CN103213942A

CN103213942A - 一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法

Info

Publication number: CN103213942A
Application number: CN2013101177131A
Authority: CN
Inventors: 陈洁; 张聪; 秦明; 黄庆安
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: CN103213942B

Abstract

本发明公开了一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤10）在硅衬底上热氧化生长一层热氧化层；步骤20）在热氧化层上淀积一层多晶硅层，并在多晶硅层上光刻多晶硅加热电阻；步骤30）在多晶硅层淀积二氧化硅层；步骤40）在二氧化硅层的顶面溅射一铝层，然后在铝层上刻蚀梳齿状电极、金属引线锚区、金属电感和加热电阻锚区；步骤50）在铝层上方淀积钝化层；步骤60）将位于电极上方以及位于电极侧壁的钝化层刻蚀去除，然后对位于被刻蚀的钝化层下方的二氧化硅层进行刻蚀，最后填充聚酰亚胺层，制成无源无线电容式湿度传感器。该制备方法可以实现批量化、大规模生产湿度传感器，工艺简单，且一致性、可靠性高。

Description

一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种电容式湿度传感器的制备方法，具体来说，涉及一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法。

背景技术

湿度传感器广泛应用于气象检测、农业生产、工业控制、医疗设备等领域。近年来，湿度传感器的发展越来越趋向于微型化。现有的微型湿度传感器类型主要包括电容式、电阻式、压阻式及微电子机械系统（微电子机械系统，英文为Micro-Electronic-Mechanical Systems，文中简称MEMS）等。目前无线遥测传感器包括两大类：有源遥测和无源遥测。有源遥测是指传感系统中带有电源，这种遥测方式可以双向长距离传输传感器信号，但是其系统复杂、尺寸大，而且电池需要更换。无源遥测是指传感系统中没有电源，利用电感耦合或射频（RF）反射调制实现信号的获取，这种遥测方式信号传输距离短，但是体积小、不需要更换电池，理论上可以无限期工作。其中，LC无源无线湿度传感器是无源遥测中的最主要的一类。

随着传感器市场的发展，无线传感器将成为物联网发展的一个重要方向。但是传感器微型化程度加深，引线问题是需要解决的一大问题，另外有些场合不能使用引线，这就需要使用无线传感器。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法，该制备方法可以实现批量化、大规模生产无源无线电容式湿度传感器，工艺简单，且一致性、可靠性高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）采用热氧化工艺，在硅衬底上热氧化生长一层热氧化层；

步骤20）采用低压化学气相淀积法，在步骤10）制备的热氧化层上淀积一层多晶硅层，并采用光刻工艺，在多晶硅层上光刻多晶硅加热电阻；

步骤30）采用低压化学气相淀积法，在步骤20）制成的多晶硅层淀积二氧化硅层，利用反应离子刻蚀法，在二氧化硅层上刻蚀接触孔，该接触孔位于多晶硅加热电阻的末端；

步骤40）采用溅射工艺，在步骤30）制成的二氧化硅层的顶面溅射一铝层，然后采用光刻工艺，在铝层上刻蚀梳齿状电极、金属引线锚区、金属电感和加热电阻锚区；

步骤50）利用等离子体增强化学气相沉积法，在步骤40）制成的铝层上方淀积一层钝化层；

步骤60）利用反应离子刻蚀法，将位于电极上方以及位于电极侧壁的钝化层刻蚀去除，然后采用刻蚀法，对位于被刻蚀的钝化层下方的二氧化硅层进行刻蚀，在二氧化硅层上形成凹槽，最后采用旋涂工艺，在电极上方和电极侧壁上，填充聚酰亚胺层，制成无源无线电容式湿度传感器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）可批量化、大规模生产。本发明的制备方法采用梳齿电容以及聚酰亚胺层作为湿度传感器，梳齿的两个电极作为电容的上下电容极板，制成电容式湿度传感器。该电容式湿度传感器敏感膜采用填充聚酰亚胺得到。以上全部工艺均可与CMOS标准工艺兼容，因此可实现MEMS湿度传感器的批量化，大规模生产。

（2）灵敏度高。本发明的制备方法制备的传感器，梳齿状电容的两个电极作为电容的上下电容极板，感湿材料采用聚酰亚胺，灵敏度高。

（3）可靠性高。本发明的制备方法制备的传感器，梳齿状电容的两个电极与电感的两个端口连接不需要外接引线，可靠性高。

附图说明

图1 是本发明中步骤10）制成器件的结构示意图。

图2 是本发明中步骤20）制成器件的结构示意图。

图3 是本发明中步骤30）制成器件的结构示意图。

图4 是本发明中步骤40）制成器件的结构示意图。

图5 是本发明中步骤50）制成器件的结构示意图。

图6 是本发明中步骤60）制成器件的结构示意图。

图7 是本发明制成的铝层的俯视图。

图中有：硅衬底1、热氧化层2、多晶硅层3、二氧化硅层4、铝层5、钝化层6、聚酰亚胺层7、多晶硅加热电阻8、电容9、电容上极板锚区101、电容下极板锚区102、金属电感11、电感内连接线12、电感外引线锚区13、加热电阻锚区14。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤10）如图1所示，采用热氧化工艺，在硅衬底1上热氧化生长一层热氧化层2。

步骤20）如图2所示，采用低压化学气相淀积法，在步骤10）制备的热氧化层2上淀积一层多晶硅层3，并采用光刻工艺，在多晶硅层3上光刻多晶硅加热电阻8；

步骤30）如图3所示，采用低压化学气相淀积法，在步骤20）制成的多晶硅层3淀积二氧化硅层4，利用反应离子刻蚀法，在二氧化硅层4上刻蚀接触孔，该接触孔位于多晶硅加热电阻8的末端；

步骤40）如图4所示，采用溅射工艺，在步骤30）制成的二氧化硅层4的顶面溅射一铝层5，然后采用光刻工艺，在铝层5上刻蚀梳齿状电极9、金属引线锚区、金属电感11和加热电阻锚区14。电极9中含有电容上极板锚区101和电容下极板锚区102。

在步骤40）中，电极9位于多晶硅加热电阻8的正上方。这样，多晶硅加热电阻8能对上次测量产生的影响消除，比如，上次测量时湿度很大，多晶硅加热电阻8能加速湿度膜上水汽的减弱。金属电感11呈环形，梳齿状电极9位于金属电感（11）的中部，金属引线锚区位于金属电感11的外侧。

步骤50）如图5所示，利用等离子体增强化学气相沉积法，在步骤40）制成的铝层5上方淀积一层钝化层6。

步骤60）如图6所示，利用反应离子刻蚀法，将位于电极9上方以及位于电极9侧壁的钝化层刻蚀去除，然后采用刻蚀法，对位于被刻蚀的钝化层下方的二氧化硅层4进行刻蚀，在二氧化硅层4上形成凹槽，最后采用旋涂工艺，在电极9上方和电极9侧壁上，填充聚酰亚胺层7，制成无源无线电容式湿度传感器。

如图7所示，本发明的制备方法制成的湿度传感器，金属电感11的内引线通过电感内连接线12与电容9的电容下极板锚区102相连。下极板锚区102其实就是一直线，这样就相当于把金属电感11的内引线与电容9的电容下极板直接相连。金属电感11的电感外引线锚区13与电容9的电容上极板锚区101通过在二氧化硅层4和多晶硅层3上的通孔，以及多晶硅层3中的引线实现互连。也就是说，金属电感11的电感外引线锚区13与电容9的电容上极板锚区101之间的连接不需要外接连线。多晶硅层3中的引线的一端与金属电感11的电感外引线锚区13连接，多晶硅层3中的引线的另一端与电容9的电容上极板锚区101连接，从而实现金属电感11的电感外引线锚区13与电容9的电容上极板锚区101之间的连接。加热电阻锚区14位于金属电感11的外侧。

在上述结构的无线无源电容式湿度传感器中，热氧化层2作为多晶硅加热电阻8和硅衬底1之间的绝缘层。电容9在多晶硅加热电阻8的正上方，增加了铝电极间凹槽的深度，从而使得凹槽中可以填充更多的聚酰亚胺层7。电容9是金属构成的，下方是二氧化硅层4，光是铝层5厚度太小，所以腐蚀的时候不仅腐蚀金属，而且把二氧化硅层4也腐蚀点一部分，这样就能填充更多的感湿材料聚醯亚胺层7。

上述结构的无线无源电容式湿度传感器的工作过程是：先将加热电阻锚区14和外部电源连接，当湿度发生变化时，起到感湿作用的聚酰亚胺层7的介质常数会发生变化，这样电容9的容值就会发生变化，进而引起LC回路的谐振频率的变化。外部读出电路中的LC回路谐振频率就会发生变化。通过LC回路的谐振频率变化，从而实现了湿度信号的无源无线测量。该传感器的湿度信号通过电感耦合方式无线输出。这样通过电容变化就可以得到外界的湿度变化。

本发明的制备方法采用热氧化法在衬底硅1上生长一层热氧化层2，热氧化层2上在淀积一层LPCVD（低压化学气相淀积）多晶硅层3，光刻形成多晶硅加热电阻8，在形成的多晶硅电阻8上淀积一层LPCVD（低压化学气相淀积）二氧化硅层4，利用反应离子刻蚀开出多晶硅加热电阻8与后续金属的接触孔，在形成的二氧化硅层4上溅射一层铝层5，光刻形成梳齿状电极9以及多晶硅电阻的金属引线以及金属电感11，在金属铝层5上利用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）法在整个硅片上淀积一层钝化层6，利用反应离子刻蚀将铝电极之间的钝化层部分刻蚀掉，填充聚酰亚胺，形成聚酰亚胺层7，从而制成无源无线电容式湿度传感器。该电容式湿度传感器是MEMS电容式湿度传感器的典型结构。

本发明的制备方法完全与CMOS工艺的标准流程兼容，利用MEMS工艺即可制备出该湿度传感器。也就是说，本发明的制备方法是一种与CMOS工艺兼容的无源无线电容式湿度传感器，可以采用CMOS标准工艺和MEMS关键工艺，因此制成的湿度传感器具有一致性好，成本低的优点。

本发明的制备方法制成的湿度传感器由电感、电容全无源元件构成，利用不同的敏感电容检测湿度的变化，利用电感耦合输出信号。该湿度传感器测量湿度的时候，采用非接触测量，利用结构的感应信号作为输出信号。该湿度传感器省去传感器输出引线，有利于无线传感器的应用。同时该湿度传感器通过谐振频率来得到湿度的变化，传感器体积小、功耗低、适用于恶劣环境应用。

Claims

1.一种无源无线电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）采用热氧化工艺，在硅衬底（1）上热氧化生长一层热氧化层（2）；

步骤20）采用低压化学气相淀积法，在步骤10）制备的热氧化层（2）上淀积一层多晶硅层（3），并采用光刻工艺，在多晶硅层（3）上光刻多晶硅加热电阻（8）；

步骤30）采用低压化学气相淀积法，在步骤20）制成的多晶硅层（3）淀积二氧化硅层（4），利用反应离子刻蚀法，在二氧化硅层（4）上刻蚀接触孔，该接触孔位于多晶硅加热电阻（8）的末端；

步骤40）采用溅射工艺，在步骤30）制成的二氧化硅层（4）的顶面溅射一铝层（5），然后采用光刻工艺，在铝层（5）上刻蚀梳齿状电极（9）、金属引线锚区、金属电感（11）和加热电阻锚区（14）；

步骤50）利用等离子体增强化学气相沉积法，在步骤40）制成的铝层（5）上方淀积一层钝化层（6）；

步骤60）利用反应离子刻蚀法，将位于电极（9）上方以及位于电极（9）侧壁的钝化层刻蚀去除，然后采用刻蚀法，对位于被刻蚀的钝化层下方的二氧化硅层（4）进行刻蚀，在二氧化硅层（4）上形成凹槽，最后采用旋涂工艺，在电极（9）上方和电极（9）侧壁上，填充聚酰亚胺层（7），制成无源无线电容式湿度传感器。

2.按照权利要求1所述的无源无线电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤40）中，电极（9）位于多晶硅加热电阻（8）的正上方。

3.按照权利要求1所述的无源无线电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤40）中，金属电感（11）呈环形，梳齿状电极（9）位于金属电感（11）的中部，金属引线锚区位于金属电感（11）的外侧。