CN104634833B - Mems电容式相对湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS电容式相对湿度传感器及其制备方法，属于半导体芯片技术，该MEMS电容式相对湿度传感器由于通过绝缘支撑体支撑电容上极板，减小了电容上极板与湿度敏感层之间的距离，又电容上极板与湿度敏感层之间形成有空气间隙，且在电容上极板上开设若干将所述空气间隙与外部连通的通孔，使湿度敏感层的上表面完全与空气接触，水汽分子扩散距离短，因此，湿度敏感层退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差，该制备方法所制成的MEMS电容式相对湿度传感器湿度敏感层退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差。

Description

MEMS电容式相对湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS电容式相对湿度传感器及其制备方法，属于半导体芯片技术。

背景技术

湿度传感器广泛应用于国防航空、气象检测、工业控制、农业生产等多个领域。近年来，微型化的湿度传感器已逐渐成为市场的主流。现有的微型湿度传感器主要有电容式、电阻式、压阻式等类型。电容式湿度传感器因具有功耗小、成本低等优点，已被商用领域普遍应用。MEMS技术的发展则对一些高性能湿度传感器的设计、制造提供了平台，这些高性能的湿度传感器包括快速响应，低温漂，高灵敏度等类型，可满足相应需求。另外，迟滞误差也是衡量湿度传感器性能优劣的重要参数，是研究的热点。

中国专利申请第CN 103076372A号中提到一种电容式湿度传感器，从下到上依次包括下部硅片、下加热器、下金属层、下钝化层、下感湿材料层、上感湿材料层、上钝化层、上金属层和上部硅片；下部硅片上设有下硅片绝缘层，下加热器设在下硅片绝缘层上，且在下加热器之间及其上方设有下加热器绝缘层；下加热器绝缘层、下金属层、下钝化层和下干湿材料层从下至上依次相连；上部硅片上设有上硅片绝缘层，且上硅片绝缘层、上金属层、上钝化层和上干湿材料层从上至下依次相连；下感湿材料层和上感湿材料层之间设有空气间隙；下金属层和上金属层之间有铟凸点键合。该发明提供了一种电容式湿度传感器，其加热均匀，能克服纵向温度梯度带来的温度不均匀性，温度分布易控制，响应速度快。

中国专利申请第CN 103698367A号中提到一种加热式湿度传感器，包括：衬底(1)，还包括：湿度敏感电容和加热电路。衬底(1)为方形薄片，作为支撑结构置于最底层。加热电路环绕于湿度敏感电容的周围。两只加热式湿度传感器同时使用，一只加热除湿以及降温的过程中，另一只进行湿度测量；一个工作周期后两只互换工作方式。加热式湿度传感器的制作方法具体步骤为：选择衬底(1)；制作加热电路；制作电容下电极(7)；制作电容感湿介质层(12)；制作电容上电极(13)。该发明在50℃～-90℃的环境温度范围内，湿度测量范围为0％～100％RH，湿度测量误差小于±3％，湿度分辨率小于0.1％，常温环境响应时间低于1s。

中国专利第CN 1327215C号中提到一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容的相对湿度传感器，由衬底，氧化层，电容下极板，电容上极板组成，氧化层设在衬底上，电容下极板平铺于氧化层上，电容上极板位于衬底和氧化层的上方；该发明具有制作方法和结构简单，温度漂移小，抗干扰能力强，有效降低生产成本，具有响应迅速，有利于后续电子电路的检出等优点。

与梳齿状电容式湿度传感器相比，三明治结构的湿度传感器具有高灵敏度的优点，被广泛应用，但由于其响应速度较慢，很难应用到要求快速响应的场合。典型的如专利CN 103698367A中涉及的一种加热式湿度传感器，传感器部分为三明治结构，上电极直接覆盖在湿度敏感介质上，虽然上电极上分布透气孔，水汽分子需要先纵向扩散再横向扩散，继而均匀分布在湿度敏感介质中，这种先纵向再横向扩散的方式限制了响应时间的缩短。为了加快三明治结构湿度传感器的响应时间，专利CN 1327215C中设计了一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容的相对湿度传感器，直接采用空气作为湿度敏感介质，但由于空气的相对介电常数随湿度变化很小，所以传感器的灵敏度会很小，不便于检测。为了在确保高灵敏度的同时，缩短响应时间，专利CN 103076372A中设计了一种电容式湿度传感器，湿度敏感介质一侧表面直接与空气接触，水汽分子扩散距离短，响应速度快，但由于采用凸点键合技术，电容上下极板的间距难以精确控制，另外，该器件的整体厚度很难做小，限制其在超薄场合的应用。所以，本发明需要解决的主要问题是，在不增加器件整体厚度及确保高灵敏度的同时，缩短响应时间。

专利CN 103698367A中涉及的一种加热式湿度传感器，其加热电路分布在湿度敏感单元周围，牺牲了一部分芯片面积。所以，本发明一并要解决的问题是在不增加芯片面积的情况下，同时利用电容下电极作为加热模块，减小迟滞误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS电容式相对湿度传感器，其灵敏度高，响应速度快，迟滞误差小。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种MEMS电容式相对湿度传感器，包括具有正面和背面的衬底、设置于所述衬底正面的电容下极板及设置在所述电容下极板上方的电容上极板，还包括支撑所述电容上极板的绝缘支撑体和淀积在电容下极板上的湿度敏感层，所述电容上极板位于所述湿度敏感层上方，且电容上极板与湿度敏感层之间形成有空气间隙，所述电容上极板上开设有若干将所述空气间隙与外部连通的通孔。

进一步的，所述MEMS电容式相对湿度传感器还包括设置在所述绝缘支撑体上的钝化总层，所述钝化总层包裹所述电容上极板。

进一步的，所述钝化总层包括设置在绝缘支撑体上的第一钝化层和设置在第一钝化层上的第二钝化层，所述电容上极板夹持在第一钝化层和第二钝化层之间。

进一步的，所述衬底正面与电容下极板之间设置有第一绝缘层。

进一步的，所述电容下极板为多晶硅电极，所述多晶硅电极具有电阻引出端，所述电容上极板为铝电极，所述铝电极具有电极引出端。

进一步的，所述绝缘支撑体设置在湿度敏感层的外侧。

本发明还提供了一种MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1：提供具有正面和背面的衬底；

S2：在所述衬底的正面形成电容下极板，所形成的电容下极板具有电阻引出端；

S3：在所述电容下极板上形成湿度敏感层；

S4：淀积形成绝缘层，光刻并刻蚀露出电容下极板的电阻引出端，所述绝缘层的正投影面积大于所述湿度敏感层的正投影面积，且所述绝缘层将所述湿度敏感层覆盖；

S5：在绝缘层上形成电容上极板，光刻并刻蚀形成电容上极板和电容下极板的电阻引出端，及在电容上极板上光刻并刻蚀形成若干通孔，所形成的电容上极板具有电极引出端，所述电容上极板位于所述湿度敏感层的正上方；

S6：旋涂一层光刻胶，光刻露出湿度敏感层上方的通孔，利用化学试剂沿通孔腐蚀电容上极板与湿度敏感层之间的绝缘层，去除光刻胶。

进一步的，所述电容下极板为多晶硅电极，所述电容上极板为铝电极，所述步骤S4和步骤S5之间还包括：在所述绝缘层上形成第一钝化层，光刻并刻蚀露出电容下极板的电阻引出端；在所述步骤S5中，所述电容上极板形成在第一钝化层上；所述步骤S5和步骤S6之间还包括：在所述电容上极板上形成第二钝化层，光刻并刻蚀露出电容上极板的通孔所对应的氧化层和电极引出端，电容上极板的通孔的侧壁上的第二钝化层保留；在所述步骤S6中，所述光刻胶旋涂在第二钝化层上。

进一步的，所述步骤S1还包括，在所述衬底的正面上生长一层氧化层以形成第一绝缘层；在所述步骤S2中，所述电容下极板形成在第一绝缘层上。

进一步的，在所述步骤S3中，所述电容下极板未全覆盖第一绝缘层。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的MEMS电容式相对湿度传感器由于通过绝缘支撑体支撑电容上极板，减小了电容上极板与湿度敏感层之间的距离，又电容上极板与湿度敏感层之间形成有空气间隙，且在电容上极板上开设若干将空气间隙与外部连通的通孔，使湿度敏感层的上表面完全与空气接触，水汽分子扩散距离短，因此，湿度敏感层退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差。本发明的MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法通过在形成湿度敏感层后再形成绝缘层，最后形成电容上极板后通过化学试剂沿电容上极板的通孔腐蚀掉电容上极板与湿度敏感层之间的绝缘层，从而使所制成的MEMS电容式相对湿度传感器在使用时，湿度敏感层的上表面完全与空气接触，水汽分子扩散距离短，实现湿度敏感层退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明MEMS电容式相对湿度传感器的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，本发明一较佳实施例所述的一种MEMS电容式相对湿度传感器包括具有正面11和背面12的衬底1、设置于所述衬底1正面11的电容下极板2及设置在所述电容下极板2上方的电容上极板3、支撑所述电容上极板3的绝缘支撑体4和淀积在电容下极板2上的湿度敏感层5、设置在衬底1正面11和电容下极板2之间的第一绝缘层6及设置在所述绝缘支撑体4上的钝化总层7。在本实施例中，所述衬底1为硅衬底掺杂。由于采用此种衬底1，所以，需要在衬底1正面11和电容下极板2之间设置第一绝缘层6，以起到绝缘作用，当然，在其他实施方式中，该衬底1可以采用非导电性材料，如玻璃衬底或不含掺杂的硅衬底，此时，可以不设置第一绝缘层6。在本实施例中，所述绝缘支撑体4设置在湿度敏感层5的外侧。所述第一绝缘层6和支撑体4均为二氧化硅，所述湿度敏感层5为聚酰亚胺。

所述电容上极板3位于所述湿度敏感层5上方，且电容上极板3与湿度敏感层5之间形成有空气间隙8，所述电容上极板3上开设有若干将所述空气间隙8与外部连通的通孔9。所述钝化总层7包裹所述电容上极板3，所述钝化总层7包括设置在绝缘支撑体4上的第一钝化层71和设置在第一钝化层71上的第二钝化层72，所述电容上极板3夹持在第一钝化层71和第二钝化层72之间，所述第一钝化层71和第二钝化层72为氮化硅，通过该第一钝化层71和第二钝化层72可保护电容上极板3，提高电容上极板3的机械强度，同时防止电容上极板3被空气、水等氧化和腐蚀。

在本实施例中，所述电容下极板2为多晶硅电极，所述电容上极板3为铝电极，所述多晶硅电极2具有电阻引出端(未图示)，所述铝电极具有电极引出端(未图示)，在使用时，该多晶硅电极2作为加热电阻，将该MEMS电容式相对湿度传感器的工作过程拆分为若干个周期，因此，湿度敏感层5退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差，将湿度检测和加热退湿分开进行，是考虑到湿度敏感层5的温度升高后，在同样的湿度条件下，湿度敏感层5的吸湿能力减弱，MEMS电容式相对湿度传感器的灵敏度降低，不利于检测，在某些全时段检测场合，可以采用两个MEMS电容式相对湿度传感器同时工作，其中一个处于检测状态时，另一个处于加热退湿状态，交替进行。

请结合图1，本发明一较佳实施例所述的一种MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

第一步：提供具有正面11和背面12的衬底1，在所述衬底1的正面11上生长一层二氧化硅以形成第一绝缘层6；

第二步：利用低压力化学气相沉积法(LPCVD)在第一绝缘层6上沉积多晶硅并掺杂，再光刻并刻蚀形成电容下极板2，所形成的电容下极板2具有电阻引出端，所述电容下极板2未全覆盖第一绝缘层6；

第三步：在所述电容下极板2上旋涂一层聚酰亚胺，光刻并刻蚀聚酰亚胺，亚胺化，以形成湿度敏感层5；

第四步：利用低温化学气相沉积工艺沉积一层二氧化硅，形成第二绝缘层，光刻并刻蚀露出电容下极板2的电阻引出端，该第二绝缘层的正投影面积大于所述湿度敏感层5的正投影面积，且所述第二绝缘层将所述湿度敏感层5覆盖；

第五步：利用低温化学气相沉积工艺在第二绝缘层上沉积一层氮化硅，以形成第一钝化层71，光刻并刻蚀露出电容下极板2的电阻引出端；

第六步：在第一钝化层71上溅射铝，光刻并刻蚀形成电容上极板3和电容下极板2的电阻引出端，及在电容上极板3上光刻并刻蚀形成若干通孔9，所形成的电容上极板3具有电极引出端，所述电容上极板3位于所述湿度敏感层5的正上方；

第七步：利用低温化学气相淀积工艺淀积一层氮化硅，以形成第二钝化层72，光刻并刻蚀露出电容上极板3的通孔9所对应的氧化层和电极引出端，电容上极板3的通孔9的侧壁上的第二钝化层72保留；

第八步：旋涂一层光刻胶，光刻露出湿度敏感层5上方的通孔9，利用化学试剂沿通孔9腐蚀电容上极板3与湿度敏感层5之间的第二绝缘层，形成空气间隙8，同时未被腐蚀的第二氧化层形成绝缘支撑柱4，再利用乙酸乙酯去除光刻胶，清洗，干燥。

在上述实施例中，所述衬底1所采用的材料为硅并掺杂，由于采用了此种材料，所以，需要在衬底1的正面11生长第一绝缘6以绝缘，而在其他实施方式中，如果衬底1采用非导电性材料，如玻璃衬底1，则可以免除在衬底1的正面11生长第一绝缘层6。上述实施例中，所述电容上极板3为铝电极，电容下极板2为多晶硅电极，由于铝电极2易氧化和被腐蚀，所以，通过第五步和第七步以形成第一钝化层71和第二钝化层72，该第一钝化层71和第二钝化层72可命名为钝化总层7，当然，在其他实施方式中，也可以不形成第一钝化层71和第二钝化层72。上述电容上极板3和电容下极板2也可以采用其他材料。

综上所述，上述MEMS电容式相对湿度传感器由于通过绝缘支撑体4支撑电容上极板3，减小了电容上极板3与湿度敏感层5之间的距离，又电容上极板3与湿度敏感层5之间形成有空气间隙8，且在电容上极板3上开设若干将所述空气间隙8与外部连通的通孔9，使湿度敏感层5的上表面完全与空气接触，水汽分子扩散距离短，因此，湿度敏感层5退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差。上述MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法通过在形成湿度敏感层5后再形成第二绝缘层，最后形成电容上极板3后通过化学试剂沿电容上极板3的通孔9腐蚀掉电容上极板3与湿度敏感层5之间的第二绝缘层，形成空气间隙8，从而使所制成的MEMS电容式相对湿度传感器在使用时，湿度敏感层5的上表面完全与空气接触，水汽分子扩散距离短，实现湿度敏感层5退湿均匀，且退湿速度快，可以有效减少自然退湿时所产生的迟滞误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MEMS电容式相对湿度传感器，包括具有正面和背面的衬底、设置于所述衬底正面的电容下极板及设置在所述电容下极板上方的电容上极板，其特征在于：还包括支撑所述电容上极板的绝缘支撑体和淀积在电容下极板上的湿度敏感层，所述电容上极板位于所述湿度敏感层上方，且电容上极板与湿度敏感层之间形成有空气间隙，所述电容上极板上开设有若干将所述空气间隙与外部连通的通孔，所述MEMS电容式相对湿度传感器还包括设置在所述绝缘支撑体上的钝化总层，所述钝化总层包裹所述电容上极板，所述电容下极板为多晶硅电极，该多晶硅电极作为加热电阻。

2.根据权利要求1所述的MEMS电容式相对湿度传感器，其特征在于：所述钝化总层包括设置在绝缘支撑体上的第一钝化层和设置在第一钝化层上的第二钝化层，所述电容上极板夹持在第一钝化层和第二钝化层之间。

3.根据权利要求1所述的MEMS电容式相对湿度传感器，其特征在于：所述衬底正面与电容下极板之间设置有第一绝缘层。

4.根据权利要求1所述的MEMS电容式相对湿度传感器，其特征在于：所述电容下极板为多晶硅电极，所述多晶硅电极具有电阻引出端，所述电容上极板为铝电极，所述铝电极具有电极引出端。

5.根据权利要求1所述的MEMS电容式相对湿度传感器，其特征在于：所述绝缘支撑体设置在湿度敏感层的外侧。

6.一种MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：提供具有正面和背面的衬底；

S2：在所述衬底的正面形成电容下极板，所形成的电容下极板具有电阻引出端；

S3：在所述电容下极板上形成湿度敏感层；

S4：淀积形成绝缘层，光刻并刻蚀露出电容下极板的电阻引出端，所述绝缘层的正投影面积大于所述湿度敏感层的正投影面积，且所述绝缘层将所述湿度敏感层覆盖；

S5：在绝缘层上形成电容上极板，光刻并刻蚀形成电容上极板和电容下极板的电阻引出端，及在电容上极板上光刻并刻蚀形成若干通孔，所形成的电容上极板具有电极引出端，所述电容上极板位于所述湿度敏感层的正上方；

S6：旋涂一层光刻胶，光刻露出湿度敏感层上方的通孔，利用化学试剂沿通孔腐蚀电容上极板与湿度敏感层之间的绝缘层，去除光刻胶。

7.根据权利要求6所述的MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述电容下极板为多晶硅电极，所述电容上极板为铝电极，所述步骤S4和步骤S5之间还包括：在所述绝缘层上形成第一钝化层，光刻并刻蚀露出电容下极板的电阻引出端；在所述步骤S5中，所述电容上极板形成在第一钝化层上；所述步骤S5和步骤S6之间还包括：在所述电容上极板上形成第二钝化层，光刻并刻蚀露出电容上极板的通孔所对应的氧化层和电极引出端，电容上极板的通孔的侧壁上的第二钝化层保留；在所述步骤S6中，所述光刻胶旋涂在第二钝化层上。

8.根据权利要求6所述的MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1还包括，在所述衬底的正面上生长一层氧化层以形成第一绝缘层；在所述步骤S2中，所述电容下极板形成在第一绝缘层上。

9.根据权利要求6所述的MEMS电容式相对湿度传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述电容下极板未全覆盖第一绝缘层。