CN105115540A - Mems惯性传感器、湿度传感器集成装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS惯性传感器、湿度传感器集成装置及其制造方法，可动质量块结构包括固定在共用衬底上的锚点，以及通过锚点悬置在共用衬底上方的可动质量块，第一湿度传感器电容结构、第二湿度传感器电容结构分别包括设置在共用衬底上的至少一对第一固定极板、第二固定极板，在每对第一固定极板、第二固定极板的间隙中填充有湿敏材料；还包括将可动质量块结构、第一湿度传感器电容结构密封在共用衬底上的第一盖体。本发明的集成装置，可以采用相同的MEMS器件工艺，将电容式MEMS惯性器件和湿度传感器同时集成在单个芯片上，可以有效地降低成本，同时也可以大大减少MEMS惯性器件和湿度传感器所占用的芯片面积。
Description
技术领域
本发明涉传感器测量领域，更具体地，涉及一种传感器的集成装置，尤其涉及一种MEMS惯性传感器、湿度传感器的集成装置；本发明还涉及一种集成装置的制造方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，手机、笔记本电脑等电子产品的体积在不断减小，而且人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，这就要求与之配套的电子零部件的体积也必须随之减小。
传感器作为测量器件，已经普遍应用在手机、笔记本电脑等电子产品上，众多系统厂商希望这些测量器件在保持现有性能的基础上，进一步缩小芯片的尺寸，以适应这类电子产品的小型化发展。但是在现有的工艺结构中，MEMS惯性器件和湿度传感器大多采用不同的工艺流程，所以只能通过两颗不同的芯片来分别实现惯性信号和湿度信号的检测，这不但增加了制造的成本，同时也增大了芯片的使用面积。而且现在各传感器的制造工艺已经比较成熟，工艺能力已经接近极限，很难再根据系统厂商的要求进一步缩减芯片的尺寸。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS惯性传感器、湿度传感器集成装置的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS惯性传感器、湿度传感器集成装置，包括共用衬底，在所述共用衬底上设有用于惯性传感器的可动质量块结构，所述可动质量块结构包括固定在共用衬底上的锚点，以及通过锚点悬置在共用衬底上方的可动质量块，在所述共用衬底上还设有第一湿度传感器电容结构、第二湿度传感器电容结构，其中所述第一湿度传感器电容结构、第二湿度传感器电容结构分别包括设置在共用衬底上的至少一对第一固定极板、第二固定极板，在所述每对第一固定极板、第二固定极板的间隙中填充有湿敏材料；还包括将可动质量块结构、第一湿度传感器电容结构密封在所述共用衬底上的第一盖体；所述第二湿度传感器电容结构与外界连通。
优选地，其中，所述第一湿度传感器电容结构与第二湿度传感器电容结构具有相同的初始电容值。
优选地，所述第一湿度传感器电容结构与第二湿度传感器电容结构具有完全相同的结构。
优选地，还设置有将第二湿度传感器电容结构封装在所述共用衬底上的第二盖体，其中，所述第二盖体上设置有贯通孔。
优选地，所述锚点、第一固定极板、第二固定极板与共用衬底之间设置有绝缘层。
优选地，所述锚点、可动质量块以及第一固定极板、第二固定极板在所述共用衬底上具有相同的高度。
本发明还提供了一种上述集成装置的制造方法，包括以下步骤：
a)在共用衬底上沉积绝缘层，并对该绝缘层进行刻蚀，形成可动质量块的运动空间；
b)将MEMS结构层键合在绝缘层的上端；
c)对MEMS结构层进行刻蚀，形成至少一对第一固定极板、至少一对第二固定极板；
d)分别在第一固定极板、第二固定极板的间隙内填充湿敏材料，形成第一湿度传感器电容结构、第二湿度传感器电容结构；
e)继续刻蚀MEMS结构层，形成可动质量块结构的锚点以及可动质量块，并将第一湿度传感器电容结构、第二湿度传感器电容结构、可动质量块结构分隔开；
f)将第一盖体键合在MEMS结构层上，以将可动质量块结构、第一湿度传感器电容结构密封在所述共用衬底上。
优选地，所述第一盖体通过金属键合在MEMS结构层上。
优选地，在所述步骤c)之前，还包括将MEMS结构层减薄至预定厚度的步骤。
优选地，在所述步骤f)中，还包括将具有贯通孔的第二盖体键合在MEMS结构层上，以将第二湿度传感器电容结构封装在所述共用衬底上的步骤。
本发明的集成装置中，第一湿度传感器电容结构由于密封在第一盖体与共用衬底围成的密闭容腔中，使其对外界的湿度变化不敏感，而第二湿度传感器电容结构由于暴露在外界，使其对外界的湿度变化敏感。由此，第一湿度传感器电容结构与第二湿度传感器电容结构可以构成一对差分电容结构。该两个湿度传感器电容结构对外界共模干扰可以产生基本一致的响应，这样，利用第一湿度传感器电容结构的输出信号便可以至少部分地滤除第二湿度传感器电容结构输出信号中的共模干扰信号，进而可以提高第二湿度传感器电容结构输出信号的稳定性及分辨率。
本发明的集成装置，可以采用相同的MEMS器件工艺，将电容式MEMS惯性器件和湿度传感器同时集成在单个芯片上，可以有效地降低成本，同时也可以大大减少MEMS惯性器件和湿度传感器所占用的芯片面积。
本发明的发明人发现，在现有技术中，MEMS惯性器件和湿度传感器大多采用不同的工艺流程，所以只能通过两颗不同的芯片来分别实现惯性信号和湿度信号的检测，这不但增加了制造的成本，同时也增大了芯片的使用面积。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明集成装置的剖面图。
图2至图6是图1中集成装置的制造工艺流程图。
图7是本发明集成装置另一种实施方式的剖面图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1至图6，本发明提供了一种MEMS惯性传感器、湿度传感器集成装置，其包括共用衬底1，在所述共用衬底1上设有用于惯性传感器的可动质量块结构7，所述可动质量块结构7包括固定在共用衬底1上的锚点71，以及通过锚点71悬置在共用衬底1上方的可动质量块70。可动质量块结构7为惯性传感器的重要部件，其通过弹性扭梁连接在锚点71上，并使可动质量块70悬置在共用衬底1的上方，可动质量块70与共用衬底1之间设有供可动质量块70运动的空间8。当受到相应方向的惯性力时，可动质量块70会发生相应的运动，从而通过构成的电容结构来表征可动质量块70所受到的惯性力。本发明中，惯性传感器可以是陀螺仪、加速度计等，其具体的结构、工作原理属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
在所述共用衬底1上还设有第一湿度传感器电容结构5、第二湿度传感器电容结构6，其中，所述第一湿度传感器电容结构5包括固定在共用衬底1上的至少一对第一固定极板50，两个第一固定极板50之间具有间隙50a，在所述间隙50a中填充有湿敏材料51。湿度传感器的结构、工作原理属于本领域技术人员的公知常识，其中，湿敏材料51可以是纳米纤维体，其可以由等离子体轰击聚合物材料获得，等离子体可以为氧等离子体、氩等离子体，聚合物材料可以为聚酰亚胺、正性光刻胶、负性光刻胶、聚二甲基硅氧烷、派瑞林或其它微电子工艺常用的聚合物材料。当湿度传感工作时，湿敏材料51可以吸附空气中的水分子，使得两个第一固定极板50之间的介电常数发生变化，由此使两个第一固定极板50所构成的电容的值发生变化，实现了空气湿度的测量。
其中，为了提高输出信号的精度，可以设置多对第一固定极板50，以构成多个检测电容结构，该多个检测电容结构可以构成第一湿度传感器的差分电容结构。
基于相同的道理，所述第二湿度传感器电容结构6包括固定在共用衬底1上的至少一对第二固定极板60，两个第二固定极板60之间具有间隙60a，在所述间隙60a中填充有湿敏材料61。
本发明的集成装置，还包括封装在共用衬底1上的第一盖体3，以形成密闭的容腔10，其中，所述可动质量块结构7、第一湿度传感器电容结构5位于所述容腔10中，也就是说，通过第一盖体3将所述可动质量块结构7、第一湿度传感器电容结构5密封在共用衬底1上，从而使得第一湿度传感器电容结构5与外界隔离开来，也就是说，第一湿度传感器电容结构5不会随着外界湿度的变化而输出相应的电容值。而第二湿度传感器电容结构6则直接暴露在外界，使得第二湿度传感器电容结构6可以随着外界湿度的变化而输出相应的电容值，以实现对外界湿度的检测。
本发明的集成装置中，第一湿度传感器电容结构5由于密封在第一盖体3与共用衬底1围成的密闭容腔10中，使其对外界的湿度变化不敏感，而第二湿度传感器电容结构6由于暴露在外界，使其对外界的湿度变化敏感。由此，第一湿度传感器电容结构5与第二湿度传感器电容结构6可以构成一对差分电容结构。该两个湿度传感器电容结构5、6对外界共模干扰可以产生基本一致的响应，这样，利用第一湿度传感器电容结构5的输出信号便可以至少部分地滤除第二湿度传感器电容结构6输出信号中的共模干扰信号，进而可以提高第二湿度传感器电容结构6输出信号的稳定性及分辨率。
在本发明另一实施方式中，所述共用衬底1上还设置有将第二湿度传感器电容结构6封装在共用衬底1上的第二盖体9，参考图7，其中，所述第二盖体9上设置有贯通孔90，使得第二湿度传感器电容结构6与外界连通起来，以便对外界的湿度进行检测。采用第二盖体9，可以有效降低外界环境中固定颗粒及其它污染物对第二湿度传感器电容结构6的影响，同时，第二盖体9对外界的电磁干扰也可以起到一定的屏蔽作用，使第二湿度传感器电容结构6的输出更加稳定，信噪比更高。
在本发明一个具体的实施方式中，优选所述第一湿度传感器电容结构5与第二湿度传感器电容结构6具有相同的初始电容值。为了保证第一湿度传感器电容结构5和第二湿度传感器电容结构6对外界共模干扰的响应基本一致，以最大程度地滤除第二湿度传感器电容结构6输出信号中的共模干扰信号，消除第一湿度传感器电容结构5输出信号对第二湿度传感器电容结构6输出信号中的有效信号的影响，该第一湿度传感器电容结构5与第二湿度传感器电容结构6具有相同的结构，使第一湿度传感器电容结构5与第二湿度传感器电容结构6具有基本相同的初始电容值，该相同的结构包括二者对应部分的材料、形状、尺寸和形成位置等。
本发明的集成装置，锚点71、可动质量块70、第一固定极板50、第二固定极板60可以采用单晶硅材料，这就使得可以在由单晶硅材料构成的同一MEMS结构层a上制作出上述结构。其中，为了工艺的便捷，锚点71、可动质量块70、第一固定极板50、第二固定极板60在共用衬底1上具有相同的高度。进一步优选的是，为了保证绝缘，锚点71、第一固定极板50、第二固定极板60与共用衬底1之间设置有绝缘层2。
本发明还提供了一种集成装置的制造方法，包括以下步骤：
a)在共用衬底1上沉积一层绝缘层2，并对该绝缘层2进行刻蚀，形成可动质量块的运动空间8，参考图2；其中，绝缘层2可以采用二氧化硅材料。
b)将MEMS结构层a键合在绝缘层2上的上端，参考图3；其中，MEMS结构层a可以是单晶硅材料，其可以通过本领域技术人员所熟知的方式键合在绝缘层2上。
c)对MEMS结构层a进行刻蚀，形成第一湿度传感器电容结构5、第二湿度传感器电容结构6的固定极板；具体地，参考图4，在MEMS结构层a的相应位置进行刻蚀，以形成至少一对第一固定极板50、至少一对第二固定极板60，每对第一固定极板50、第二固定极板60之间分别设有间隙50a、60a。
其中，优选的是，在该步骤之前，还包括将MEMS结构层a减薄至预定厚度的步骤。也就是说，在步骤b)中，选择较厚的MEMS结构层a键合在绝缘层2上，之后再将其减薄至合适的厚度。采用这种方式，可以防止在键合过程中对MEMS结构层a造成损坏。
d)在间隙50a、60a内充填充湿敏材料51、61，以形成第一湿度传感器电容结构5、第二湿度传感器电容结构6，参考图5。
e)继续刻蚀MEMS结构层a，形成可动质量块结构7的锚点71以及可动质量块70，并将第一湿度传感器电容结构5、第二湿度传感器电容结构6、可动质量块结构7分隔开，参考图6；
f)将第一盖体3键合在MEMS结构层a上，以将可动质量块结构7、第一湿度传感器电容结构5密封在所述共用衬底1上，形成了如图1所示的集成装置。
在发明一个优选的实施方式中，还设置有金属4，所述第一盖体3通过金属4键合在MEMS结构层a上。进一步优选的是，在上述步骤f)中，还包括将具有贯通孔90的第二盖体9键合在MEMS结构层a上，以将第二湿度传感器电容结构6封装在所述共用衬底1上的步骤。
本发明的集成装置，可以采用相同的MEMS器件工艺，将电容式MEMS惯性器件和湿度传感器同时集成在单个芯片上，可以有效地降低成本，同时也可以大大减少MEMS惯性器件和湿度传感器所占用的芯片面积。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种MEMS惯性传感器、湿度传感器集成装置，其特征在于：包括共用衬底(1)，在所述共用衬底(1)上设有用于惯性传感器的可动质量块结构(7)，所述可动质量块结构(7)包括固定在共用衬底(1)上的锚点(71)，以及通过锚点(71)悬置在共用衬底(1)上方的可动质量块(70)，在所述共用衬底(1)上还设有第一湿度传感器电容结构(5)、第二湿度传感器电容结构(6)，其中所述第一湿度传感器电容结构(5)、第二湿度传感器电容结构(6)分别包括设置在共用衬底(1)上的至少一对第一固定极板(50)、第二固定极板(60)，在所述每对第一固定极板(50)、第二固定极板(60)的间隙(50a、60a)中填充有湿敏材料(51、61)；还包括将可动质量块结构(7)、第一湿度传感器电容结构(5)密封在所述共用衬底(1)上的第一盖体(3)；所述第二湿度传感器电容结构(6)与外界连通。
2.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：其中，所述第一湿度传感器电容结构(5)与第二湿度传感器电容结构(6)具有相同的初始电容值。
3.根据权利要求2所述的集成装置，其特征在于：所述第一湿度传感器电容结构(5)与第二湿度传感器电容结构(6)具有完全相同的结构。
4.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：还设置有将第二湿度传感器电容结构(6)封装在所述共用衬底(1)上的第二盖体(9)，其中，所述第二盖体(9)上设置有贯通孔(90)。
5.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：所述锚点(71)、第一固定极板(50)、第二固定极板(60)与共用衬底(1)之间设置有绝缘层(2)。
6.根据权利要求5所述的集成装置，其特征在于：所述锚点(71)、可动质量块(70)以及第一固定极板(50)、第二固定极板(60)在所述共用衬底(1)上具有相同的高度。
7.一种如权利要求1所述集成装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在共用衬底(1)上沉积绝缘层(2)，并对该绝缘层(2)进行刻蚀，形成可动质量块的运动空间(8)；
b)将MEMS结构层(a)键合在绝缘层(2)的上端；
c)对MEMS结构层(a)进行刻蚀，形成至少一对第一固定极板(50)、至少一对第二固定极板(60)；
d)分别在第一固定极板(50)、第二固定极板(60)的间隙(50a、60a)内填充湿敏材料(51、61)，形成第一湿度传感器电容结构(5)、第二湿度传感器电容结构(6)；
e)继续刻蚀MEMS结构层(a)，形成可动质量块结构(7)的锚点(71)以及可动质量块(70)，并将第一湿度传感器电容结构(5)、第二湿度传感器电容结构(6)、可动质量块结构(7)分隔开；
f)将第一盖体(3)键合在MEMS结构层(a)上，以将可动质量块结构(7)、第一湿度传感器电容结构(5)密封在所述共用衬底(1)上。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述第一盖体(3)通过金属(4)键合在MEMS结构层(a)上。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤c)之前，还包括将MEMS结构层(a)减薄至预定厚度的步骤。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤f)中，还包括将具有贯通孔(90)的第二盖体(9)键合在MEMS结构层(a)上，以将第二湿度传感器电容结构(6)封装在所述共用衬底(1)上的步骤。
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