多量程叉指電容式溼度傳感器的製造方法
2023-12-03 03:30:31 1
多量程叉指電容式溼度傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是：包括多個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，下電極和上電極穿過SiO2氧化層設置在矽基底的同一表面上，上電極的叉指和下電極的叉指呈叉指狀交錯排列，在上電極和下電極的叉指之間填充溼度敏感介質；在所述上電極和下電極的上方設置鋁條，鋁條位於上電極和下電極的叉指之間，在鋁條和上電極之間填充溼度敏感介質；在所述上電極和下電極正下方的矽基底上形成空腔，使下電極、上電極以及下電極和上電極叉指間的溼度敏感介質直接與空氣接觸；所述傳感器單元由鋁條串聯在一起。本發明提高了電容式壓力傳感器的靈敏度和測量範圍。
【專利說明】多量程叉指電容式溼度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多量程叉指電容式溼度傳感器，尤其是一種多量程並與CMOS工藝兼容的電容式溼度傳感器，屬於MEMS器件設計製造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]溼度測量是MEMS技術的一個主要應用方面，溼度的檢測和控制技術已經獲得廣泛應用。比如軍事，氣象，農業，工業(特別是紡織，電子，食品)，醫療，建築以及家用電器等方面需要對溼度進行嚴格監測，有些場合甚至需要對溼度進行控制和報警，比如空氣調節系統，溫室控制系統，倉庫監測系統。對溼度監測，控制的需要促進了對溼度傳感器的研究進展。
[0003]電容式的單片集成溼度傳感器採用鋁叉指結構，叉指結構溼度傳感器電容式溼度傳感器是矽微溼度傳感器的一種多量程主要類型，其基本原理是將溼度變化轉換為電容的變化。在叉指狀電容器以及電阻條上面覆蓋一層感溼介質層一聚醯亞胺，當外界環境中的相對溼度發生變化，感溼材料吸附/脫附空氣中的水汽分子，使得聚醯亞胺的介電常數發生變化，從而引起叉指電容值的改變。溼敏電容值減小。通過電容檢測電路就可以將電容值轉化為電壓或電流信號進行輸出。
[0004]傳統溼度傳感器製備均採用MEMS體矽加工工藝，工藝複雜，加工成本昂貴，並且很難實現標準化。傳統電容式壓力傳感器晶片主要缺點:(I)無法使其與CMOS工藝兼容，傳感器晶片的CMOS工藝集成化是傳感器研究和發展的趨勢；(2)單一的量程，只能針對某一特定的量程範圍進行測試，使其不能得到最大限度的使用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種多量程叉指電容式溼度傳感器，該傳感器靈敏度高，量程範圍大，並且提高了可製造性，製造成本低。
[0006]按照本發明提供的技術方案，所述多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:包括多個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，下電極和上電極穿過SiO2氧化層設置在矽基底的同一表面上，上電極的叉指和下電極的叉指呈叉指狀交錯排列，在上電極和下電極的叉指之間填充溼度敏感介質；在所述上電極和下電極的上方設置鋁條，鋁條位於上電極和下電極的叉指之間，在鋁條和上電極之間填充溼度敏感介質；在所述上電極和下電極正下方的矽基底上形成空腔，使下電極、上電極以及下電極和上電極叉指間的溼度敏感介質直接與空氣接觸；所述傳感器單元由鋁條串聯在一起。
[0007]所述上電極和下電極分別包括兩層金屬層，兩層金屬層之間由鎢塞連接。
[0008]所述上電極和下電極採用金屬鋁。
[0009]所述溼度敏感介質為聚醯亞胺。
[0010]所述每個傳感器單元分別由壓焊塊連接在矽基底上表面。
[0011 ] 所述每個傳感器單元的叉指面積不同。[0012]本發明的有益效果是:本發明所述傳感器響應迅速，靈敏度高，輸出範圍寬，耐高溫，溼滯誤差小，溫度特性和長期穩定性好；本發明與CMOS工藝完全兼容，並利用電路工藝加工在先，後處理工藝在後的方式，保證了 CMOS工藝的完整性和工藝次序的不被改變和打斷，易於實現批量化製造以及傳感器的微型化和智能化；本發明提高了電容式壓力傳感器的靈敏度和測量範圍，採用了不同膜面積的六個壓力傳感器進行分段壓力測量的方式，從而通過一個傳感器陣列來提高測量範圍，彌補了單個傳感器測量範圍的不足。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明所述溼度傳感器的俯視圖。
[0014]圖2為本發明所述傳感器單元的俯視圖。
[0015]圖3為本發明所述傳感器單元的剖視圖。
[0016]圖中的序號為:下電極1、上電極2、鋁條3、溼度敏感介質7、矽基底8、空腔9、Si02氧化層10、壓焊塊11、傳感器單元12、鎢塞13。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。
[0018]如圖1所示，所述多量程叉指電容式溼度傳感器包括六個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和上電極2穿過SiO2氧化層10設置在矽基底8的同一表面上，上電極2的叉指和下電極I的叉指呈叉指狀交錯排列，在上電極2和下電極I的叉指之間填充溼度敏感介質7 ;在所述上電極2和下電極I的上方設置鋁條3，鋁條3位於上電極2和下電極I的叉指之間，在鋁條3和上電極2之間填充溼度敏感介質7 ;在所述上電極2和下電極I正下方的矽基底8上形成空腔9，下電極1、上電極2以及下電極I和上電極2叉指間的溼度敏感介質7可以直接與空氣接觸；所述傳感器單元12由鋁條3串聯在一起，鋁條3可以對上電極2、下電極I叉指間的溼度敏感介質7起到加速脫溼的功效；
如圖3所示，所述上電極2和下電極I分別包括兩層金屬層，兩層金屬層之間由鎢塞13連接；
所述上電極2和下電極I採用金屬鋁；所述溼度敏感介質7為聚醯亞胺；
所述每個傳感器單元12分別由壓焊塊11連接在矽基底8上表面，每個傳感器單元12的叉指面積、數量不同，可以分別用於不同範圍的溼度測量。
[0019]製備上述多量程叉指電容式溼度傳感器的方法，採用以下工藝步驟:
(1)在矽基底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，並刻蝕形成第一金屬層14 ；
(2)採用旋塗法旋塗一層聚醯亞胺，並刻蝕填充鎢塞13，鎢塞13位於第一金屬層14
上；
(3)濺射金屬鋁，並刻蝕在第一金屬層14上形成第二金屬層15，即得到上電極2和下電極I ;
(4)再採用刻塗法旋塗一層聚醯亞胺，然後濺射金屬鋁，並刻蝕形成鋁條3，鋁條3位於上電極2和下電極I的叉指之間； (5)在矽基底8的背面澱積一層氮化矽阻擋層，並在矽底底8上刻蝕出腐蝕窗口，然後利用矽的各向異性腐蝕從矽基底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的腐蝕速率遠小於該腐蝕溶液對矽基底8的腐蝕速率，當矽基底8腐蝕到SiO2氧化層10下表面時，第一步腐蝕結束；第二步腐蝕將SiO2氧化層10腐蝕至下電極I的下表面；兩步腐蝕完成後在下電極I下部的矽基底8上形成空腔9，並且下電極I以及下電極I叉指間的溼度敏感介質能夠與空氣接觸；
(6)最後再將矽底8背面的氮化矽阻擋層去除。
[0020]本發明所述多量程叉指電容式溼度傳感器在傳統電容式壓力傳感器晶片結構的基礎上，採用基於標準CMOS工藝的電容式溼度傳感器並實現多個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，它具有多方面的優勢，一方面CMOS技術是目前IC製造的主流技術，其加工技術先進而且成熟、規範和標準化，一旦所研製的器件成功，即可批量生產；而且CMOS MEMS容易將MEMS器件與電路單片集成；另一方面本發明採用了多個不同尺寸的電容壓力傳感器單元實現多量程，並利用電路工藝加工在先，後處理工藝在後的方式，保證了 CMOS工藝的完整性和工藝次序的不被改變和打斷；並具有較大的測量範圍、較高的靈敏度、較低的溫度偏移係數、更加堅固的結構以及更低的功耗等等。
[0021]在工作時，環境中的溼氣被兩個電極之間的感溼介質吸附/脫附從而使得兩個電極間介質介電常數發生變化，產生相應的電容值變化，電容值隨著溼度變化單調變化，電容值與溼度值相互對應，形成由溼度到電容的傳感轉換功能。在某一溼度情況下，部分傳感器單元已經飽和，而部分傳感器單元在此壓力情況下變形很小，此時選擇合適的傳感器單元作為測量單元，以實現一定的靈敏度，採用這種方法設計的傳感器可以在測量範圍和靈敏度之間選擇，實現了傳感器的智能化。
【權利要求】
1.一種多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:包括多個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)和上電極(2)穿過SiO2氧化層(10)設置在矽基底(8)的同一表面上，上電極(2)的叉指和下電極(O的叉指呈叉指狀交錯排列，在上電極(2)和下電極(I)的叉指之間填充溼度敏感介質(7);在所述上電極(2)和下電極(I)的上方設置鋁條(3)，鋁條(3)位於上電極(2)和下電極(I)的叉指之間，在鋁條(3)和上電極(2)之間填充溼度敏感介質(7);在所述上電極(2)和下電極(I)正下方的矽基底(8)上形成空腔(9)，使下電極(I)、上電極(2)以及下電極(I)和上電極(2)叉指間的溼度敏感介質(7)直接與空氣接觸；所述傳感器單元(12)由鋁條(3)串聯在一起。
2.如權利要求1所述的多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:所述上電極(2)和下電極(I)分別包括兩層金屬層，兩層金屬層之間由鎢塞(13)連接。
3.如權利要求1所述的多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:所述上電極(2)和下電極(I)採用金屬鋁。
4.如權利要求1所述的多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:所述溼度敏感介質(7)為聚醯亞胺。
5.如權利要求1所述的多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:所述每個傳感器單元(12 )分別由壓焊塊(11)連接在矽基底(8 )上表面。
6.如權利要求1所述的多量程叉指電容式溼度傳感器，其特徵是:所述每個傳感器單元(12)的叉指面積不同。
【文檔編號】G01N27/22GK103675041SQ201310633521
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月30日 優先權日:2013年11月30日
【發明者】薛惠瓊, 王瑋冰, 田龍坤 申請人:江蘇物聯網研究發展中心