一种MEMS湿度传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种MEMS湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度是表征水蒸气在大气中含量的一个参数,一般表示为相对湿度(%RH),其值代表了空气中水蒸气的压力和相同温度下饱和水蒸气压力的比值。空气湿度与民众日常工作、生活和生产有着直接的联系,所以对于湿度的监测与控制显得越来越重要。然而,湿度的测量会受到其它因素(大气压强、温度)的影响,同时其校准也是一个难题,因此可以说,在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的参数之一。人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现阶段的实际需要。所以一直以来国内外对于湿度传感器的研究都比较活跃。
随着人类步入信息时代,MEMS传感器作为捕捉信息的器件也随之迅速发展,在现代高度信息化的社会科技发展中占据着相当重要的地位。目前,湿度传感器已经在包括精密电子元件制造,航天导弹、火箭的储存,粮食的防霉,高空气象探测,农业种植等许多领域获得了广泛的应用。湿度传感器品种繁多,但就其所使用的感湿材料而言,主要有电解质和高分子化合物感湿材料、半导体陶瓷材料以及元素半导体和多孔金属氧化物半导体材料等。不过,电解质湿度传感器的测量范围窄、可重复性差,并且其使用寿命也较短;高分子化合物湿度传感器具有感湿性能好、灵敏度高等优点,但在高温和高湿条件下其性能降低、稳定性变差、抗腐蚀和抗沾污能力也减弱;半导体陶瓷材料湿度传感器具有感湿性能较好、生产简单、成本低廉、响应时间短、可加热清洗等优点,但这类传感器的精确度较低、高温下性能也较差、难以实现集成化;与以上多种感湿材料相比,多孔金属氧化物湿度传感器具有响应速度快、化学稳定性较好、承受高温和低温能力强,以及可集成化等优点,然而其实现工艺与常规的微电子工艺难以很好地实现兼容。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种结构简单、灵敏度高、工艺兼容性强、适用范围广的MEMS湿度传感器。
本发明的再一个目的是提出一种制造工艺简单、易于实现的MEMS湿度传感器的制备方法。
为达此目的,一方面,本发明采用以下技术方案:
一种MEMS湿度传感器,包括支撑基底、设置于支撑基底上的电隔离层以及设置于电隔离层上的梳齿组件,所述梳齿组件间设置有加热电阻条,所述加热电阻条上覆盖有纳米纤维体。
优选的,所述梳齿组件包括设置于电隔离层上的第一梳齿连接电极、第一梳齿、第二梳齿连接电极和第二梳齿,所述第一梳齿连接电极连接有第一梳齿测试电极,所述第二梳齿连接电极连接有第二梳齿测试电极,所述第一梳齿测试电极经电极连接线与第一传导电极连接,所述第二梳齿测试电极经电极连接线连接第二传导电极;
所述支撑基底的上表面被部分腐蚀,所述第一传导电极和第二传导电极的外侧至少部分悬置于所述支撑基底的被腐蚀部分之上;
所述第一梳齿和第二梳齿相互错位设置,所述加热电阻条沿所述第一梳齿和第二梳齿之间的间隙环绕连接分布,所述加热电阻条与所述第一梳齿和第二梳齿均不接触。
优选的,所述加热电阻条的厚度为300纳米到2微米,宽度为800纳米到45微米。
优选的,所述纳米纤维体的高度与所述第一梳齿连接电极、第一梳齿、第二梳齿连接电极和第二梳齿的高度相同。
优选的,所述第一梳齿连接电极、第一梳齿、第二梳齿连接电极和第二梳齿的宽度为1-10微米,高度为1-20微米。
优选的,所述第一梳齿和第二梳齿的长度为5-500微米,间隙为1-50微米,对数为1-500。
另一方面,本发明采用以下技术方案:
一种上述的MEMS湿度传感器的制备方法,所述纳米纤维体由等离子体轰击聚合物材料获得。
优选的,所述方法包括:
步骤1、提供衬底;在所述衬底的表面上设置电隔离层;
步骤2、刻蚀所述电隔离层,以在衬底上方形成衬底接触窗口,所述衬底接触窗口贯通所述电隔离层;
步骤3、在开设了衬底接触窗口的衬底上方溅射第一金属层,刻蚀所述第一金属层,以在第一梳齿和第二梳齿之间设置S型加热电阻条,在S型加热电阻条两端设置供电电极,在第一梳齿连接电极和第二梳齿连接电极外分别设置第一梳齿测试电极、第二梳齿测试电极、电极连接线、第一传导电极和第二传导电极,所述第一传导电极和第二传导电极的外侧至少部分位于衬底接触窗口上;
步骤4、在经刻蚀第一金属层之后的衬底上方旋涂光刻胶材料层,并通过光刻工艺在对应所需形成第一梳齿、第二梳齿、第一梳齿连接电极和第二梳齿连接电极的位置形成光刻胶材料层的开口图形;
步骤5、在形成了光刻胶材料层开口图形的衬底上溅射第二金属层,采用剥离工艺实现第二金属层的图形化;
步骤6、在形成第二金属层图形化的衬底上方旋涂一层聚合物,并在对应梳齿区域内除第一梳齿、第二梳齿、第一梳齿连接电极和第二梳齿连接电极外的位置形成聚合物的图形;
步骤7、利用电镀工艺在所述衬底上对应第二金属层的图形位置处电镀得到第三金属层;
步骤8、在聚合物的图形位置处通过等离子体轰击聚合物材料形成纳米纤维体;
步骤9、通过衬底释放窗口,在第一传导电极和第二传导电极下方均腐蚀衬底,使第一传导电极和第二传导电极均不与衬底电连通。
优选的,所述等离子体为氧等离子体和/或氩等离子体;
所述聚合物材料为聚酰亚胺、正性光刻胶、负性光刻胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或派瑞林(Parylene)。
优选的,所述电隔离层的材料为氧化硅或氮化硅;所述第一金属层的材料为金、铜、铝或铂;第二金属层的材料为铬、金、镍或铜;第三金属层的材料包括金、铜、铝或铂。
本发明的有益效果为:
(1)本发明MEMS湿度传感器利用纳米纤维体的亲水性,及其在吸附水分子后介电常数发生变化的特点,将其作为感湿与介质材料构建MEMS梳齿电容式湿度传感器结构,当纳米纤维体吸附水分子后,第一梳齿和第二梳齿之间的电容值将发生变化,本发明基于这一原理提出了新的湿度传感器结构,达到湿度探测的目的,结构简单,灵敏度高,工艺兼容性强,适用范围广,安全可靠。
(2)纳米纤维体通过等离子体轰击聚合物得到,结构中具有较大高度的梳齿和连接电极采用电镀工艺获得,制备工艺简单,易于实现,便于集成加工。
附图说明
图1为本发明实施例一MEMS湿度传感器的俯视图;
图2为本发明实施例一未显示纳米纤维体的MEMS湿度传感器的俯视图;
图3为本发明实施例一MEMS湿度传感器的剖面图;
图4为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中在衬底上设置电隔离层后的剖面示意图;
图5为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中在电隔离层上形成衬底接触窗口后的剖面示意图;
图6为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中在电隔离层上图形化第一金属层后的剖面示意图;
图7为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中在第一金属层上图形化光刻胶材料层后的剖面示意图;
图8为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中利用剥离工艺实现第二金属层图形化后的剖面示意图;
图9为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中形成聚合物图形化后的剖面示意图;
图10为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中利用电镀工艺在第二金属层的位置得到第三金属层的示意图;
图11为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中形成纳米纤维体后的剖面示意图;
图12为在实现本发明实施例一MEMS湿度传感器的步骤中断开第一传导电极和第二传导电极与衬底电连接后的剖面示意图;
图13为本发明实施例一在实现形成聚合物图形化这一步骤时的梳齿区域标示图。
图中,1、支撑基底;2、第一梳齿连接电极;3、第一梳齿;4、第二梳齿连接电极;5、第二梳齿;6、纳米纤维体;7、梳齿保护外层;8、加热电阻条;9、供电电极;10、第一梳齿测试电极;11、第二梳齿测试电极;12、电极连接线;13、第二传导电极;14、衬底释放窗口;15、第一传导电极;16、梳齿区域;101、衬底;102、电隔离层;201、衬底接触窗口;401、光刻胶材料层;402、梳齿及其连接电极位置;403、梳齿及其连接电极以外位置;501、第二金属层;601、聚合物。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一:
图1至3是本实施例提供的MEMS湿度传感器的结构示意图。如图所示,该MEMS湿度传感器包括支撑基底1、设置于支撑基底1上的电隔离层102以及设置于电隔离层102上的梳齿组件。
梳齿组件包括设置于电隔离层102上的第一梳齿连接电极2、第一梳齿3、第二梳齿连接电极4和第二梳齿5,所述第一梳齿连接电极2连接有第一梳齿测试电极10,所述第二梳齿连接电极4连接有第二梳齿测试电极11,所述第一梳齿测试电极10经电极连接线12连接第一传导电极15,第二梳齿测试电极11经电极连接线12连接第二传导电极13。第一梳齿3和第二梳齿5之间设置有加热电阻条8。
所述第一梳齿3和第二梳齿5相互错位设置,所述加热电阻条8沿所述第一梳齿3和第二梳齿5之间的间隙环绕连接分布,且加热电阻条8与第一梳齿3和第二梳齿5均不接触。所述加热电阻条8上覆盖有纳米纤维体6。
所述支撑基底1的上表面被部分腐蚀,第一传导电极15和第二传导电极13的外侧至少部分悬置于所述支撑基底1的被腐蚀部分之上。
第一梳齿连接电极2、第一梳齿3、第二梳齿连接电极4及第二梳齿5的宽度为1-10微米,高度为1-20微米,第一梳齿3和第二梳齿5的长度为5-500微米,间隙为1-50微米,对数为1-500。所述纳米纤维体6的高度与第一梳齿连接电极2、第一梳齿3、第二梳齿连接电极4及第二梳齿5的高度相当,为1-20微米。优选的,为最大限度地利用梳齿正对面积的纳米纤维体,纳米纤维体6的高度与第一梳齿连接电极2、第一梳齿3、第二梳齿连接电极4及第二梳齿5的高度相同。
加热电阻条8的厚度为300纳米到2微米,宽度为800纳米到45微米。
纳米纤维体6由等离子体轰击聚合物材料获得,所述等离子体为氧等离子体和/或氩等离子体,所述聚合物材料为聚酰亚胺、正性光刻胶、负性光刻胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、派瑞林(Parylene)或其它微电子工艺常用聚合物材料。
当该MEMS湿度传感器工作时,纳米纤维体6吸附水分子,其介电常数发生变化,从而由第一梳齿3和第二梳齿5构成的电容的电容值发生变化;当多个电容通过第一梳齿连接电极2及第二梳齿连接电极4相互并联时,在第一梳齿测试电极10和第二梳齿测试电极11之间测得的电容总值为各对梳齿电容值之和。在测试结束后,为供电电极供电,使加热电阻条8发热,继而使吸附在纳米纤维体6上的水分子蒸发,从而使传感器回复初始状态。
本实施例MEMS湿度传感器利用纳米纤维体的亲水性,及其在吸附水分子后介电常数发生变化的特点,将其作为感湿与介质材料构建MEMS梳齿电容式湿度传感器结构,当纳米纤维体吸附水分子后,第一梳齿和第二梳齿之间的电容值将发生变化,本发明基于这一原理提出了新的湿度传感器结构,达到湿度探测的目的,结构简单,灵敏度高,工艺兼容性强,适用范围广,安全可靠。
同时提出上述MEMS湿度传感器的制备方法,具体步骤如下:
步骤1、提供衬底101;在所述衬底101的表面上设置电隔离层102;
具体的,如图4所示,在衬底101的表面形成电隔离层102,形成电隔离层102例如通过干氧氧化的方式生长SiO2材料层来得到。电隔离层102的厚度为干氧氧化时温度为950℃,氧气的含量为60%;所述衬底101采用常规的材料,衬底101的材料包括硅。
步骤2、选择性地掩蔽和刻蚀上述电隔离层102,以在衬底101上方形成衬底接触窗口201,所述衬底接触窗口201贯通电隔离层102;
具体的,如图5所示,在电隔离层102的表面旋涂光刻胶,并通过光刻工艺在光刻胶上形成开口图形,随后利用反应离子刻蚀(RIE)SiO2的方法将光刻胶上的开口图形转移到电隔离层102上,形成位于电隔离层102上的开口图形,即衬底接触窗口201;利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除电隔离层102表面的光刻胶。其中,RIE电隔离层102的RF功率为300W,腔体压力为200mTorr,刻蚀气体为CF4、CHF3和He混合气体,对应的流量为10/50/12sccm(standard-statecubiccentimeterperminute)。
步骤3、在上述开设了衬底接触窗口201的衬底101上方溅射第一金属层,选择性地掩蔽和刻蚀上述第一金属层,以在第一梳齿3和第二梳齿5之间设置加热电阻条8,在加热电阻条8两端设置供电电极9,在第一梳齿连接电极2和第二梳齿连接电极4外分别设置第一梳齿测试电极10、第二梳齿测试电极11、电极连接线12、第一传导电极15及第二传导电极13,所述第一传导电极15和第二传导电极13的外侧至少部分位于衬底接触窗口201上;
具体的,如图6所示,在开设了衬底接触窗口201的衬底101上方溅射第一金属层,所述第一金属层的材料为Al,其厚度为1微米;通过光刻工艺使Al金属层在S型加热电阻条8、供电电极9、第一梳齿测试电极10、第二梳齿测试电极11、电极连接线12、第一传导电极15及第二传导电极13的位置图形化;随后采用有机清洗的方法去除衬底101上方的光刻胶。其中,Al金属的图形化采用Al腐蚀液湿法腐蚀来实现,Al腐蚀液中磷酸(浓度为60%~80%):醋酸(浓度为0.1%):硝酸(浓度为0.5%):水的比例为16:1:1:2。本发明具体实施时,金属层的材料也可以为钛、金、铂或铜,形成的第一梳齿测试电极10、第二梳齿测试电极11用于将整个器件的电容输出,形成的供电电极9用于给加热电阻条8加热,使被纳米纤维体6吸附的水分子被蒸发。
步骤4、在经刻蚀第一金属层之后的衬底上方旋涂光刻胶材料层401,并通过光刻工艺在对应所需形成第一梳齿3、第二梳齿5、第一梳齿连接电极2和第二梳齿连接电极4的位置形成光刻胶的开口图形;
具体的,如图7所示,在已经设置了第一金属层图形的衬底101上方旋涂光刻胶材料层401,并采用光刻技术实现光刻胶材料层401的图形化,使之在对应所需形成第一梳齿3、第二梳齿5、第一梳齿连接电极2和第二梳齿连接电极4的位置形成光刻胶材料层401的开口图形。
步骤5、在形成光刻胶材料层401开口图形的衬底101上溅射第二金属层501,采用剥离工艺实现第二金属层501的图形化;
具体的,如图8所示,在设置了光刻胶材料层401开口图形的衬底101上方溅射第二金属层501,所述第二金属层501的材料为Au,其厚度为100nm;将已经设置第二金属层501的基片在常温常压条件下浸没于丙酮溶液中一段时间,直至光刻胶材料层401完全溶于丙酮,实现第二金属层501的图形化。
步骤6、在形成第二金属层501图形化的衬底101上方旋涂一层聚合物601,并在对应梳齿区域16内除第一梳齿3、第二梳齿5、第一梳齿连接电极2和第二梳齿连接电极4外的位置形成聚合物601的图形,梳齿区域16为图13中虚线框出的区域;
具体的,如图9所示,在已经设置了第二金属层501图形的衬底101上方设置聚合物601;本实施例中所述聚合物601的材料为聚酰亚胺,厚度为8微米,在衬底101上方设置聚合物601过程中采用旋涂的方法;本实施例采用光刻技术实现聚合物601的图形化,使在对应梳齿区域16内除第一梳齿3、第二梳齿5、第一梳齿连接电极2和第二梳齿连接电极4外的位置形成聚合物601的图形,包括填充梳齿之间的间隙,形成梳齿保护外层7;所述梳齿保护外层7的作用是防止最外层梳齿、第一梳齿连接电极2外侧和第二梳齿连接电极4外侧在电镀过程中的横向生长,影响器件的结构和性能。
步骤7、利用电镀工艺在所述衬底101上对应第二金属层501的图形位置电镀得到一定厚度的第三金属层。
具体的,如图10所示,利用电镀工艺在所述衬底101上对应第二金属层501的图形位置电镀得到一定厚度的第三金属层。所述第三金属层的材料可以为金、铜、镍或铂,本实施例中第三金属层的材料为金;所述第三金属层的高度与聚合物的高度相当,为8微米。
步骤8、在聚合物601的图形位置形成纳米纤维体6。
具体的,通过等离子体轰击聚合物材料形成纳米纤维体6,等离子体为氧等离子体和/或氩等离子体,聚合物材料为聚酰亚胺、正性光刻胶、负性光刻胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、派瑞林(Parylene)或其它微电子工艺常用聚合物材料,例如,如图11所示,将所述已经实现了第三金属层的衬底101放置于等离子体机中,进行30分钟的氧等离子体轰击,直至所述聚合物601形成纳米纤维体6。其中,氧等离子体轰击的过程中RF功率为300W,氧气的流量为200sccm,腔体压力为5Pa。所述聚合物601通过氧等离子体轰击后形成的具有纳米纤维状的纳米纤维体6,所述纳米纤维体6具有亲水性质,且其介电常数在吸附水分子后将发生变化。
步骤9、通过衬底释放窗口14,在第一传导电极15和第二传导电极13下方均腐蚀衬底101,使第一传导电极15和第二传导电极13都不与衬底101电连通。
具体的,如图12所示,由于衬底101的材料为硅,采用XeF2干法刻蚀技术各向同性腐蚀器件结构中的衬底101,通过衬底释放窗口14向下同时横向腐蚀衬底101,一段时间后使第一传导电极15和第二传导电极13都不与衬底101相互电连通,继而得到本实施例MEMS湿度传感器的总体结构。本发明实施例中,第一传导电极15和第二传导电极13的横向尺寸均为10×10微米2,同时,第一传导电极15和第二传导电极13也可以是多个更小尺寸电极的组合。
本实施例MEMS湿度传感器的制备方法中通过等离子体轰击聚合物得到纳米纤维体,器件结构中具有较大高度的梳齿和梳齿连接电极采用电镀工艺获得,制备工艺简单,易于实现,便于集成加工。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。