微型溼度傳感器的製作方法

2023-09-16 15:00:10

專利名稱：微型溼度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械傳感器，尤其涉及一種微型溼度傳感器。
背景技術：
目前環境檢測中實際應用的大都是傳統的溼度傳感器，如幹球溼度計、露點溼度計等。這些溼度傳感器存在以下幾種缺點(1)相同產品的一致性差；(2)價格昂貴；(3)體積大；(4)線性度、滯回特性差，測量中有時需要查表。與CMOS(CMOS為本領域熟知的技術名詞)技術相兼容的電容相對溼度傳感器是一種的微溼度傳感器，具有體積小、價格低、產品一致性好的優點。1990年，H.Baltes(人名)最早提出了利用CMOS工藝製造溼度傳感器。該溼度傳感器利用空氣作為感溼介質，由於表面吸附的影響，線性度和滯回特性都非常差，精度很低。並且由於鋁電極暴露在空氣中容易受到水氣的腐蝕，可靠性也比較差。1991年，Boltshauser(人名)採用CMOS技術加上後序工藝，利用聚醯亞胺為感溼介質製作了相對電容溼度傳感器，這種溼度傳感器的電極和聚醯亞胺直接接觸聚醯亞胺吸附水汽之後會腐蝕鋁電極，可靠性低，長期使用使得表面附的雜質很難去除。2000年，Uksong Kang(人名)給出了一種高速的溼度傳感器，該結構中用作加熱的多晶矽上有兩層作為絕緣的二氧化矽以及一層敏感電極隔熱，加熱效果差；該結構比較複雜，無法通過標準的CMOS工藝完成。且電極暴露在空氣中，為防止空氣中水汽的腐蝕，電極的選擇就有限制，長期可靠性差。以上的一些溼度傳感器不能滿足長期可靠性和脫附時間短的要求，易受外界環境影響。
三、技術內容技術問題本發明提供一種能夠提高其可靠性的高精度微型溼度傳感器。
技術方案本發明是一種用於溼度信號傳感的微型溼度傳感器，由襯底106，氧化層104、電容電極101和102組成，氧化層104設在襯底106上，電容電極101和102設在氧化層104上方，在電容電極101和102上設有電極引線1011和1021，該電容電極101和102為其材質適於標準CMOS加工工藝的電極，在電容電極101和102上方及其間設有感溼介質層107，在電容電極101和102與氧化層104之間設有二氧化矽條105，在感溼介質層107與氧化層104之間設有加熱條103，在加熱條103上設有加熱條引線1031和1032。
技術效果本發明工藝步驟簡單，可利用標準的CMOS工藝製造，精度高，長期可靠性好。採用鋁電極梳狀並聯結構可以增加敏感電容值，將襯底可靠接地消除了外界的幹擾，提高溼度傳感器的精度。澱積鈍化層能夠有效防止環境中的水汽尤其是聚醯亞胺吸水後，聚醯亞胺中的水汽腐蝕鋁電極，提高了可靠性。利用梳狀並聯多晶矽作為加熱電路，加熱均勻，有效去除溼度傳感器表面可揮發性雜質，使溼度傳感器的脫附時間更短，同樣提高了可靠性。在電容電極之間設置聚醯亞胺，且氧化條的上表面高於多晶條的上表面，減少鋁電極與二氧化矽層間的邊緣效用，提高線性度，減少寄生電容，從而提高精度。利用聚醯亞胺作為感溼介質，它具有靈敏度高，線性度、滯回特性好，長期可靠等優點，而本發明的結構設置，則使其與標準CMOS加工工藝相兼容。
四

圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明的俯視圖。
圖3是本發明梳形電極結構示意圖。
圖4是本發明梳形式並聯多晶矽層結構示意圖。在感溼介質層107的下表面1071與氧化層104之間設有加熱條103，五、具體實施方案本發明是一種用於溼度信號傳感的微型溼度傳感器，由襯底106，氧化層104、電容電極101和102組成，氧化層104設在襯底106上，電容電極101和102設在氧化層104上方，在電容電極101和102上設有電極引線1011和1021，該電容電極101和102為其材質適於標準CMOS加工工藝的電極，在電容電極101和102上方及其間設有感溼介質層107，感溼介質層107為聚醯亞胺層，在電容電極101和102與氧化層104之間設有二氧化矽條105，且二氧化矽條105的上表面高於感溼介質層107的下表面1071，在感溼介質層107與氧化層104之間設有加熱條103，具體來說，既可以將加熱條103設在感溼介質層107的下表面1071與氧化層104之間，也可以將加熱條103設在二氧化矽條105與氧化層104之間，在加熱條103上設有加熱條引線1031和1032，在電容電極101和102與感溼介質層107之間設有鈍化層108，在感溼介質層107與加熱條103之間設有鈍化層1081，本實施例的鈍化層108為氮化矽層，該鈍化層108也可由二氧化矽層和氮化矽層組成，氮化矽層設在二氧化矽層的上方，電容電極101和102為鋁電極，電容電極101和102還可以是金電極或多晶矽電極，電容電極101和102為梳形電極且交錯設置，加熱條103為梳形並聯多晶矽層，襯底106接地。本發明的感溼介質由外界環境的相對溼度變化，吸附/脫附空氣中的水氣分子，使得感溼介質的介電常數發生變化，引起溼度傳感器的電容值改變，相對溼度與敏感電容之間存在確定關係。環境相對溼度升高時溼度傳感器電容值增加，環境相對溼度降低時溼度傳感器電容值相應減少，溼度傳感器輸出端連接外圍電路，敏感電容值經過接口電路將其轉化為可測電信號(如電壓、電流)，本發明可採用以下工藝來製作在矽襯底上生長薄氧化層104，澱積多晶矽103，並光刻成梳狀並聯的S型，CVD法澱積二氧化矽105，光刻露出多晶矽103，澱積1微米鋁，並光刻成梳狀電極101，102(刻除多晶矽上的鋁)。接著澱積108作為鈍化層，光刻鈍化層，利用旋轉塗敷法塗1.5微米厚度左右的聚醯亞胺(107)，光刻、亞胺化後聚醯亞胺(107)的厚度約為1微米。溼度傳感器的兩極板(以鋁電極為例)，鋁電極板分別由21根寬3微米、長400微米的條形鋁電極組成的梳狀結構，相鄰的極板間距為4微米。加熱多晶矽結構如圖2，多晶矽203採用梳狀並聯S型結構，利於均勻加熱，每根多晶矽條(103)長度為450微米、寬3微米，厚度為3500埃，14根多晶矽條分別並聯在一起，然後串聯，總電阻為1.5KΩ左右，作為鈍化層108的氮化矽厚度為3000埃，用以防止鋁電極101，102被聚醯亞胺107吸附的水氣腐蝕，聚醯亞胺107的厚度約為1微米。鋁電極109接地，用來消除外界對敏感電容的影響，多晶矽條為加熱電路，鋁電極101、102輸出電容信號。環境相對溼度測量範圍為0％RH～100％RH，溫度範圍為-40℃～60℃。
權利要求
1.一種用於溼度信號傳感的微型溼度傳感器，由襯底(106)，氧化層(104)、電容電極(101和102)組成，氧化層(104)設在襯底(106)上，電容電極(101和102)設在氧化層(104)上方，在電容電極(101和102)上設有電極引線(1011和1021)，該電容電極(101和102)為其材質適於標準CMOS加工工藝的電極，其特徵在於在電容電極(101和102)上方及其間設有感溼介質層(107)，在電容電極(101和102)與氧化層(104)之間設有二氧化矽條(105)，在感溼介質層(107)與氧化層(104)之間設有加熱條(103)，在加熱條(103)上設有加熱條引線(1031和1032)。
2.根據權利要求1所述的微型溼度傳感器，其特徵在於感溼介質層(107)為聚醯亞胺層。
3.根據權利要求2所述的微型溼度傳感器，其特徵在於電容電極(101和102)為梳形電極且交錯設置，加熱條(103)為梳形並聯多晶矽層。
4.根據權利要求3所述的微型溼度傳感器，其特徵在於在電容電極(101和102)與感溼介質層(107)之間設有鈍化層(108)。
5.根據權利要求4所述的微型溼度傳感器，其特徵在於在感溼介質層107與加熱條(103)之間設有鈍化層(1081)。
6.根據權利要求4或5所述的微型溼度傳感器，其特徵在於鈍化層為氮化矽層。
7.根據權利要求4或5所述的微型溼度傳感器，其特徵在於鈍化層(108)由二氧化矽層和氮化矽層組成，氮化矽層設在二氧化矽層的上方。
8.根據權利要求1所述的微型溼度傳感器，其特徵在於電容電極(101和102)為鋁電極。
9.根據權利要求1所述的微型溼度傳感器，其特徵在於襯底(106)接地。
10.根據權利要求1所述的微型溼度傳感器，其特徵在於二氧化矽條(105)的上表面高於感溼介質層(107)的下表面(1071)。
全文摘要
本發明是一種用於溼度信號傳感的微型溼度傳感器，由襯底，氧化層、電容電極組成，氧化層設在襯底上，電容電極設在氧化層上方，在電容電極上設有電極引線，該電容電極為其材質適於標準CMOS加工工藝的電極，在電容電極上方及其間設有感溼介質層，在電容電極和與氧化層之間設有二氧化矽條，在感溼介質層與氧化層之間設有加熱條，在加熱條上設有加熱條引線和。本發明採用鋁電極梳狀並聯結構可以增加敏感電容值，消除了外界的幹擾，提高溼度傳感器的精度。利用聚醯亞胺作為感溼介質，靈敏度高，線性度、滯回特性好，長期可靠等優點。
文檔編號G01N27/22GK1455251SQ03131859
公開日2003年11月12日 申請日期2003年6月12日 優先權日2003年6月12日
發明者顧磊, 黃慶安, 秦明, 張中平 申請人:東南大學