一種恆溫測量式微型溼度傳感器和製作方法

2023-04-23 21:23:41 1

專利名稱：：一種恆溫測量式微型溼度傳感器和製作方法
技術領域：
：本發明涉及傳感器技術、微電子機械系統(MEMS)技術，特別涉及一種恆溫測量式微型溼度傳感器的結構和製作方法。
背景技術：
：本發明提出的微型溼度傳感器主要應用在日常生活和氣象預測中，因此測量的溼度參數為相對溼度。相對溼度常用於加熱、通風以及空調應用中，是舒適度和室內空氣品質的重要指標，其定義是-相對溼度RH%其中PW是部分蒸汽壓，ps是飽和蒸汽壓。相對溼度的測量不僅與日常生活密切相關，在工業生產、氣象預報、氣候分析、環境監測、航空航天等領域的應用也十分廣泛。目前，國內外的溼度傳感器感溼特性主要取決於敏感材料的性質，按敏感元件吸溼而導致電導率和電容量發生變化可分為兩大類，即電阻式和電容式溼度傳感器。此外，溼度傳感器按檢測原理分類還有聲表面波(SAW)、壓阻、場效應管以及光學式溼度。按傳感器常用的敏感材料分類可分為陶瓷、高分子聚合物、多孔矽三大類溼度傳感器。下面將分別對這三類溼度傳感器的原理進行簡要介紹。陶瓷溼度傳感器利用吸附或凝聚在粒子表面上的水分子作為導電通路，吸溼量變化時，質子傳導性也相應發生改變。陶瓷材料尤其是金屬氧化物通常具有良好的機械耐久度，但需要階段性加熱清潔再生以恢復溼度敏感特性。傳感器在低溼範圍內靈敏度較高，隨著溼度增長電阻指數級別下降。相對溼度增加時的響應速度約為20s，但脫溼時間較長，約為100s。高分子聚合物能隨周圍環境相對溼度(RH)的大小成比例地吸附和釋放水分子。與陶瓷材料溼度傳感器相比，基於聚合物的溼度傳感器歷史更長，最早可以追溯到上個世紀60年代。其中，聚醯亞胺與半導體加工工藝兼容，且具有良好的抵抗化學汙染的耐久性，因此是常用的高分子電介質材料。聚醯亞胺溼度傳感器工藝簡單可行，精度較高，滿足集成傳感器的製作要求。除了直接測量電容外，還可以利用SAW聲表面波和壓阻效應檢測溼度變化。多孔矽具有多孔結構，有著很大的比表面積，這和多孔陶瓷、多孔金屬氧化物等敏感材料的結構有相似之處，對多種氣體及溼度敏感。實驗結果發現這種傳感器的電容值在相對溼度從0變化到100%RH的環境中變化了440%，說明多孔矽可以作為性能良好的感溼材料。基於上述三種敏感材料的溼度傳感器的性能可見下表:tableseeoriginaldocumentpage7當前國內外市場上越來越需要能夠滿足環境監測網絡化要求，具有體積微小，成本低的微型溼度傳感器。隨著電子技術、微電子技術、MEMS技術的發展，目前國際上出現了基於各種感溼機理和感溼材料的微型溼度傳感器。諸如，納米材料式微型溼度傳感器、微懸臂式微型溼度傳感器、聚合物式微型溼度傳感器、多孔矽式微型溼度傳感器、聲表面波(SAW)微型溼度傳感器、壓阻微型溼度傳感器、場效應管微型溼度傳感器。這些微型溼度傳感器雖然具有低成本、低功耗、與傳統IC工藝集成、精度高、線性較好、響應迅速等優點，但是大多存在性能易受環境溫度影響、溫度係數較大、低溫性能差、無法實現零下溫度下的溼度測量等缺點。這些缺點制約了微型溼度傳感器在工業生產、氣象預報、氣候分析、環境監測、航空航天等領域上的實際應用。因此，在科研和市場上都迫切需要研製一種不易受環境溫度影響、低溫性能好的微型溼度傳感器。
發明內容目前的微型溼度傳感器雖然具有低成本、低功耗、與傳統ic工藝集成、精度高、線性較好、響應迅速等優點，但是大多存在傳感器性能易受環境溫度影響、溫度係數較大、無法實現低溫下的溼度準確測量等缺點。為了克服現有的微型溼度傳感器所存在的缺點，本發明提供了一種性能不受環境溫度影響、溫度係數小、低溫性能好、特別是可實現零下溫度下的溼度測量的具有恆溫測量功能的微型溼度傳感器。為了實現上述的目的，本發明的技術解決方案是一種恆溫測量式微型溼度傳感器，其由溼敏薄膜電容和基底兩部分組成；溼敏薄膜電容的下電極中至少有一個電極作為電容或阻抗測量電極，又作為恆溫控制的加熱電極；溼敏薄膜電容置於基底上面，溼敏薄膜電容所在的基底區域為支撐膜片結構；溼敏薄膜電容包括四層薄膜，依次為保護薄膜、上電極薄膜、溼度敏感薄膜、下電極薄膜；在不直接支撐溼敏薄膜電容的支撐膜片上帶有上下通透的孔或間隙結構。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述保護薄膜由高分子聚合物材料製成。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述上電極薄膜是帶有上下通透的孔或間隙結構的金屬平面。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述的溼度敏感薄膜由高分子聚合物材料製成。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述下電極薄膜包括平板電容電極、加熱電極和溫度傳感器三部分，平板電容電極、加熱電極和溫度傳感器位於溼度敏感薄膜和支撐膜片之間，且處於同一個平面。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述下電極薄膜中的平板電容電極、加熱電極和溫度傳感器三個部分處於所屬的同一個平面內的相對位置、幾何形狀是任意的。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述支撐膜片的厚度在5-200"m之間o所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述支撐膜片的面積大於溼敏薄膜電容的面積，且在不直接支撐下電極薄膜並不被基底支撐的地方帶有上下通透的孔或間隙結構。所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其所述支撐膜片中與溼敏薄膜電容直接相連的薄膜部分由絕緣材料構成。一種所述的恆溫測量式微型溼度傳感器的製作方法，其步驟如下步驟l:在矽片的兩面澱積氮化矽薄膜，作為絕緣薄膜；步驟2:在該片其中一面的氮化矽上利用微電子機械系統技術中的光刻、溼腐蝕技術，製作出支撐膜片所需的孔或間隙結構；步驟3:在另一面的氮化矽上蒸發一層鋁薄膜；步驟4:利用微電子機械系統技術中的光刻、腐蝕技術製作出深刻蝕用的鋁掩膜；步驟5:在另一面的氮化矽薄膜上利用微電子機械系統系技術中的光刻和濺射技術製作出鉑下電極；步驟6:利用微電子機械系統技術中的光刻技術在下電極上製作出聚醯亞胺薄膜；步驟7:利用微電子機械系統技術中的光刻和濺射技術在聚醯亞胺膜上製作出鉑上電極；步驟8:利用微電子機械系統技術中的深刻蝕技術在步驟4中製得的鋁掩膜的保護下刻蝕掉一定深度的矽；步驟9:劃片後形成恆溫測量式微型溼度傳感器晶片。本發明所提供的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的優點在於可將器件恆定在一定溫度下進行測量，傳感器性能不受環境溫度影響、溫度係數小、低溫性能好，特別是可實現零下溫度下的溼度測量；同時可利用微電子機械系統(MEMS)技術將器件製作得很小(體積可以小於2毫米X2毫米X2毫米)；由於可採用MEMS技術，器件的製作批量也比較大；器件的功耗也較低。因此，它可以廣泛應用在工業生產、氣象預報、氣候分析、環境監測、航空航天等領域。圖1是本發明所提出的一種恆溫結構示意圖2是本發明所提出的一種恆溫俯視測量式微型溼度傳感器的一個實例的測量式微型溼度傳感器的一個實例的圖3是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的一個實例的正視圖4是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器下電極的一個實例的結構示意圖5是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器上電極的一個實例的結構示意圖。具體實施例方式本發明的技術方案本發明所提供的一種恆溫測量式微型溼度傳感器中夾在上電極和下電極中間的溼度敏感材料可以是高分子聚合物。它能隨周圍環境的相對溼度的大小成比例地吸附和釋放水分子，導致其介電常數發生變化。這類高分子電介質材料做成電容後，其介電常數的變化將導致其電容值發生變化，這種變化也反映了相對溼度的變化。本發明所提供的一種恆溫測量式微型溼度傳感器中的上電極作為電容的一個極板，並且上電極薄膜中帶有上下通透的孔或間隙結構以有利於溼度敏感材料吸附和釋放水分子。下電極中除了溫度傳感器的其餘部分作為電容的另一個極板，測量該電容或阻抗的量值可以得到環境的相對溼度的信息。同時，本發明所提供的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的下電極中至少有一個電極即作為電容或阻抗測量的一個電極，又作為恆溫控制的加熱電極。它與下電極中的溫度傳感器在傳感器的外部電路控制下可使這種微型溼度傳感器恆定在一定溫度下進行溼度測量。另一方面，該傳感器中用於支撐溼敏薄膜電容的很薄的支撐膜片具有通透的孔或間隙結構，減小了熱量損失，從而使傳感器在較低功耗下實現恆溫測量。這些特點使得這種微型溼度傳感器不受環境溫度影響、溫度係數小、低溫性能好，特別是可實現零下溫度下的溼度測量。下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便於對本發明的理解，而其不對本發明做任何限定。如圖1是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的一個實例的結構示意圖，其中，保護薄膜l;上電極薄膜2;溼度敏感薄膜3;下電極薄膜4;通孔或間隙結構5;絕緣薄膜6;支撐膜片7;基底8。圖2是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的一個實例的俯視圖，其中溼敏薄膜電容1-3;下電極薄膜4;支撐膜片7的通孔或間隙結構5;基底8。圖3是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的一個實例的正視圖，其中保護薄膜l;上電極薄膜2;溼度敏感薄膜3;下電極薄膜4;絕緣薄膜6;支撐膜片7;基底8。圖4是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器下電極的一個實例的結構示意圖，其中，溫度傳感器9;一個或兩個同時用於加熱及電容或阻抗測量電極io。圖5是本發明所提出的一種恆溫測量式微型溼度傳感器上電極的一個實施例的結構示意圖，其中上電極薄膜的通孔或間隙結構ll;上電極薄膜2。本發明提出這種恆溫測量式微型溼度傳感器，它的結構由溼敏薄膜電容和基底8兩部分組成。其中，溼敏薄膜電容由保護薄膜1、上電極薄膜2、溼度敏感薄膜3、下電極薄膜4，共四層薄膜構成；溼敏薄膜電容置於基底8上面，且基底8與溼敏薄膜電容相連處具有支撐膜片7結構；保護薄膜l由高分子聚合物材料構成；下電極薄膜4由平板電容電極、加熱電極10和溫度傳感器9三部分構成；下電極薄膜4中的平板電容電極、加熱電極10和溫度傳感器9三部分結構都置於溼度敏感薄膜3的上面，且處於同一個平面；下電極薄膜4中的平板電容電極、加熱電極10和溫度傳感器9三個部分處於所屬的同一個平面內的相對位置是任意的；下電極薄膜4中的平板電容電極、加熱電極10的幾何形狀和面積是任意的；下電極薄膜中的平板電容電極和加熱電極10中至少有一個電極即作為恆溫控制用的加熱電極，又作為電容或阻抗測量的一個電極；溼度敏感薄膜3由高分子聚合物材料構成；上電極薄膜2是帶有上下通透的孔或間隙結構5的金屬平面，孔5或間隙的幾何形狀和面積是任意的；支撐膜片7的厚度在5-200um之間；支撐膜片7的面積大於溼敏薄膜電容的面積，且在不直接支撐下電極薄膜4且不被基底8支撐的地方帶有上下通透的孔或間隙結構5，且這種孔或間隙結構5的幾何形狀和面積是任意的；支撐膜片7中與溼敏薄膜電容直接相連的薄膜6由絕緣材料構成，支撐膜片7中的其它部分和基底8中的其它部分可由任意材料構成。這種恆溫測量式微型溼度傳感器的一種製作工藝方法和製作步驟如下步驟l:在矽片的兩面澱積氮化矽薄膜，作為絕緣薄膜。步驟2:在該片其中一面的氮化矽上利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻、溼腐蝕技術，製作出支撐膜片所需的孔或間隙結構。步驟3:在另一面的氮化矽上蒸發一層鋁薄膜。步驟4:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻、腐蝕技術製作出深刻蝕用的鋁掩膜。步驟5:在另一面的氮化矽薄膜上利用微電子機械系統(MEMS)系技術中的光刻和濺射技術製作出鉑下電極；步驟6:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻技術在下電極上製作出聚醯亞胺薄膜；步驟7:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻和濺射技術在聚醯亞胺膜上製作出鉑上電極；步驟8:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的深刻蝕技術在鋁掩膜的保護下刻蝕掉一定深度的矽。步驟9:劃片後形成恆溫測量式微型溼度傳感器晶片。本發明所提出的這種恆溫測量式微型溼度傳感器的工作原理是本發明所提出的這種恆溫測量式微型溼度傳感器中夾在上電極和下電極中間的溼度敏感材料可以是高分子聚合物。它能隨周圍環境的相對溼度的大小成比例地吸附和釋放水分子，導致其介電常數發生變化。這類高分子電介質材料做成電容後，其介電常數的變化將導致其電容值發生變化，這種變化也反映了相對溼度的變化。本發明所提供的一種恆溫測量式微型溼度傳感器中的上電極作為電容的一個極板，並且上電極薄膜中帶有上下通透的孔或間隙結構以有利於溼度敏感材料吸附和釋放水分子。下電極中除了溫度傳感器的其餘部分作為電容的另一個極板，測量該電容或阻抗的量值可以得到環境的相對溼度的信息。同時，本發明所提供的一種恆溫測量式微型溼度傳感器的下電極中至少有一個電極即作為電容或阻抗測量的一個電極，又作為恆溫控制的加熱電極。它與下電極中的溫度傳感器在傳感器的外部電路控制下可使這種微型溼度傳感器恆定在一定溫度下進行溼度測量。另一方面，該傳感器中用於支撐溼敏薄膜電容的很薄的支撐膜片具有通透的孔或間隙結構，減小了熱量損失，從而使傳感器在較低功耗下實現恆溫測量。這些特點使得這種微型溼度傳感器不受環境溫度影響、溫度係數小、低溫性能好，特別是實現了零下溫度下的溼度測量。另外，利用微電子機械系統(MEMS)技術，這種恆溫測量式微型溼度傳感器可以製作得很小，體積可以小於2毫米X2毫米X2毫米。實施例這種恆溫測量式微型溼度傳感器的一個實例的一種製作工藝方法及製作步驟如下步驟1:在500um厚、n型矽片的兩個[100]面上澱積2000A厚氮化矽薄膜。步驟2:在該片其中一面的氮化矽上利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻、溼腐蝕技術，製作出支撐膜片7所需的深為60um的孔或間隙結構5。步驟3:在另一面的氮化矽上蒸發一層3000A厚鋁薄膜。步驟4:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻、腐蝕技術製作出深刻蝕用的鋁掩膜。步驟5:在另一面的氮化矽薄膜上利用微電子機械系統(MEMS)系技術中的光刻和濺射技術製作出2000A厚鉑下電極；步驟6:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻技術在下電極上製作出3"m厚、形狀為邊長1.0mmX1.Omm正方形的聚醯亞胺薄膜；步驟7:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的光刻和濺射技術在聚醯亞胺膜上製作出2000A厚鉑上電極；步驟8:利用微電子機械系統(MEMS)技術中的深刻蝕技術在鋁掩膜的保護下，刻蝕掉450pm厚的矽以形成50um厚、形狀為邊長1.3腿X1.3mm正方形的支撐膜片7。步驟9:劃片後形成形狀為邊長1.8mmX1.8mm正方形的晶片，從而製成500umX1.8mmX1.8mm這種恆溫測量式微型溼度傳感器。以上所述，僅為本發明的具體實施方式，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，所做的變換或替換，都應涵蓋在本發明權利要求書的保護範圍之內。權利要求1、一種恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，由溼敏薄膜電容和基底兩部分組成；溼敏薄膜電容的下電極中至少有一個電極作為電容或阻抗測量電極，又作為恆溫控制的加熱電極；溼敏薄膜電容置於基底上面，溼敏薄膜電容所在的基底區域為支撐膜片結構；溼敏薄膜電容包括四層薄膜，依次為保護薄膜、上電極薄膜、溼度敏感薄膜、下電極薄膜；在不直接支撐溼敏薄膜電容的支撐膜片上帶有上下通透的孔或間隙結構。2、如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述保護薄膜由高分子聚合物材料製成。3、如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述上電極薄膜是帶有上下通透的孔或間隙結構的金屬平面。4、如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述的溼度敏感薄膜由高分子聚合物材料製成。5、如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述下電極薄膜包括平板電容電極、加熱電極和溫度傳感器三部分，平板電容電極、加熱電極和溫度傳感器位於溼度敏感薄膜和支撐膜片上的結緣薄膜之間，且處於同一個平面。6、如權利要求5所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述下電極薄膜中的平板電容電極、加熱電極和溫度傳感器三個部分處於所屬的同一個平面內的相對位置、幾何形狀是任意的。7、如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述支撐膜片的厚度在5-200ym之間。8、如權利要求1或7所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述支撐膜片的面積大於溼敏薄膜電容的面積，且在不直接支撐下電極薄膜並不被基底支撐的地方帶有上下通透的孔或間隙結構。9、如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器，其特徵在於，所述支撐膜片中與溼敏薄膜電容直接相連的薄膜部分由絕緣材料構成。10、一種如權利要求1所述的恆溫測量式微型溼度傳感器的製作方法，其特徵在於，製備步驟為步驟l:在矽片的兩面澱積氮化矽薄膜，作為絕緣薄膜；步驟2:在該片其中一面的氮化矽上利用微電子機械系統技術中的光刻、溼腐蝕技術，製作出支撐膜片所需的孔或間隙結構；步驟3:在另一面的氮化矽上蒸發一層鋁薄膜；步驟4:利用微電子機械系統技術中的光刻、腐蝕技術製作出深刻蝕用的鋁掩膜；步驟5:在另一面的氮化矽薄膜上利用微電子機械系統系技術中的光刻和濺射技術製作出鉑下電極；步驟6:利用微電子機械系統技術中的光刻技術在下電極上製作出聚醯亞胺薄膜；步驟7:利用微電子機械系統技術中的光刻和濺射技術在聚醯亞胺膜上製作出鉑上電極；步驟8:利用微電子機械系統技術中的深刻蝕技術在步驟4中製得的鋁掩膜的保護下刻蝕掉一定深度的矽；步驟9:劃片後形成恆溫測量式微型溼度傳感器晶片。全文摘要本發明一種恆溫測量式微型溼度傳感器和製作方法，涉及傳感技術，該傳感器，由溼敏薄膜電容和基底組成，其中溼敏薄膜電容的下電極中至少有一個電極作為電容或阻抗測量電極，又作為恆溫控制加熱電極，並與下電極中的溫度傳感器在傳感器的外部電路控制下使這種微型溼度傳感器恆定在一定溫度下進行溼度測量；該傳感器中用於支撐溼敏薄膜電容的很薄的支撐膜片具有通透的孔或間隙結構，減小了熱量損失，使傳感器在較低功耗下實現恆溫測量。本發明微型溼度傳感器不受環境溫度影響、溫度係數小、低溫性能好，實現了零下溫度下的溼度測量，且體積小於2毫米×2毫米×2毫米。本發明應用於日常生活、工業生產、氣象預報、環境監測、航空航天等方面。文檔編號G01N27/02GK101532975SQ20081010178公開日2009年9月16日申請日期2008年3月12日優先權日2008年3月12日發明者張建剛,震方,耿道渠,湛趙申請人:中國科學院電子學研究所