CN104990968A - 基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。该湿度传感器件包括：支撑结构(10)；以及湿度测量结构(20)，形成于支撑结构(10)上。该湿度测量结构(20)包括：底电极(21)，形成于支撑结构(10)上；湿度感测薄膜(22)，形成于底电极(21)上；以及顶电极(23)，形成于湿度敏感薄膜上，其上方分布多个微孔，以使湿度敏感薄膜(22)的部分区域与外界环境相连通；其中，底电极、湿度感测薄膜和顶电极构成谐振单元。本发明湿度传感器件在顶电极上分布微孔，环境气氛中的水分子通过微孔到达湿度敏感薄膜表面，器件对湿度的感应能力不会受到太大影响，同时不会增加声损耗，不增加噪声。

Description

基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。

背景技术

湿度监测在气象学、环境监控、智能家居和工业生产控制等领域有广泛的应用。系统小型化趋势促进了电容、电阻和声波微装置湿度传感器的发展，即选用可以与空气中水汽相互作用的湿度敏感材料，通过测量其电容、电阻或谐振特性的变化，来表征环境湿度。相比于电阻与电容传感器，声波谐振系统提供的频率信息可以由更高精度的数字系统测量，因此受到更大的关注。

薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR)是最近研究和应用发展很快的一种采用薄膜和微纳加工技术制作的甚高频谐振器。现有的基于FBAR的湿度传感器，一般只包含FBAR的主体薄膜结构。图1为现有技术基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件的剖面示意图。如图1所示，在硅衬底上制备绝缘层，以湿度敏感材料ZnO作为压电薄膜，其上下分别制备有顶电极与底电极，最后从背面除去有效工作区域的硅衬底层，释放薄膜。此谐振式传感器工作时，空气中的水分子吸附在ZnO晶体表面，微小的变化都会引起其谐振特性的改变，然后通过上下两个电极输入激励信号并检测其谐振状态的改变，以此表征环境湿度。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件存在如下几方面技术缺陷：

(1)灵敏度：致密的金属电极覆盖压电薄膜的有效工作区域，不利于ZnO与环境中水汽的相互作用，削弱了器件对湿度的感应能力；

目前，已有设计中有针对这点的改进(见参考文献1)，使用石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance，简称QCM)作为谐振单元，在上电极表面覆盖生长ZnO纳米线作为湿度敏感层。但此种方法由于在声波路径上附加了一层不均匀材料，不仅增加了声损耗，还引入了更大的噪声，不利于后期的信号检测。

(2)高湿度测试恢复：在高湿环境下，过多的水分在敏感表面凝结，会影响传感器的重复测量。同时，长期处在高湿环境下，会使湿度敏感材料与水分子形成更加稳定的结合，出现“中毒”现象，影响测量的可靠性。已有基于FBAR的湿度传感器设计中，基本未涉及这一方面。

(3)温度补偿：温度的变化对压电结构的谐振特性影响很大，已有的常用方法(见参考文献2)，是在一个器件中安装两个湿度传感器，一个与测试环境接触，另一个密封，只感应温度变化，然后通过后端差频电路，提取出测试信息。这样不仅需要多使用一个测试芯片，占用器件空间，同时还增大了后期信号处理的难度，并引入更多的噪声与误差。

参考文献1：N.Asar，A.Erol，S.Okur，M.C.Arikan.Morphology-dependent humidity adsorption kinetics of ZnO nanostructures[J].Sensors and Actuators A，2012，187：37-42.

参考文献2：Igor Paprotny，Frederick Doering，Paul A.Solomon，Richard M.White，Lara A.Gundel.Microfabricated air-microfluidic sensor forpersonal monitoring of airborne particulate matter：Design，fabrication，andexperimental results[J].Sensors and Actuators A 2013，201：506-516.

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件，以提高湿度传感器件对湿度的感应能力。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。该湿度传感器件包括：支撑结构10；以及湿度测量结构20，形成于支撑结构10上。该湿度测量结构20包括：底电极21，形成于支撑结构10上；湿度感测薄膜22，形成于底电极21上；以及顶电极23，形成于湿度敏感薄膜上，其上方分布多个微孔，以使湿度敏感薄膜22的部分区域与外界环境相连通；其中，底电极21、湿度感测薄膜22和顶电极23构成谐振单元。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件具有以下有益效果：

(1)在顶电极上分布微孔，环境气氛中的水分子通过微孔到达湿度敏感薄膜表面，器件对湿度的感应能力不会受到太大影响，同时不会增加声损耗，不增加噪声；

(2)采用ZnO薄膜同时作为湿度敏感薄膜和谐振薄膜，利用了ZnO薄膜的纳米结构，增强了吸附作用，提高了湿度传感器件的灵敏度；

(3)在谐振单元周边集成加热单元，并结合温度传感器，监控敏感元件工作温度，使敏感元件在设定的恒定温度下工作，以减小环境温度对测量结果的影响，以及改善某些特殊条件(如低温或高湿)下的测量；

(4)在一次湿度测量完成后，供电加热敏感区域，使吸附的水分子脱附，快速恢复测量初始状态，准备下一次测量。用于高湿度测量，可大大减小滞后时间，提高测量准确性，实现实时监测。同时可以消除湿度敏感材料由于长期处于高湿环境，与水分子形成稳定结合的“中毒”现象；

(5)将加热电阻放置在悬空的衬底薄膜上，可以最大程度地减小加热电阻产生的热量向硅基底的传导耗散，提高加热效率，加快升温速度；

(6)将有效谐振区域下方的支撑膜腐蚀除去，可进一步减少声波的声量损耗。且将温度传感器电阻分布在有效谐振区域周围，即可获得更准确的工作温度信息，又可抑制声波能量的横向损耗。

附图说明

图1为现有技术基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件的剖面示意图；

图2A和图2B分别为根据本发明实施例湿度传感器件的剖视图和俯视图；

图3为加热过程与自然冷却过程中芯片表面的温度变化曲线；

图4为本实施例湿度传感器件输出频移随湿度变化的对数曲线；

图5A和图5B分别为根据本发明第二实施例湿度传感器件的剖视图和俯视图。

【符号说明】

10-支撑结构；

11-基底；             12-衬底薄膜；

20-湿度测量结构；

21底电极；            22-湿度感测薄膜；        23-顶电极；

30-加热组件；

31-加热电阻薄膜；

40-温度测量组件；

41-铂薄膜；           42-绝缘材料薄膜；        43-电极。

具体实施方式

本发明基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件通过在顶电极的设计、湿度敏感薄膜的选择、加热元件和温度传感器的增加等方面的改进，避免了外界因素对湿度传感器精度的不利影响，提高了湿度传感器的感应能力。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。图2A和图2B分别为根据本发明实施例湿度传感器件的剖视图和俯视图。请参照图2A和图2B，本实施例湿度传感器件包括：

支撑结构10；

湿度测量结构20，形成于支撑结构10上，包括：

底电极21，形成于支撑结构10上；

湿度感测薄膜22，形成于底电极21上，包括：谐振薄膜和湿度敏感薄膜；以及

顶电极23，形成于湿度敏感薄膜上，其上方分布多个微孔，以使湿度敏感薄膜22的部分区域与外界环境相连通；

其中，底电极21、湿度感测薄膜22、顶电极23构成谐振单元；

加热组件30，形成于支撑结构10上，湿度测量结构20的外围，用于去除吸附在湿度敏感薄膜表面的湿气；

温度测量组件40，形成于支撑结构10上，湿度测量结构20的外围，用于测量外界环境的温度，对湿度测量结构20测量的湿度进行校正。

以下对本实施例湿度传感器件的各个组成部分进行详细说明。

请参照图2A和图2B，支撑结构10包括：基底11与衬底薄膜12。基底11为杯状结构单晶硅片。衬底薄膜12形成于基底11上，为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜，或氧化硅氮化硅混合绝缘薄膜。在基底的中心区域开窗释放为周边约束悬空结构。湿度测量结构20、加热组件30均形成于悬空区域内的衬底薄膜上。

在湿度测量结构20中，底电极21、湿度感测薄膜22、顶电极23构成谐振单元。整个谐振单元呈五边形，其中心与悬空区域中心重合。其中，底电极21为溅射在衬底薄膜上的金属薄膜，顶电极为溅射在湿度感测薄膜23上的金属薄膜。

在本实施例中，ZnO薄膜同时作为湿度敏感薄膜和谐振薄膜，从而简化了制备工艺。同时，采用ZnO薄膜作为湿度感测薄膜，利用了ZnO薄膜的纳米结构，增强了吸附作用，提高了湿度传感器件的灵敏度。

本领域技术人员应当清楚，除了ZnO薄膜之外，湿度感测薄膜还可以是两层，上层与顶电极接触的是湿度敏感薄膜，下层与底电极接触的是谐振薄膜，在这种情况下，湿度敏感薄膜为例如SnO₂，TiO₂，In₂O₃，WO₃等氧化物薄膜，而谐振薄膜可以是PZT(锆钛酸铅)、A1N(氮化铝)等薄膜。

请参照图2B，在顶电极23上有成阵列排布的微孔。通过该微孔，测试气氛中的水分子可以吸附在ZnO薄膜上，使其谐振特性发生改变。通过底电极和顶电极，测出位于两者中间的压电薄膜的厚度振动谐振频率，用频率的变化来表征待测湿度。

在本发明优选的实施例中，微孔阵列中微孔的径向尺寸取决于上电极的面积，其介于5μ～1mm之间，顶电极上微孔的总面积占整个顶电极面积的比例，即开窗比小于25％。微孔的形状可以为：圆形、椭圆形、矩形、三角形、六边形等各种形状，只要露出下层的湿度敏感薄膜即可。并且，顶电极上微孔的形状、尺寸可以不同，其排布也可以是无规律排布。

不同于现有技术中的方案，本发明在顶电极上分布微孔，环境气氛中的水分子通过微孔到达湿度敏感薄膜表面，器件对湿度的感应能力不会受到太大影响，同时不会增加声损耗，不增加噪声。

引出电极用于湿度测量结构20外部的电连接，为溅射在衬底薄膜上的金属层。湿度测量结构的底电极21、顶电极23直接连接到相应的引出电极上，从而将湿度测量机构20所测得的信号传输给外部电路。

请参照图2A和图2B，在湿度测量结构20的左侧，还设置有温度测量组件40，其形成于支撑结构上，但并非一定位于衬底薄膜的悬空区域内。该温度测量组件40中，以金属铂薄膜41作为温度敏感薄膜，其上覆盖绝缘材料薄膜42，通过铂薄膜41的阻值来表征环境的温度。铂薄膜41的两端引出两电极43，该两电极43为溅射在衬底薄膜上的金属层。

该温度测量组件40不仅可以实时获得环境温度信息，还可以监测由于加热引起的工作温度变化，以控制湿度敏感薄膜在一定的测量温度内工作，以减小环境温度对测量结果的影响，以及改善某些特殊条件(如低温或高湿)下的测量。而铂薄膜上覆盖的绝缘薄膜防止在高湿度测量时由于芯片表面水汽凝结造成电阻短路。

本领域技术人员应当清楚，除了铂薄膜之外，还可以采用其他温度敏感材料的薄膜，来达到测温的目的，此处不再赘述。

请参照图2A和图2B，在湿度测量结构20的外侧，还设置有薄膜型加热组件30。该加热组件30包括：加热电阻薄膜31和其两端引出的电极。其中，该加热电阻薄膜31可以为金属铂薄膜或多晶硅薄膜。该电极同样为溅射在衬底薄膜上的金属层。

本实施例中，在谐振单元周边集成加热单元，并结合温度传感器，监控敏感元件工作温度，使敏感元件在设定的恒定温度下工作，以减小环境温度对测量结果的影响，以及改善某些特殊条件(如低温或高湿)下的测量。此外，在一次湿度测量完成后，供电加热敏感区域，使吸附的水分子脱附，快速恢复测量初始状态，准备下一次测量。用于高湿度测量，可大大减小滞后时间，提高测量准确性，实现实时监测。同时可以消除湿度敏感材料由于长期处于高湿环境，与水分子形成稳定结合的“中毒”现象。

尤其需要注意的是，加热电阻薄膜31形成于悬空区域的衬底薄膜上，这样可以最大程度地减小加热电阻产生的热量向硅基底的传导耗散，提高加热效率，加快升温速度。

图3为加热过程与自然冷却过程中芯片表面的温度变化曲线。由图3可知，结合在芯片上集成加热单元且将其置于悬空薄膜区域的设计，有效利用加热功率的同时，加快了升温速度。

图4为本实施例湿度传感器件输出频移随湿度变化的对数曲线。由图4可知，本实施例的湿度敏感器件的输出频移的对数与测量湿度的对数近似呈线性关系，且由于上电极微孔阵列设计，其灵敏度较同类器件提高，尤其是在低湿区域。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。图5A和图5B分别为根据本发明第二实施例湿度传感器件的剖视图和俯视图。请参照图5A和图5B，本实施例湿度传感器件与第一实施例的湿度传感器件的区别有两点：(1)周边约束悬空结构的设计；(2)加热组件和测温组件的排布方式。

请参照图5B，在该周边约束悬空结构中，底电极21下方，其边缘内侧的衬底薄膜在部分区域同样被释放，即在底电极下方刻蚀开窗，可以进一步减少声波损耗。需要说明的是，该底电极下方开窗，可以是连续区域的开窗，也可以是微孔阵列形式的开窗。

请参照图5A，湿度感测薄膜22延伸至底电极21和顶电极23所限定区域的外部。在本实施例中，ZnO薄膜覆盖整个芯片，只在底电极引出电极处与加热电阻薄膜31引出电极处开窗。底电极为溅射在衬底薄膜上的金属薄膜，顶电极为溅射在压电薄膜上的金属薄膜。同样，在顶电极上有成阵列排列的微孔。

加热组件中加热电阻薄膜31位于ZnO薄膜的下方，底电极21的外侧。温度测量组件中的温度敏感薄膜41位于ZnO薄膜的上方，顶电极23的外侧。加热电阻薄膜31和温度敏感薄膜41通过ZnO薄膜隔开，即两者处于不同的水平面上。其中，加热电阻薄膜31和温度敏感薄膜41均位于支撑架构的悬空区域内。

而底电极与顶电极垂直重合区域为有效谐振区域。通过底电极和顶电极，测出中间压电薄膜的厚度振动谐振频率，用频率的变化来表征待测湿度。

加热电阻薄膜31为溅射在衬底薄膜上的金属铂薄膜或多晶硅薄膜。在湿度传感器进行一次测试之后，给加热电阻薄膜31通入一定功率的直流电，电阻发热，谐振单元区域温度升高，吸附在压电薄膜上的水汽脱附，使湿度传感器快速恢复到初始状态，准备下一次测量。

温度敏感薄膜41为溅射在ZnO薄膜表面，围绕有效谐振区域的金属铂薄膜。通过铂电阻的阻值来表征元件工作温度。可用于监测工作温度变化，并控制敏感元件在一定的测量温度内工作。

需要说明的是，本实施例中，加热电阻薄膜31形成于湿度感测薄膜的下方，温度敏感薄膜41形成于湿度感测薄膜的上方。而在本发明其他实施例中，还可以将温度敏感薄膜41形成于湿度感测薄膜的下方，加热电阻薄膜31形成于湿度感测薄膜的上方，同样可以实现本发明。

本实施例中，引出电极用于敏感元件内外的电连接，为溅射在衬底薄膜上的金属层。底电极、顶电极直接连接到引出电极上，加热电阻薄膜31与温度敏感薄膜41通过导线连接到相应的引出电极上，之后此敏感元件芯片通过引出电极进行引线键合连接外部电路。

需要说明的是，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)用于支撑的衬底薄膜还可以是边缘有缝隙分离的非完全周边固支形式；

(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明中，通过在顶电极上形成微孔，从而使环境气氛中的水分子到达湿度敏感薄膜表面，器件的湿度感应能力不会受到太大影响，同时不会增加声损耗，不增加噪声；此外，采用ZnO薄膜同时作为湿度敏感薄膜和谐振薄膜，利用了ZnO薄膜的纳米结构，增强了吸附作用，从各个方面提高了湿度传感器件的灵敏度，具有较好的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件，其特征在于，包括：

支撑结构(10)；以及

湿度测量结构(20)，形成于所述支撑结构(10)上，包括：

底电极(21)，形成于所述支撑结构(10)上；

湿度感测薄膜(22)，形成于底电极21上；以及

顶电极(23)，形成于所述湿度敏感薄膜上，其上方分布多个微孔，以使湿度敏感薄膜(22)的部分区域与外界环境相连通；

其中，底电极(21)、湿度感测薄膜(22)和顶电极(23)构成谐振单元。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器件，其特征在于，所述微孔的径向尺寸介于5μm～1mm之间，顶电极上微孔的总面积占整个顶电极面积的比例小于25％，微孔的形状为：圆形、椭圆形、矩形、三角形或六边形。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器件，其特征在于，所述湿度感测薄膜(22)包括一层薄膜或多层薄膜；

当所述湿度感测薄膜(22)包括一层薄膜时，该层薄膜兼做谐振薄膜和湿度敏感薄膜；

当所述湿度感测薄膜(22)包括多层薄膜时，其至少包括：谐振薄膜和湿度敏感薄膜。

4.根据权利要求3所述的湿度传感器件，其特征在于，所述湿度感测薄膜(22)为ZnO薄膜，其兼做谐振薄膜和湿度敏感薄膜。

5.根据权利要求1所述的湿度传感器件，其特征在于，所述支撑结构(10)包括：基底(11)和形成于所述基底(11)上的衬底薄膜(12)；

其中，所述基底的中心区域开窗释放为周边约束悬空结构，所述湿度测量结构(20)形成于悬空区域内的衬底薄膜上。

6.根据权利要求5所述的湿度传感器件，其特征在于，所述底电极(21)下方，其边缘内侧的衬底薄膜在部分区域被释放而开窗，以露出该区域的底电极。

7.根据权利要求5所述的湿度传感器件，其特征在于，所述基底为 单晶硅片，所述衬底薄膜为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜，或氧化硅氮化硅混合绝缘薄膜。

8.根据权利要求5所述的湿度传感器件，其特征在于，所述谐振单元与所述悬空区域的中心重合。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的湿度传感器件，其特征在于，还包括：

加热组件(30)，形成于所述支撑结构(10)上，所述湿度测量结构(20)的外围，包括：加热电阻薄膜(31)；以及

温度测量组件(40)，形成于所述支撑结构(10)上，湿度测量结构(20)的外围，包括：温度敏感薄膜(41)。

10.根据权利要求9所述的湿度传感器件，其特征在于：所述加热电阻薄膜(31)形成于悬空区域的衬底薄膜上。

11.根据权利要求9所述的湿度传感器件，其特征在于，所述湿度感测薄膜(22)延伸至所述底电极(21)和顶电极(23)所限定区域的外部；

所述加热电阻薄膜(31)和温度敏感薄膜(41)的两者其中之一位于湿度感测薄膜(22)的下方，底电极(21)的外侧；其中另一位于湿度感测薄膜(22)的上方，顶电极(23)的外侧。

12.根据权利要求9所述的湿度传感器件，其特征在于：

所述加热组件(30)中，加热电阻薄膜为铂薄膜或多晶硅薄膜；

所述温度测量组件(40)中，所述温度敏感薄膜为铂薄膜，在该铂薄膜与其下方的器件部分之间具有绝缘薄膜。