CN104833710A - 一种无线无源mems湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线无源MEMS湿度传感器及其制备方法，所述传感器包括衬底，在衬底下方正中位置设空腔；在衬底的上表面由下至上依次设置下介质层、第一中间介质层、第二中间介质层、上介质层和吸湿层；在下介质层和第一中间介质层之间设置第一敏感电感和电容下级板，在第一中间介质层和第二中间介质层之间设置铁磁材料层，在第二中间介质层与上介质层之间设置有第二敏感电感和电容上极板，第一敏感电感的内侧端和第二敏感电感的内侧端通过连接柱连接。本发明提供的湿度传感器具有尺寸小、结构简单、加工方便、制作成本低、灵敏度高、线性度高及可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)湿度传感器，尤其涉及一种无线无源MEMS湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度传感器在航空航天、气象监测、工农业生产以及医疗诊断等国计民生领域应用广泛。MEMS湿度传感器采用微电子和微机械加工技术制造，与传统的湿度传感器(如干湿球)相比，它具有体积小、功耗低、一致性好以及易于集成和实现智能化的特点，因此是湿度传感器发展的主流方向之一。无线MEMS湿度传感器不需要连线即可与外部进行信号传输，具有使用灵活、操作方便的特点，此外在一些无法连线的环境(如密封环境)中，必须使用无线传感器。因此，无线MEMS湿度传感器是MEMS湿度传感器的一个重要分支。
对于无线传感器，传感器信号传输的方式包括有源和无源等两种传输方式，有源传输是指传感系统中带有电源，这种传输方式可以双向长距离传输传感器信号，但是体积大、系统复杂且需要更换电池；无源传输是指传感系统中无需使用电源，利用电感耦合或射频反射调制等机制进行信号传输，这种方式的信号传输距离较短，但是体积小、系统简单且不需要更换电池，理论上可以无限期工作，特别适合在密封容器等密闭环境以及高温等恶劣环境中应用。
无线无源MEMS湿度传感器主要由电容及电感(LC)连接组成：目前通常使用电容作为传感器的湿敏元件，环境中湿度变化会引起电容值发生变化，进而引起LC回路的谐振频率等电学参数发生变化，通过外部读出电路中的电感与传感器中的电感进行耦合获取传感器LC回路的谐振频率等电学参数，即可实现湿度测量。对于现有的LC式无线无源湿度传感器，需要通过增加湿敏元件的尺寸来获得可接受的传感器灵敏度，因此，传感器的尺寸往往较大，且存在着灵敏度与微型化的矛盾；此外，目前这种传感器需要使用不同的工艺步骤分别进行电容及电感的制作以及形成电容和电感的回路连接，因此加工较为复杂，制作成本较高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种尺寸小、结构简单、加工方便、制作成本低、灵敏度高、线性度高且可靠性高的无线无源MEMS湿度传感器，并同时给出一种无线无源MEMS湿度传感器的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无线无源MEMS湿度传感器，包括衬底，在衬底下方正中位置设空腔，将衬底正对空腔的区域称为空腔区域，周侧的其他区域称为侧壁区域；在衬底的上表面由下至上依次设置下介质层、第一中间介质层、第二中间介质层、上介质层和吸湿层，下介质层、第一中间介质层、第二中间介质层和上介质层均覆盖空腔区域和侧壁区域，吸湿层仅覆盖空腔区域，增强吸湿层吸湿后发生膨胀所引起的变形以提高整个传感器的灵敏度；在下介质层和第一中间介质层之间设置第一敏感电感和电容下级板，第一敏感电感位于空腔区域，电容下级板位于侧壁区域，第一敏感电感为矩形螺旋面结构，电容下级板与第一敏感电感的外侧端连接；在第一中间介质层和第二中间介质层之间设置铁磁材料层，铁磁材料层位于空腔区域；在第二中间介质层与上介质层之间设置有第二敏感电感和电容上极板，第二敏感电感位于空腔区域，电容上极板位于侧壁区域并位于电容下极板正上方，第二敏感电感为矩形螺旋面结构，电容上极板与第二敏感电感的外侧端连接；在下介质层上表面的中心位置设置连接柱，连接柱贯穿第一中间介质层和第二中间介质层并深入到上介质层内，第一敏感电感的内侧端和第二敏感电感的内侧端均与连接柱连接，实现第一敏感电感和第二敏感电感的串联，最终构成传感器LC回路中的敏感电感；所述电容上极板、电容下级板以及电容上极板与电容下极板之间的第一中间介质层和第二中间介质层共同构成传感器LC回路中的电容。
优选的，所述衬底为硅衬底，所述下介质层和上介质层均为SiO2层、Si3N4层或SiO2/Si3N4复合层，厚度在100nm～1000nm范围内，下介质层和上介质层的材料、厚度及形成工艺相同。通过下介质层可以抑制衬底引入的寄生电容，通过上介质层可以防止湿气扩散进入传感器的LC回路，恶化传感器的滞回特性，提高传感器的可靠性。下介质层和上介质层的材料、厚度及形成工艺相同，可以抵消传感器制作过程中这两层引起的残余应力对铁磁材料层的影响，增强传感器结构的抗疲劳强度，提高传感器的可靠性；此外，消除残余应力还增强了传感器中的铁磁材料层对外界载荷的响应强度，提高了传感器的灵敏度。
所述第一中间介质层和第二中间介质层均为SiO2层，第一中间介质层和第二中间介质层的材料、厚度及形成工艺相同。SiO2层所具有的大禁带宽度有利于抑制第一敏感电感/第二敏感电感与铁磁材料层之间的漏电以及发生短路。第一中间介质层和第二中间介质层的材料、厚度及形成工艺相同，可以抵消传感器制作过程中这两层引起的残余应力对铁磁材料层的影响，增强传感器结构的抗疲劳强度，提高传感器的可靠性；此外，消除残余应力还增强了传感器中的铁磁材料层对外界载荷的响应强度，提高了传感器的灵敏度。
优选的，所述第一敏感电感为由Cu构成的矩形螺旋面结构，通过Ti提高第一敏感电感与下介质层之间的粘附性；所述第二敏感电感为由Cu构成的矩形螺旋面结构，通过Ti提高第二敏感电感与第二中间介质层之间的粘附性。使用Cu可以降低第一敏感电感/第二敏感电感的寄生电阻，提高第一敏感电感/第二敏感电感的品质因数，Ti用于提高Cu与下介质层/第二中间介质层的粘附性，防止方形膜形变时造成Cu脱落，提高整个传感器的可靠性。
优选的，所述电容下级板为Cu结构，通过Ti提高电容下级板与下介质层之间的粘附性；所述电容上极板为Cu结构，通过Ti提高电容上极板与第二中间介质层之间的粘附性。
优选的，所述铁磁材料层为具有逆磁滞伸缩效应的CoFeB层、CoFeSiB层或NiFeSiB层。根据逆磁滞伸缩效应，该铁磁材料层在形变后产生的应变会造成该层的磁导率发生变化。
优选的，所述吸湿层为具有强吸湿能力的介质层，优选为聚酰亚胺层。
本发明的无线无源MEMS湿度传感器的工作原理如下：利用吸湿层在吸湿后发生膨胀使得吸湿层下方的各层薄膜发生形变，铁磁材料层形变后所产生的应变在逆磁滞伸缩效应的作用下，使得铁磁材料层的磁导率发生变化，由于敏感电感的值与铁磁材料层的磁导率呈线性关系，铁磁材料层的磁导率变化引起第一敏感电感以及第二敏感电感的值均发生相似的变化，由于第一敏感电感和第二敏感电感为串联连接，第一敏感电感和第二敏感电感的变化量叠加构成总的敏感电感变化量，进而引起LC回路的谐振频率等电学参数发生变化，并利用读出电路中的电感与传感器中的电感进行耦合实现传感器信号的无线输出。该无线无源湿度传感器可以完全由MEMS加工工艺制作。
一种无线无源MEMS湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)选用N型(100)硅制作衬底，通过化学气相沉积在衬底的上表面形成200nm厚度的Si3N4作为下介质层；
(2)通过化学气相沉积在衬底的下表面形成200nm厚度的Si3N4做掩膜，在衬底的下表面进行光刻并进行各向异性湿法刻蚀，形成空腔；
(3)在下介质层的上表面溅射Ti及Cu并光刻形成第一敏感电感以及电容下极板，并形成电容下极板与第一敏感电感的外侧端部的连接；
(4)通过在第一敏感电感及电容下级板上溅射一层100nm厚度的SiO2，形成第一中间介质层；
(5)在第一中间介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成铁磁材料层；
(6)在铁磁材料层上溅射一层100nm厚度的SiO2，形成第二中间介质层；
(7)对第二中间介质层及第一中间介质层进行光刻，去除位于第一敏感电感内侧端部正上方的介质，形成用于设置连接柱的通孔，在第二中间介质层上溅射Ti及Cu并光刻形成第二敏感电感、电容上极板、以及形成电容上极板与第二敏感电感的外侧端部的连接、以及形成用于连接第一敏感电感和第二敏感电感的连接柱；
(8)在第二敏感电感、电容上级板及连接柱上通过化学气相沉积形成200nm厚度的Si3N4作为上介质层；
(9)通过旋涂法在上介质层上制作一层聚酰亚胺，光刻并亚胺化，形成吸湿层。
有益效果：本发明提供的无线无源MEMS湿度传感器及其制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：1、与现有的LC式无线无源湿度传感器相比，本发明的传感器的电感既用于传感器信号的无线传输，同时还作为湿度敏感元件，结构紧凑；此外，本发明的传感器，由于铁磁材料层在形变后磁导率发生变化，引起敏感电感的值发生变化，由于铁磁材料层的磁导率与敏感电感的值之间呈线性关系，因此本发明的传感器具有高线性度；2、本发明采用叠层分布的双层电感来响应湿度变化，既减少了电感所占用的面积，又提高传感器灵敏度，在实现高灵敏度的同时并易于传感器的微型化；此外，本发明的传感器可抑制残余应力对其性能的负面影响，进一步提高传感器的灵敏度及可靠性；3、本发明的传感器中的电容可以和电感一并制作，在形成电容和电感的同时无需额外工艺步骤即可形成LC回路，因此加工工艺简单，制作成本低；4、本发明采用MEMS技术制备，传感器具有体积小、功耗低、一致性好、以及易于实现智能化的优点。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为第一敏感电感的平面结构示意图；
图3为本发明的传感器的等效电路图；
图中有：衬底1、空腔11、下介质层2、第一敏感电感31、电容下级板41、第一中间介质层5、铁磁材料层6、第二中间介质层7、第二敏感电感32、电容上极板42、连接柱8、上介质层9、吸湿层10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种无线无源MEMS湿度传感器，包括衬底1，在衬底1下方正中位置设空腔11，将衬底1正对空腔11的区域称为空腔区域，周侧的其他区域称为侧壁区域；在衬底1的上表面由下至上依次设置下介质层2、第一中间介质层5、第二中间介质层7、上介质层9和吸湿层10，下介质层2、第一中间介质层5、第二中间介质层7和上介质层9均覆盖空腔区域和侧壁区域，吸湿层10仅覆盖空腔区域，增强吸湿层10吸湿后发生膨胀所引起的变形以提高整个传感器的灵敏度；在下介质层2和第一中间介质层5之间设置第一敏感电感31和电容下级板41，第一敏感电感31位于空腔区域，电容下级板41位于侧壁区域，第一敏感电感31为矩形螺旋面结构，电容下级板41与第一敏感电感31的外侧端连接；在第一中间介质层5和第二中间介质层7之间设置铁磁材料层6，铁磁材料层6位于空腔区域；在第二中间介质层7与上介质层9之间设置有第二敏感电感32和电容上极板42，第二敏感电感32位于空腔区域，电容上极板42位于侧壁区域并位于电容下极板正上方，第二敏感电感32为矩形螺旋面结构，电容上极板42与第二敏感电感32的外侧端连接；在下介质层2上表面的中心位置设置连接柱8，连接柱8贯穿第一中间介质层5和第二中间介质层7并深入到上介质层9内，第一敏感电感31的内侧端和第二敏感电感32的内侧端均与连接柱8连接，实现第一敏感电感31和第二敏感电感32的串联，最终构成传感器LC回路中的敏感电感；所述电容上极板42、电容下级板41以及电容上极板42与电容下极板41之间的第一中间介质层5和第二中间介质层7共同构成传感器LC回路中的电容。
所述衬底1为硅衬底。所述下介质层2和上介质层9均为SiO2层、Si3N4层或SiO2/Si3N4复合层，厚度在100nm～1000nm范围内，下介质层2和上介质层9的材料、厚度及形成工艺相同；所述第一中间介质层5和第二中间介质层7均为SiO2层，第一中间介质层5和第二中间介质层7的材料、厚度及形成工艺相同。
所述第一敏感电感31为由Cu构成的矩形螺旋面结构，通过Ti提高第一敏感电感31与下介质层2之间的粘附性；所述第二敏感电感32为由Cu构成的矩形螺旋面结构，通过Ti提高第二敏感电感32与第二中间介质层7之间的粘附性。
所述电容下级板41为Cu结构，通过Ti提高电容下级板41与下介质层2之间的粘附性；所述电容上极板42为Cu结构，通过Ti提高电容上极板42与第二中间介质层7之间的粘附性。
所述铁磁材料层6为具有逆磁滞伸缩效应的CoFeB层、CoFeSiB层或NiFeSiB层。
所述吸湿层10为聚酰亚胺层。
上述无线无源MEMS湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)选用N型(100)硅制作衬底，通过化学气相沉积在衬底的上表面形成200nm厚度的Si3N4作为下介质层；
(2)通过化学气相沉积在衬底的下表面形成200nm厚度的Si3N4做掩膜，在衬底的下表面进行光刻并进行各向异性湿法刻蚀，形成空腔；
(3)在下介质层的上表面溅射Ti及Cu并光刻形成第一敏感电感以及电容下极板，并形成电容下极板与第一敏感电感的外侧端部的连接；
(4)通过在第一敏感电感及电容下级板上溅射一层100nm厚度的SiO2，形成第一中间介质层；
(5)在第一中间介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成铁磁材料层；
(6)在铁磁材料层上溅射一层100nm厚度的SiO2，形成第二中间介质层；
(7)对第二中间介质层及第一中间介质层进行光刻，去除位于第一敏感电感内侧端部正上方的介质，形成用于设置连接柱的通孔，在第二中间介质层上溅射Ti及Cu并光刻形成第二敏感电感、电容上极板、以及形成电容上极板与第二敏感电感的外侧端部的连接、以及形成用于连接第一敏感电感和第二敏感电感的连接柱；
(8)在第二敏感电感、电容上级板及连接柱上通过化学气相沉积形成200nm厚度的Si3N4作为上介质层；
(9)通过旋涂法在上介质层上制作一层聚酰亚胺，光刻并亚胺化，形成吸湿层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无线无源MEMS湿度传感器，其特征在于：包括衬底(1)，在衬底(1)下方正中位置设空腔(11)，将衬底(1)正对空腔(11)的区域称为空腔区域，周侧的其他区域称为侧壁区域；在衬底(1)的上表面由下至上依次设置下介质层(2)、第一中间介质层(5)、第二中间介质层(7)、上介质层(9)和吸湿层(10)，下介质层(2)、第一中间介质层(5)、第二中间介质层(7)和上介质层(9)均覆盖空腔区域和侧壁区域，吸湿层(10)仅覆盖空腔区域；在下介质层(2)和第一中间介质层(5)之间设置第一敏感电感(31)和电容下级板(41)，第一敏感电感(31)位于空腔区域，电容下级板(41)位于侧壁区域，第一敏感电感(31)为矩形螺旋面结构，电容下级板(41)与第一敏感电感(31)的外侧端连接；在第一中间介质层(5)和第二中间介质层(7)之间设置铁磁材料层(6)，铁磁材料层(6)位于空腔区域；在第二中间介质层(7)与上介质层(9)之间设置有第二敏感电感(32)和电容上极板(42)，第二敏感电感(32)位于空腔区域，电容上极板(42)位于侧壁区域并位于电容下极板(41)正上方，第二敏感电感(32)为矩形螺旋面结构，电容上极板(42)与第二敏感电感(32)的外侧端连接；在下介质层(2)上表面的中心位置设置连接柱(8)，连接柱(8)贯穿第一中间介质层(5)和第二中间介质层(7)并深入到上介质层(9)内，第一敏感电感(31)的内侧端和第二敏感电感(32)的内侧端均与连接柱(8)连接，实现第一敏感电感(31)和第二敏感电感(32)的串联，最终构成传感器LC回路中的敏感电感；所述电容上极板(42)、电容下级板(41)以及电容上极板(42)与电容下极板(41)之间的第一中间介质层(5)和第二中间介质层(7)共同构成传感器LC回路中的电容。
2.根据权利要求1所述的无线无源MEMS湿度传感器，其特征在于：所述衬底(1)为硅衬底：所述下介质层(2)和上介质层(9)均为SiO2层、Si3N4层或SiO2/Si3N4复合层，厚度在100nm～1000nm范围内，下介质层(2)和上介质层(9)的材料、厚度及形成工艺相同；所述第一中间介质层(5)和第二中间介质层(7)均为SiO2层，第一中间介质层(5)和第二中间介质层(7)的材料、厚度及形成工艺相同。
3.根据权利要求1所述的无线无源MEMS湿度传感器，其特征在于：所述第一敏感电感(31)为由Cu构成的矩形螺旋面结构，通过Ti提高第一敏感电感(31)与下介质层(2)之间的粘附性；所述第二敏感电感(32)为由Cu构成的矩形螺旋面结构，通过Ti提高第二敏感电感(32)与第二中间介质层(7)之间的粘附性。
4.根据权利要求1所述的无线无源MEMS湿度传感器，其特征在于：所述电容下级板(41)为Cu结构，通过Ti提高电容下级板(41)与下介质层(2)之间的粘附性；所述电容上极板(42)为Cu结构，通过Ti提高电容上极板(42)与第二中间介质层(7)之间的粘附性。
5.根据权利要求1所述的无线无源MEMS湿度传感器，其特征在于：所述铁磁材料层(6)为具有逆磁滞伸缩效应的CoFeB层、CoFeSiB层或NiFeSiB层。
6.根据权利要求1所述的无线无源MEMS湿度传感器，其特征在于：所述吸湿层(10)为聚酰亚胺层。
7.一种无线无源MEMS湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)选用N型(100)硅制作衬底，通过化学气相沉积在衬底的上表面形成200nm厚度的Si3N4作为下介质层；
(2)通过化学气相沉积在衬底的下表面形成200nm厚度的Si3N4做掩膜，在衬底的下表面进行光刻并进行各向异性湿法刻蚀，形成空腔；
(3)在下介质层的上表面溅射Ti及Cu并光刻形成第一敏感电感以及电容下极板，并形成电容下极板与第一敏感电感的外侧端部的连接；
(4)通过在第一敏感电感及电容下级板上溅射一层100nm厚度的SiO2，形成第一中间介质层；
(5)在第一中间介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成铁磁材料层；
(6)在铁磁材料层上溅射一层100nm厚度的SiO2，形成第二中间介质层；
(7)对第二中间介质层及第一中间介质层进行光刻，去除位于第一敏感电感内侧端部正上方的介质，形成用于设置连接柱的通孔，在第二中间介质层上溅射Ti及Cu并光刻形成第二敏感电感、电容上极板、以及形成电容上极板与第二敏感电感的外侧端部的连接、以及形成用于连接第一敏感电感和第二敏感电感的连接柱；
(8)在第二敏感电感、电容上级板及连接柱上通过化学气相沉积形成200nm厚度的Si3N4作为上介质层；
(9)通过旋涂法在上介质层上制作一层聚酰亚胺，光刻并亚胺化，形成吸湿层。
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