CN104849325B - 与cmos工艺兼容的mems湿度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器及其制造方法，其中，所述与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器包括：具有正面和反面的基体；在所述基体正面形成的金属层，该金属层形成电容的两个电极，所述两个电极之间具有间隙，所述金属层的材质为与CMOS工艺兼容的金属材质；在所述金属层上涂覆湿度感知材料以形成的感知层，所述湿度感知材料填充两个电极之间的间隙。与现有技术相比，本发明中的MEMS湿度传感器在基体上形成的金属层为与CMOS工艺兼容的金属材质，这样MEMS温度传感器的制造方法就可以兼容CMOS工艺，进而使得本发明中的MEMS湿度传感器可以与传感器的数据读出电路集成在同一个芯片上，从而可以降低成本。

Description

与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及传感器技术和微机电系统技术领域，特别涉及一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器及其制造方法。

【背景技术】

传感器是一种检测装置，其能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理，存储、显示、记录和控制等要求。其中，传感器的一个主要原理是利用物理量的变化会引起器件的电性能的变化而产生电信号，特别是电容传感器，由于其电极的尺寸、间距、介质的变化会引起电容的变化，因此，能够很好的完成物理变化到电性能变化的转换。

目前，主要的湿度传感器通常为电容式湿度传感器，其敏感元件为湿敏电容，湿敏电容中常采用聚合物作为感知层（或者称为介质层），该聚合物为湿度敏感材料，当环境湿度发生变化时，感知层发生改变，使该湿敏电容的电容值也发生变化，根据电容值的变化转变为相应的电信号，就可以测算出被检测的湿度。例如，MEMS（Micro Electro MechanicalSystems，微机电系统）湿度传感器，其主要供应商之一为霍尼韦尔国际（HoneywellInternational），该公司制造的相对湿度传感器的结构如图1所示，该结构中的电极采用的是铂（Pt）金属，淀积铂金属的制程需要单独的工艺，与CMOS（Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺不兼容，其制造成本较高。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的一个目的在于提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器，其可以与其配合使用的数据读出电路集成在一起，降低了制造成本。

本发明的另一个目的在于提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法，所述MEMS湿度传感器可以与其配合使用的数据读出电路集成在一起，降低了制造成本。

为了解决上述问题，根据本发明的一方面，本发明提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器，其包括：具有正面和反面的基体；在所述基体正面形成的金属层，该金属层形成电容的两个电极，所述两个电极之间具有间隙，所述金属层的材质为与CMOS工艺兼容的金属材质；在所述金属层上涂覆湿度感知材料以形成的感知层，所述湿度感知材料填充两个电极之间的间隙。

进一步的，所述基体为硅衬底，所述硅衬底正面具有CMOS器件。

进一步的，所述与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器还包括：自所述两个电极之间的间隙向所述硅衬底或CMOS器件内刻蚀出的沟槽，所述沟槽的深度为1-2μm，所述湿度感知材料覆盖所述金属层并填充所述两个电极之间的间隙以及所述间隙对应的所述沟槽，所述湿度感知材料为高分子聚合物。

进一步的所述硅衬底的包括IC区和MEMS区，所述CMOS器件形成于所述IC区，所述金属层和感知层形成于所述MEMS区。

进一步的，所述CMOS器件形成于所述硅衬底与所述金属层之间。

进一步的，所述金属层为铝金属层，其厚度约为2-3μm，所述高分子聚合物为聚酰亚胺。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法，其包括：提供具有正面和反面的基体；在所述基体正面形成金属层，图形化所述金属层以形成电容的两个电极，所述两个电极之间具有间隙，所述金属层的材质为与CMOS工艺兼容的金属材质；在所述金属层上涂覆湿度感知材料以形成感知层，所述湿度感知材料填充两个电极之间的间隙。

进一步的，在所述金属层上涂覆湿度感知材料之前，所述制造方法还包括：自所述两个电极之间的缝隙向所述基体内刻蚀出沟槽，所述沟槽的深度为1-2μm，所述湿度感知材料覆盖所述金属层并填充所述两个电极之间的间隙以及所述间隙对应的所述沟槽，所述湿度感知材料为高分子聚合物。

进一步的，所述提供具有正面和反面的基体为：提供具有正面和反面的硅衬底，在所述硅衬底的正面形成CMOS器件。

进一步的，所述基体为硅衬底，所述硅衬底的包括IC区和MEMS区，所述IC区形成有CMOS器件,所述MEMS区形成有所述金属层和感知层。

与现有技术相比，本发明中的MEMS湿度传感器在基体上形成的金属层为与CMOS工艺兼容的金属材质，这样MEMS湿度传感器的制造方法就可以兼容CMOS工艺，进而使得本发明中的MEMS湿度传感器可以与传感器的数据读出电路（其为CMOS器件）集成在同一个芯片上，从而可以降低成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中的一种相对湿度传感器的结构示意图；

图2为本发明中与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法在一个实施例中的流程示意图；

图3a-图3b为本发明中与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法在一个实施例中的各个步骤对应的纵剖面图；

图4为图3a中的图形化后的金属层在一个实施例中的俯视图，该金属层的两个电极具有梳状结构；

图5为本发明中与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器在一个实施例中的结构示意图；

图6为在一个实施例中将本发明中的MEMS湿度传感器与CMOS器件集成在一个芯片上的剖面示意图；

图7为在另一个实施例中将本发明中的MEMS湿度传感器与CMOS器件集成在一个芯片上的剖面示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

图2为本发明中与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法在一个实施例中的流程示意图。图3a-图3b为本发明中与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法在一个实施例中的各个步骤对应的纵剖面图。如图2所示，所述与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法包括如下步骤。

步骤110，结合图3a所示，提供具有正面和反面的基体1。

在图3所示的实施例中，所述基体1为硅衬底。

步骤120，结合图3a所示，在所述基体1正面形成金属层，图形化所述金属层以形成电容的两个电极，所述金属层2形成的两个电极之间具有间隙，所述金属层的材质为与CMOS工艺兼容的金属材质。

具体为，首先在所述硅衬底1正面淀积铝等CMOS工艺常用金属，其厚度约为2-3μm，然后通过光刻、腐蚀工艺使淀积的金属图形化以形成电容的两个电极，所述金属层形成的两个电极之间具有间隙。请参考图4所示，其为图3a中的图形化后的金属层在一个实施例中的俯视图，该金属层的两个电极具有梳状结构。在其他实施例中，所述金属层的图形可以基于电容的原理做很多不同的变形。

步骤130，结合图3b所示，在图形化的所述金属层2上涂覆湿度感知材料以形成感知层3，所述湿度感知材料填充两个电极之间的间隙。

具体，所述湿度感知材料覆盖所述金属层2，且填充所述金属层2形成的电极之间的间隙。所述湿度感知材料可以为聚苯乙烯、聚酰亚胺（Polyimide）、酷酸醋酸纤维等高分子聚合物。

为了提高本发明中的MEMS湿度传感器的灵敏度，可以在步骤120和步骤130之间增加一个步骤，即在图形化的所述金属层2上涂覆湿度感知材料之前，自所述金属层2形成的两个电极之间的间隙向所述基体1内刻蚀沟槽4，该沟槽的深度为1-2μm，如图5所示。对应的，在步骤130中，将所述湿度感知材料也填充于该沟槽4内，即所述湿度感知材料覆盖所述金属层并填充所述金属层形成的两个电极之间的间隙以及所述间隙对应的所述沟槽，从而形成感知层5，这样得到如图5所示的与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器。与图3b相比，图5中的感知层5的表层与金属电极的距离变短，这样可以减少水汽在感知层中扩散的距离，以提高本发明中MEMS湿度传感器的灵敏度。

综上可知，由于所述MEMS湿度传感器的金属层为与CMOS工艺兼容的金属材质，比如铝等，因此其制造方法可以兼容CMOS工艺。进而使得本发明中的MEMS湿度传感器可以与传感器的数据读出电路（其为CMOS器件）集成在同一个芯片上，从而可以降低成本。下面就具体举例给予说明。

请参考图6所示，其为在一个实施例中，将本发明中的MEMS湿度传感器与CMOS器件集成在一个芯片上的剖面示意图。在此实施例中，所述MEMS湿度传感器的基体1为硅衬底，所述硅衬底1正面具有CMOS器件6，具体为，所述CMOS器件6形成于所述硅衬底1与所述金属层2之间，在制造时，需要先提供具有正面和反面的硅衬底1，随后在所述硅衬底1的正面形成CMOS器件6，接着，在所述CMOS器件6的上表面形成金属层2。这样，不仅可以将本发明中的MEMS湿度传感器与CMOS器件集成在一个芯片，而且也可以减小芯片面积，从而节省成本。

请参考图7所示，其为在另一个实施例中将本发明中的MEMS湿度传感器与CMOS器件集成在一个芯片上的剖面示意图，所述CMOS器件6可以为传感器的数据读出电路。在此实施例中，所述基体1为硅衬底，所述硅衬底1包括IC区20和MEMS区30，所述金属层2和感知层5形成于MEMS区30，CMOS器件6形成于所述IC区20。这样也可将CMOS器件和MEMS湿度传感器集成于同一个芯片上。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (6)

1.一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器，其特征在于，其包括：

具有正面和反面的基体；

在所述基体正面形成的金属层，该金属层形成电容的两个电极，所述两个电极之间具有间隙，所述金属层的材质为与CMOS工艺兼容的金属材质；

在所述金属层上涂覆湿度感知材料以形成的感知层，所述湿度感知材料填充两个电极之间的间隙并与两个电极直接接触，

所述基体为硅衬底，所述硅衬底正面具有CMOS器件，

所述MEMS湿度传感器还包括：

自所述两个电极之间的间隙向硅衬底或CMOS器件内刻蚀出的沟槽，

所述湿度感知材料覆盖所述金属层并填充所述两个电极之间的间隙以及所述间隙对应的所述沟槽，以缩短感知层的表层与电极的距离，

所述沟槽的深度为1-2μm，所述湿度感知材料为高分子聚合物，所述金属层为铝金属层，其厚度约为2-3μm，所述高分子聚合物为聚酰亚胺。

2.根据权利要求1所述的MEMS湿度传感器，其特征在于，

所述硅衬底的包括IC区和MEMS区，

所述CMOS器件形成于所述IC区，

所述金属层和感知层形成于所述MEMS区。

3.根据权利要求1所述的MEMS湿度传感器，其特征在于，

所述CMOS器件形成于所述硅衬底与所述金属层之间。

4.一种与CMOS工艺兼容的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，其包括：

提供具有正面和反面的基体；

在所述基体正面形成金属层，图形化所述金属层以形成电容的两个电极，所述两个电极之间具有间隙，所述金属层的材质为与CMOS工艺兼容的金属材质；

在所述金属层上涂覆湿度感知材料以形成感知层，所述湿度感知材料填充两个电极之间的间隙，

在所述金属层上涂覆湿度感知材料之前，所述制造方法还包括：自所述两个电极之间的间隙向所述基体内刻蚀出沟槽，

所述湿度感知材料覆盖所述金属层并填充所述两个电极之间的间隙以及所述间隙对应的所述沟槽，以缩短感知层的表层与电极的距离，所述沟槽的深度为1-2μm，

所述湿度感知材料为高分子聚合物，所述金属层为铝金属层，其厚度约为2-3μm，所述高分子聚合物为聚酰亚胺。

5.根据权利要求4所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，

所述提供具有正面和反面的基体为：

提供具有正面和反面的硅衬底，

在所述硅衬底的正面形成CMOS器件。

6.根据权利要求4所述的MEMS湿度传感器的制造方法，其特征在于，所述基体为硅衬底，所述硅衬底的包括IC区和MEMS区，

所述IC区形成有CMOS器件,所述MEMS区形成有所述金属层和感知层。