CN105043581A - 一种无线无源mems温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线无源MEMS温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、第三中间介质层和上介质层，在下介质层和第一中间介质层之间设置第一铁磁材料层，在第一中间介质层和第二中间介质层之间设置第一敏感电感和电容下级板，在第二中间介质层和第三中间介质层之间设置第二敏感电感和电容上级板，在第三中间介质层和上介质层之间设置第二铁磁材料层；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。本发明提供的温度传感器具有尺寸小、结构简单且紧凑、加工方便、制作成本低、灵敏度高及线性度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)温度传感器，尤其涉及一种无线无源MEMS温度传感器及其制备方法。
背景技术
温度传感器在航空航天、气象监测、工农业生产及民众日常生活中应用广泛。无线温度传感器是温度传感器的一个重要分支，它无需连线就可以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，无线温度传感器具有广阔的发展前景。
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。
目前，无线无源MEMS温度传感器主要由电容及电感(LC)连接组成：电容作为传感器的温度敏感元件，温度变化会引起电容的介电常数或极板间距改变，导致电容值发生变化，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耦合电感获取传感器的谐振频率等电学参数，即可实现温度测量。对于这种LC式无线无源温度传感器，需要通过增加温敏元件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、结构简单且紧凑、加工方便、制作成本低、灵敏度高及线性度高的无线无源MEMS温度传感器，并同时给出一种无线无源MEMS温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温度传感器，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、第三中间介质层和上介质层，下介质层、第一中间介质层、第二中间介质层、第三中间介质层和上介质层均覆盖空腔区域和侧壁区域；在下介质层和第一中间介质层之间设置第一铁磁材料层，第一铁磁材料层位于空腔区域；在第一中间介质层和第二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(增强温度变化时敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所引起的变形以提高整个传感器的灵敏度)，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；在第二中间介质层和第三中间介质层之间设置第二敏感电感和电容上级板，第二敏感电感位于空腔区域并位于第一敏感电感正上方(增强温度变化时敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所引起的变形以提高整个传感器的灵敏度，并且使得第一敏感与第二敏感电感之间形成大的互感，进一步增强敏感电感的值及对环境温度的响应变化，提高传感器灵敏度)，电容上级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，电容上级板与第二敏感电感的外侧端连接；在第三中间介质层和上介质层之间设置第二铁磁材料层，第二铁磁材料层位于空腔区域；在第一中间介质层上表面的中心位置设置连接柱，连接柱贯穿第二中间介质层并深入到第三中间介质层内，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。
优选的，所述下介质层为SiO2层，厚度在100nm～1000nm范围内。SiO2层所具有的低介电常数可以抑制衬底所引入的寄生电容；此外，SiO2层所具有的小的热膨胀系数可以增加温度变化时由于敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所产生的形变，提高传感器灵敏度。
优选的，所述第一铁磁材料层和第二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，铁磁材料层在形变后产生的应变会造成所属层的磁导率发生变化，进而引起敏感电感的值发生变化。
优选的，所述第一敏感电感和第二敏感电感均为由Al构成的矩形螺旋面结构。Al所具有的大热膨胀系数可以增加温度变化时由于敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所产生的形变，提高传感器灵敏度；此外，Al所具有的低电阻率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。此外，由于敏感电感与介质层之间的热膨胀系数失配，在温度变化时第一敏感电感和第二敏感电感均会引起传感器的方形膜发生相似的形变，从而有效增强了传感器对环境温度的机械响应强度，进一步提高了传感器灵敏度。
优选的，所述第一中间介质层为SiO2层。SiO2层所具有的小的热膨胀系数可以增加温度变化时由于敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所产生的形变，提高传感器灵敏度；此外，SiO2层所具有的低介电常数有利于抑制第一敏感电感与第一铁磁材料层之间的寄生电容，提高第一敏感电感的品质因数。
优选的，所述第二中间介质层为SiO2层。SiO2层所具有的小的热膨胀系数可以增加温度变化时由于敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所产生的形变，提高传感器灵敏度；此外，SiO2层所具有的大的禁带宽度有利于防止第一敏感电感与第二敏感电感之间的漏电及发生短路。第二中间介质层的厚度在50nm～200nm范围内，该层厚度过小，将造成第一敏感电感与第二敏感电感之间的漏电甚至发生短路，该层厚度过大，将减小第一敏感电感与第二敏感电感之间形成的互感。
优选的，所述第三中间介质层为SiO2层。SiO2层所具有的小的热膨胀系数可以增加温度变化时由于敏感电感与介质层的热膨胀系数失配所产生的形变，提高传感器灵敏度；此外，SiO2层所具有的低介电常数有利于抑制第二敏感电感与第二铁磁材料层之间的寄生电容，提高第二敏感电感的品质因数。
优选的，所述上介质层为具有防湿气渗透能力的介质层，优选为Si3N4层；上介质层用于阻止由于传感器的材料吸湿所引起的方形膜弯曲，从而抑制环境湿度对于传感器性能的影响，提高传感器对温度测量的选择性和灵敏度。
本发明的无线无源MEMS温度传感器的工作原理如下：利用在温度变化时敏感电感与传感器其他各层材料因热膨胀系数失配而产生热应力，使得传感器的方形膜发生形变，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，第一铁磁材料层和第二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。该无线无源温度传感器可以完全由MEMS加工工艺制作。
一种无线无源MEMS温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，通过湿氧热氧化在衬底的上表面生长500nm厚度的SiO2作为下介质层，同时在所述衬底背面热生长SiO2层；
(2)刻蚀所述衬底背面的SiO2，以SiO2做掩膜使用TMAH试剂对硅衬底进行湿法刻蚀，形成空腔；
(3)在下介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成第一铁磁材料层；
(4)通过增强型化学气相沉积的方法在第一铁磁材料层上制作一层200nm厚度SiO2，形成第一中间介质层；
(5)在第一中间介质层的上表面溅射Al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；
(6)通过增强型化学气相沉积的方法在第一敏感电感上制作一层100nm厚度SiO2，形成第二中间介质层；
(7)对第二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Al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SiO2作为第三中间介质层；
(9)在第三中间介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成第二铁磁材料层；
(10)在第二铁磁材料层上通过增强型化学气相沉积的方法制作一层200nm厚度Si3N4，形成上介质层。
有益效果：本发明提供的无线无源MEMS温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式无线无源温度传感器相比，本发明的传感器的电感既用于传感器信号的无线传输，同时还作为温度敏感元件，通过敏感电感与介质层的热膨胀系数失配直接响应温度的变化，结构简单、紧凑；2、本发明采用叠层分布的双层电感来响应温度变化，既减少传感器的面积，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，本发明的双层电感之间所形成的互感可进一步增强敏感电感的值及对温度的响应，提高传感器的灵敏度；进一步地，在温度变化时本发明的双层电感共同作用使得传感器方形膜发生形变，增强了传感器对温度的响应强度，进一步提高传感器灵敏度；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；此外，本发明使用结构中现成的敏感电感与介质层的热膨胀系数失配来响应温度变化，无需额外的温度敏感层(或结构)即可响应温度变化，进一步降低了工艺步骤和制作难度；4、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；5、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为本发明传感器的等效电路图。
图中有：衬底1、空腔11、下介质层21、第一中间介质层22、第二中间介质层23、第三中间介质层24、上介质层25、第一铁磁材料层31、第二铁磁材料层32、第一敏感电感51、第二敏感电感52、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6。
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温度传感器，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21、第一中间介质层22、第二中间介质层23、第三中间介质层24和上介质层25，下介质层21、第一中间介质层22、第二中间介质层23、第三中间介质层24和上介质层25均覆盖空腔区域和侧壁区域；在下介质层21和第一中间介质层22之间设置第一铁磁材料层31，第一铁磁材料层31位于空腔区域；在第一中间介质层22和第二中间介质层23之间设置第一敏感电感51和电容下级板41，第一敏感电感51位于空腔区域，电容下级板41位于侧壁区域，第一敏感电感51为矩形螺旋面结构，电容下级板41与第一敏感电感51的外侧端连接；在第二中间介质层23和第三中间介质层24之间设置第二敏感电感52和电容上级板42，第二敏感电感52位于空腔区域并位于第一敏感电感51正上方，电容上级板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52为矩形螺旋面结构，电容上级板42与第二敏感电感52的外侧端连接；在第三中间介质层24和上介质层25之间设置第二铁磁材料层32，第二铁磁材料层32位于空腔区域；在第一中间介质层22上表面的中心位置设置连接柱6，连接柱6贯穿第二中间介质层23并深入到第三中间介质层24内，第一敏感电感51的内侧端和第二敏感电感52的内侧端均与连接柱6连接，实现第一敏感电感51和第二敏感电感52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之间的第二中间介质层23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21为SiO2层，厚度在100nm～1000nm范围内。
所述第一铁磁材料层31和第二铁磁材料层32为具有逆磁滞伸缩效应的CoFeB层、CoFeSiB层或NiFeSiB层。
所述第一敏感电感35和第二敏感电感32均为由Al构成的矩形螺旋面结构。
所述第一中间介质层22、第二中间介质层23和第三中间介质层24均为SiO2层，并且第二中间介质层23的厚度在50nm～200nm范围内。
所述上介质层25为Si3N4层。
上述无线无源MEMS温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，通过湿氧热氧化在衬底的上表面生长500nm厚度的SiO2作为下介质层，同时在所述衬底背面热生长SiO2层；
(2)刻蚀所述衬底背面的SiO2，以SiO2做掩膜使用TMAH试剂对硅衬底进行湿法刻蚀，形成空腔；
(3)在下介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成第一铁磁材料层；
(4)通过增强型化学气相沉积的方法在第一铁磁材料层上制作一层200nm厚度SiO2，形成第一中间介质层；
(5)在第一中间介质层的上表面溅射Al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；
(6)通过增强型化学气相沉积的方法在第一敏感电感上制作一层100nm厚度SiO2，形成第二中间介质层；
(7)对第二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Al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SiO2作为第三中间介质层；
(9)在第三中间介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成第二铁磁材料层；
(10)在第二铁磁材料层上通过增强型化学气相沉积的方法制作一层200nm厚度Si3N4，形成上介质层。
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 (8)
1.一种无线无源MEMS温度传感器，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(21)、第一中间介质层(22)、第二中间介质层(23)、第三中间介质层(24)和上介质层(25)，下介质层(21)、第一中间介质层(22)、第二中间介质层(23)、第三中间介质层(24)和上介质层(25)均覆盖空腔区域和侧壁区域；在下介质层(21)和第一中间介质层(22)之间设置第一铁磁材料层(31)，第一铁磁材料层(31)位于空腔区域；在第一中间介质层(22)和第二中间介质层(23)之间设置第一敏感电感(51)和电容下级板(41)，第一敏感电感(51)位于空腔区域，电容下级板(41)位于侧壁区域，第一敏感电感(51)为矩形螺旋面结构，电容下级板(41)与第一敏感电感(51)的外侧端连接；在第二中间介质层(23)和第三中间介质层(24)之间设置第二敏感电感(52)和电容上级板(42)，第二敏感电感(52)位于空腔区域并位于第一敏感电感(51)正上方，电容上级板(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(52)为矩形螺旋面结构，电容上级板(42)与第二敏感电感(52)的外侧端连接；在第三中间介质层(24)和上介质层(25)之间设置第二铁磁材料层(32)，第二铁磁材料层(32)位于空腔区域；在第一中间介质层(22)上表面的中心位置设置连接柱(6)，连接柱(6)贯穿第二中间介质层(23)并深入到第三中间介质层(24)内，第一敏感电感(51)的内侧端和第二敏感电感(52)的内侧端均与连接柱(6)连接，实现第一敏感电感(51)和第二敏感电感(52)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)之间的第二中间介质层(23)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温度传感器，其特征在于：所述衬底(1)为硅衬底。
3.根据权利要求1所述的无线无源MEMS温度传感器，其特征在于：所述下介质层(21)为SiO2层，厚度在100nm～1000nm范围内。
4.根据权利要求1所述的无线无源MEMS温度传感器，其特征在于：所述第一铁磁材料层(31)和第二铁磁材料层(32)为具有逆磁滞伸缩效应的CoFeB层、CoFeSiB层或NiFeSiB层。
5.根据权利要求1所述的无线无源MEMS温度传感器，其特征在于：所述第一敏感电感(35)和第二敏感电感(32)均为由Al构成的矩形螺旋面结构。
6.根据权利要求1所述的无线无源MEMS温度传感器，其特征在于：所述第一中间介质层(22)、第二中间介质层(23)和第三中间介质层(24)均为SiO2层，并且第二中间介质层(23)的厚度在50nm～200nm范围内。
7.根据权利要求1所述的无线无源MEMS温度传感器，其特征在于：所述上介质层(25)为Si3N4层。
8.一种无线无源MEMS温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，通过湿氧热氧化在衬底的上表面生长500nm厚度的SiO2作为下介质层，同时在所述衬底背面热生长SiO2层；
(2)刻蚀所述衬底背面的SiO2，以SiO2做掩膜使用TMAH试剂对硅衬底进行湿法刻蚀，形成空腔；
(3)在下介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成第一铁磁材料层；
(4)通过增强型化学气相沉积的方法在第一铁磁材料层上制作一层200nm厚度SiO2，形成第一中间介质层；
(5)在第一中间介质层的上表面溅射Al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；
(6)通过增强型化学气相沉积的方法在第一敏感电感上制作一层100nm厚度SiO2，形成第二中间介质层；
(7)对第二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Al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SiO2作为第三中间介质层；
(9)在第三中间介质层上溅射NiFeSiB并光刻形成第二铁磁材料层；
(10)在第二铁磁材料层上通过增强型化学气相沉积的方法制作一层200nm厚度Si3N4，形成上介质层。
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