōu)勢。一方面CMOS技術(shù)是目前IC制造的主流技術(shù)，其加工技術(shù)先進(jìn)而且成熟、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，一旦所研制的器件成功，即可批量生產(chǎn)；而且CMOS MEMS容易將MEMS器件與電路單片集成；另一方面本發(fā)明采用了多個(gè)不同尺寸的電容壓力傳感器單元實(shí)現(xiàn)多量程，并利用電路工藝加工在先，后處理工藝在后的方式，保證了 CMOS工藝的完整性和工藝次序的不被改變和打斷；具有較大的測量范圍、較高的靈敏度、較低的溫度偏移系數(shù)、更加堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)以及更低的功耗等。
【權(quán)利要求】
1.一種多量程CMOS MEMS電容式濕度傳感器，其特征是:包括多個(gè)連接在一起的傳感器單元(12)，所述傳感器單元(12)包括一對叉指狀的上電極(2)和下電極(1)，下電極(I)穿過SiO2氧化層(10)設(shè)置在硅基底(8)的同一表面上，上電極(2)位于下電極(I)的上方，上電極(2 )的叉指與下電極(I)的叉指在高度方向上重合，在上電極(2 )和下電極(I)之間、上電極(2 )的叉指之間、下電極(I)的叉指之間填充濕度敏感介質(zhì)(7 );在所述上電極(2 )的上方設(shè)置鋁條(3)，鋁條(3)位于上電極(2)、下電極(I)的叉指之間，在鋁條(3)和上電極(2 )之間填充濕度敏感介質(zhì)(7 );在所述上電極(2 )和下電極(I)正下方的硅基底(8 )上形成空腔(9)，使下電極(I)以及下電極(I)叉指間的濕度敏感介質(zhì)(7)直接與空氣接觸；所述傳感器單元(12)由鋁條(3)串聯(lián)在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式濕度傳感器，其特征是:所述每個(gè)傳感器單元(12 )分別由壓焊塊(11)連接在硅基底(8 )上表面。
3.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式濕度傳感器，其特征是:每個(gè)傳感器單元(12)的叉指面積不同。
4.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式濕度傳感器，其特征是:所述上電極(2)和下電極(I)采用金屬鋁。
5.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式濕度傳感器，其特征是:所述濕度敏感介質(zhì)(7)為聚酰亞胺。
【文檔編號(hào)】G01N27/22GK103645219SQ201310627328
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月30日
【發(fā)明者】薛惠瓊, 王瑋冰, 田龍坤 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心