CN103645219B - 多量程cmos mems电容式湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征是：包括多个连接在一起的传感器单元，所述传感器单元包括一对叉指状的上电极和下电极，下电极穿过SiO2氧化层设置在硅基底的同一表面上，上电极位于下电极的上方，上电极的叉指与下电极的叉指在高度方向上重合，在上电极和下电极之间、上电极的叉指之间、下电极的叉指之间填充湿度敏感介质；在所述上电极的上方设置铝条，铝条位于上电极、下电极的叉指之间，在铝条和上电极之间填充湿度敏感介质；在所述上电极和下电极正下方的硅基底上形成空腔，使下电极以及下电极叉指间的湿度敏感介质直接与空气接触；所述传感器单元由铝条串联在一起。本发明提高了电容式压力传感器的灵敏度和测量范围。

Description

多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器，尤其是一种多量程并与CMOS工艺兼容的电容式湿度传感器，属于MEMS器件设计制造技术领域。
背景技术
湿度测量是MEMS 技术的一个主要应用方面，湿度的检测和控制技术已经获得广泛应用。比如军事，气象，农业，工业（特别是纺织，电子，食品），医疗，建筑以及家用电器等方面需要对湿度进行严格监测，有些场合甚至需要对湿度进行控制和报警，比如空气调节系统，温室控制系统，仓库监测系统。对湿度监测，控制的需要促进了对湿度传感器的研究进展。
电容式的单片集成湿度传感器采用铝叉指结构，叉指结构湿度传感器电容式湿度传感器是硅微湿度传感器的一种多量程主要类型，其基本原理是将湿度变化转换为电容的变化。在叉指状电容器以及电阻条上面覆盖一层感湿介质层－聚酰亚胺，当外界环境中的相对湿度发生变化，感湿材料吸附/脱附空气中的水汽分子，使得聚酰亚胺的介电常数发生变化，从而引起叉指电容值的改变。湿敏电容值减小。通过电容检测电路就可以将电容值转化为电压或电流信号进行输出。
传统湿度传感器制备均采用 MEMS 体硅加工工艺，工艺复杂，加工成本昂贵，并且很难实现标准化。传统电容式压力传感器芯片主要缺点：（1）无法使其与CMOS工艺兼容，传感器芯片的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势；（2）单一的量程，只能针对某一特定的量程范围进行测试，使其不能得到最大限度的使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器，该传感器灵敏度高，量程范围大，并且提高了可制造性，制造成本低。
按照本发明提供的技术方案，所述多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征是：包括多个连接在一起的传感器单元，所述传感器单元包括一对叉指状的上电极和下电极，下电极穿过SiO2氧化层设置在硅基底的同一表面上，上电极位于下电极的上方，上电极的叉指与下电极的叉指在高度方向上重合，在上电极和下电极之间、上电极的叉指之间、下电极的叉指之间填充湿度敏感介质；在所述上电极的上方设置铝条，铝条位于上电极、下电极的叉指之间，在铝条和上电极之间填充湿度敏感介质；在所述上电极和下电极正下方的硅基底上形成空腔，使下电极以及下电极叉指间的湿度敏感介质直接与空气接触；所述传感器单元由铝条串联在一起。
所述每个传感器单元分别由压焊块连接在硅基底上表面。
每个传感器单元的叉指面积不同。
所述上电极和下电极采用金属铝。
所述湿度敏感介质为聚酰亚胺。
本发明的有益效果是：本发明所述多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器响应迅速，灵敏度高，输出范围宽，耐高温，湿滞误差小，温度特性和长期稳定性好；本发吸与 CMOS 工艺完全兼容，并利用电路工艺加工在先，后处理工艺在后的方式，保证了CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和打断，易于实现批量化制造以及传感器的微型化和智能化；本发明提高了电容式压力传感器的灵敏度和测量范围，采用了不同膜面积的六个压力传感器进行分段压力测量的方式，从而通过一个传感器阵列来提高测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足。
附图说明
图1为本发明所述湿度传感器的俯视图。
图2为本发明所述传感器单元的剖视图。
图3为图2的剖视图。
图中的序号为：下电极1、上电极2、铝条3、湿度敏感介质7、硅基底8、空腔9、SiO2氧化层10、压焊块11、传感器单元12。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1所示：所述多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器包括六个连接在一起的传感器单元12；如图2、图3所示，所述传感器单元12包括一对叉指状的上电极2和下电极1，下电极1穿过SiO2氧化层10设置在硅基底8的同一表面上，上电极2位于下电极1的上方，上电极2的叉指与下电极1的叉指在高度方向上重合，在上电极2和下电极1之间、上电极2的叉指之间、下电极1的叉指之间填充湿度敏感介质7；在所述上电极2的上方设置铝条3，铝条3位于上电极2、下电极1的叉指之间，在铝条3和上电极2之间填充湿度敏感介质7；在所述上电极2和下电极1正下方的硅基底8上形成空腔9，下电极1以及下电极1叉指间的湿度敏感介质7可以直接与空气接触；所述传感器单元12由铝条3串联在一起，铝条3可以对上电极2、下电极1叉指间的湿度敏感介质7起到加速脱湿的功效；
所述上电极2和下电极1采用金属铝；所述湿度敏感介质7为聚酰亚胺；
所述每个传感器单元12分别由压焊块11连接在硅基底8上表面，每个传感器单元12的叉指面积、数量不同，可以分别用于不同范围的湿度测量。
制备上述多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器的方法，采用以下工艺步骤：
（1）在硅基底8上生长一层SiO2形成SiO2氧化层10，在SiO2氧化层10上溅射金属铝，并刻蚀形成下电极1；
（2）采用旋涂法旋涂一层聚酰亚胺，再溅射金属铝，并刻蚀形成上电极2，上电极2的叉指与下电极1的叉指在高度方向上重合；
（3）再采用刻涂法旋涂一层聚酰亚胺，然后溅射金属铝，并刻蚀形成铝条3，铝条3位于上电极2、下电极1的叉指之间；
（4）在硅基底8的背面淀积一层氮化硅阻挡层，并在硅底底8上刻蚀出腐蚀窗口，然后利用硅的各向异性腐蚀从硅基底8的背面向SiO2氧化层10方向腐蚀，选用的腐蚀溶液对SiO2氧化层10的腐蚀速率远小于该腐蚀溶液对硅基底8的腐蚀速率，当硅基底8腐蚀到SiO2氧化层10下表面时，第一步腐蚀结束；第二步腐蚀将SiO2氧化层10腐蚀至下电极1的下表面；两步腐蚀完成后在下电极1下部的硅基底8上形成空腔9，并且下电极1以及下电极1叉指间的湿度敏感介质能够与空气接触；
（5）最后再将硅底8背面的氮化硅阻挡层去除。
本发明采用了不同叉指面积的六个湿度传感器进行分段湿度测量的方式，从而通过一个传感器阵列来提高测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足。在工作时，环境中的湿气被上电极和下电极之间的湿度敏感介质吸附/脱附从而使得上电极和下电极间介质介电常数发生变化，产生相应的电容值变化，电容值随着湿度变化单调变化，电容值与湿度值相互对应，形成由湿度到电容的传感转换功能。在某一湿度情况下，部分传感器单元已经饱和，而部分传感器单元在此压力情况下变形很小，此时就可以选择需要挑需合适的传感器单元作为测量单元，以实现一定的灵敏度，采用这种方法设计的传感器可以在测量范围和灵敏度之间选择，实现了传感器的智能化。
本发明在传统电容式压力传感器芯片结构的基础上，选定了基于标准 CMOS 工艺的电容式湿度传感器并实现多个单元电容传感器的集合，形成了大量程电容式压力传感器阵列，它具有多方面的优势。一方面CMOS 技术是目前 IC 制造的主流技术，其加工技术先进而且成熟、规范和标准化，一旦所研制的器件成功，即可批量生产；而且CMOS MEMS 容易将 MEMS 器件与电路单片集成；另一方面本发明采用了多个不同尺寸的电容压力传感器单元实现多量程，并利用电路工艺加工在先，后处理工艺在后的方式，保证了CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和打断；具有较大的测量范围、较高的灵敏度、较低的温度偏移系数、更加坚固的结构以及更低的功耗等。

Claims (1)

1.一种多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征是：包括多个连接在一起的传感器单元（12），所述传感器单元（12）包括一对叉指状的上电极（2）和下电极（1），下电极（1）设置在SiO2氧化层（10）上，SiO2氧化层（10）设置在硅基底（8）上，上电极（2）位于下电极（1）的上方，上电极（2）的叉指与下电极（1）的叉指在高度方向上重合，在上电极（2）和下电极（1）之间、上电极（2）的叉指之间、下电极（1）的叉指之间填充湿度敏感介质（7）；在所述上电极（2）的上方设置铝条（3），在铝条（3）和上电极（2）之间填充湿度敏感介质（7）；在所述上电极（2）和下电极（1）正下方的硅基底（8）上形成空腔（9），使下电极（1）以及下电极（1）叉指间的湿度敏感介质（7）直接与空气接触；所述传感器单元（12）由铝条（3）串联在一起；
制备上述多量程CMOS MEMS电容式湿度传感器的方法，采用以下工艺步骤：
（1）在硅基底（8）上生长一层SiO2形成SiO2氧化层（10），在SiO2氧化层（10）上溅射金属铝，并刻蚀形成下电极（1）；
（2）采用旋涂法在SiO2氧化层（10）上方旋涂一层聚酰亚胺，再溅射金属铝，并刻蚀形成上电极（2），上电极（2）的叉指与下电极（1）的叉指在高度方向上重合；
（3）再采用刻涂法在上电极（2）上方旋涂一层聚酰亚胺，然后溅射金属铝，并刻蚀形成铝条（3），铝条（3）位于上电极（2）、下电极（1）的叉指之间；
（4）在硅基底（8）的背面淀积一层氮化硅阻挡层，并在硅基底（8）上刻蚀出腐蚀窗口，然后利用硅的各向异性腐蚀从硅基底（8）的背面向SiO2氧化层（10）方向腐蚀，选用的腐蚀溶液对SiO2氧化层（10）的腐蚀速率远小于该腐蚀溶液对硅基底（8）的腐蚀速率，当硅基底（8）腐蚀到SiO2氧化层（10）下表面时，第一步腐蚀结束；第二步腐蚀将SiO2氧化层（10）腐蚀至下电极（1）的下表面；两步腐蚀完成后在下电极（1）下部的硅基底（8）上形成空腔（9），并且下电极（1）以及下电极（1）叉指间的湿度敏感介质能够与空气接触；
（5）最后再将硅底（8）背面的氮化硅阻挡层去除；
所述每个传感器单元（12）分别由压焊块（11）连接在硅基底（8）上表面；每个传感器单元（12）的叉指面积不同；
所述湿度敏感介质（7）为聚酰亚胺。
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