一種快速響應的cmos相對溼度傳感器的製作方法

2023-12-10 00:30:26 1

專利名稱：一種快速響應的cmos相對溼度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於標準CMOS工藝的相對溼度傳感器，尤其是一種快速響應 的CMOS相對溼度傳感器。
背景技術：
溼度測量在國防航空、氣象預報、工業製造、農業生產、醫療衛生、食品加工 等領域有著廣泛的應用。溼度傳感器作為溼度測量系統中的重要組成部分，已經 發展了很多年。由最初的乾濕球溼度計、毛髮溼度計等傳統的溼度傳感器發展到 目前可以用標準CMOS工藝製造的微型溼度傳感器。用標準CMOS工藝加工出來的 溼度傳感器具有體積小，價格低，產品一致性好等優點，是近幾年來溼度傳感器 研究的熱點。另外，利用標準CMOS工藝容易將溼度傳感器和檢測電路單片集成， 這樣可以提高溼度檢測系統的穩定性和抗幹擾能力。2001年，Y.Y.Qiu (人名)提 出了利用CMOS工藝製作的溼度傳感器，該溼度傳感器採用聚醯亞胺作為溼度敏感 介質，將檢測電路與溼度敏感電容單片集成，把溼度敏感電容的變化直接轉化為 電壓變化輸出，便於後端檢測系統進行信號採樣和處理，但是這種結構的溼度傳 感器響應速度較慢。2004年，中國人顧磊提出了一種利用CMOS工藝製作的溼度傳 感器，該溼度傳感器的敏感單元為叉指電容結構，將柵狀多晶矽加熱電阻置於叉 指電極的下方，採用聚醯亞胺作為溼度敏感介質，靈敏度高，線性度好，但是傳 感器的回滯特性不是很好，而且響應較慢，加熱電路工作可以提高溼度敏感單元 的溫度，進而加快傳感器的響應速度，但這樣必然會使傳感器的功耗增加。

發明內容
技術問題本發明的目的是提出一種與標準CMOS工藝兼容的快速響應的CMOS 相對溼度傳感器，具有響應速度快，靈敏度高，結構簡單，襯底寄生小等優點。技術方案本發明是一種高速響應的CMOS相對溼度傳感器，由襯底，氧化層， 電容電極，溼度敏感介質組成，氧化層設在襯底上，電容電極設在氧化層上，電 容電極由壓焊塊引出，溼度敏感介質設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溼度敏感介質的下表面也 與空氣接觸，電容電極為叉指狀電極且交錯排列，每組叉指狀電極的公共端和叉 指狀電極的自由端均固定於氧化層上，以保證電容電極的機械強度。
有益效果本發明工藝步驟簡單，利用標準CMOS工藝與MEMS加工技術相結
合進行製造，成本低，精度高，長期穩定性好。本發明提出的溼度傳感器釆用聚 醯亞胺作為溼度敏感介質，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溼度敏感介質的上方和下方均為空氣，使得傳感器的響應速 度加快，襯底寄生效應減小。


圖l是本發明的俯視圖，圖中有氧化層2，第一電容電極3，第二電容電極
4，叉指狀電極的第一公共端31，叉指狀電極的第二公共端41，叉指狀電極的第 一自由端32，叉指狀電極的第二自由端42，第一壓焊塊33，第二壓焊塊43，溼 度敏感介質5，空腔6。
圖2是本發明的截面圖，圖中有襯底l，氧化層2，第一電容電極3，第二 電容電極4，溼度敏感介質5，空腔6。
具體實施例方式
本發明是一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，由襯底l，氧化層2，第一電 容電極3，第二電容電極4，溼度敏感介質5組成，氧化層2設在襯底1上，第一 電容電極3和第二電容電極4設在氧化層2上，第一電容電極3和第二電容電極4 由第一壓焊塊33和第二壓焊塊43分別引出，溼度敏感介質5設在第一電容電極3 和第二電容電極4之間以及第一電容電極3和第二電容電極4上方，腐蝕襯底1 及其上方的氧化層2，形成空腔6，使得第一電容電極3和第二電容電極4之間的 溼度敏感介質5的下表面也與空氣接觸，第一電容電極3和第二電容電極4為叉 指狀電極且交錯排列，每組叉指狀電極的第一公共端31和第二公共端41以及叉 指狀電極的第一 自由端32和第二自由端42均固定於氧化層2上，以保證第一電容電極3和第二電容電極4的機械強度。
本實施例中襯底1為體矽，氧化層2為二氧化矽，第一電容電極3和第二電容 電極4為鋁電極，溼度敏感介質5為聚醯亞胺，本發明可以用以下工藝來製作-在矽襯底1上生長一層氧化層2，濺射鋁並刻蝕形成第一電容電極3和第二電容電 極4以及第一壓焊塊33和第二壓焊塊43，利用旋塗法旋塗一層聚醯亞胺，光刻聚 醯亞胺，亞胺化，接著在矽襯底1背面澱積一層氮化矽阻擋層並刻蝕出矽襯底1 的腐蝕窗口，然後利用體矽各向異性腐蝕從矽襯底1背面向氧化層2方向腐蝕， 選用的腐蝕溶液對氧化層2的腐蝕速率遠小於該腐蝕溶液對襯底1的腐蝕速率， 當襯底1被腐蝕到氧化層2時認為襯底1的腐蝕己經結束，這時在襯底1中得到 一個腔體，將該腔體上方的氧化層2腐蝕掉便得到空腔6，此時第一電容電極3 和第二電容電極4之間的溼度敏感介質5的下表面也與空氣接觸，最後再將襯底1 背面的氮化矽阻擋層腐蝕掉。
第一電容電極3和第二電容電極4構成的電容以聚醯亞胺作為溼度敏感介質， 當環境溼度發生改變時，聚醯亞胺感溼層的介電常數會發生變化，從而使得溼度 敏感電容值發生變化，再利用電容檢測電路對溼度敏感電容的變化進行檢測便可 以得到環境溼度的信息。
權利要求
1.一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，其特徵在於該傳感器包括襯底(1)、氧化層(2)、第一電容電極(3)、第二電容電極(4)和溼度敏感介質(5)，氧化層(2)設在襯底(1)上，第一電容電極(3)、第二電容電極(4)設在氧化層(2)上，第一電容電極(3)和第二電容電極(4)由第一壓焊塊(33)和第二壓焊塊(43)分別引出，溼度敏感介質(5)設在第一電容電極(3)和第二電容電極(4)之間以及第一電容電極(3)和第二電容電極(4)上方，腐蝕襯底(1)及其上方的氧化層(2)，形成空腔(6)，使得第一電容電極(3)和第二電容電極(4)之間的溼度敏感介質(5)的下表面也與空氣接觸。
2. 根據權利要求1所述的一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，其特徵在於 第一電容電極(3)、第二電容電極(4)為叉指狀電極且交錯排列，每組叉指狀電 極的第一公共端(31)和第二公共端(41)以及叉指狀電極的第一自由端(32) 和第二自由端(42)均固定於氧化層(2)上，以保證第一電容電極(3)、第二電 容電極(4)的機械強度。
3. 根據權利要求1或2所述的一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，其特徵 在於溼度敏感介質(5)為聚醯亞胺。
4. 根據權利要求1或2所述的一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，其特徵 在於第一電容電極(3)、第二電容電極(4)為鋁電極。
5. 根據權利要求1或2所述的一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，其特徵 在於傳感器加工工藝與標準CMOS工藝完全兼容，傳感器後處理工藝採用MEMS各 向異性溼法腐蝕完成。
全文摘要
一種快速響應的CMOS相對溼度傳感器，由襯底，氧化層，電容電極，溼度敏感介質組成，氧化層設在襯底上，電容電極設在氧化層上，電容電極由壓焊塊引出，溼度敏感介質設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溼度敏感介質的下表面也與空氣接觸，電容電極為叉指狀電極且交錯排列，每組叉指狀電極的公共端和叉指狀電極的自由端均固定於氧化層上，以保證電極的機械強度。本發明採用聚醯亞胺作為溼度敏感介質，將襯底及其上方的氧化層腐蝕形成空腔，電容電極之間的溼度敏感介質的上方和下方均為空氣，該傳感器具有響應速度快，靈敏度高，襯底寄生小等優點。
文檔編號G01N27/22GK101620197SQ20091018322
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者明 秦, 趙成龍, 黃慶安 申請人:東南大學