CN105116019B - 一种电感式mems湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感式MEMS湿度传感器及其制备方法，通过在两块衬底上制备凹槽以及各自的电感线层后，将两块衬底组合后使其凹槽形成空腔，使各自的电感线以跨接方式连接形成螺旋电感，并在螺旋电感上方设置方形膜和感湿层。感湿层在吸湿后发生膨胀使得位于感湿层下方的方形膜发生弯曲形变，附着在方形膜上的那部分上层电感线亦跟随方形膜发生弯曲形变，进而引起螺旋电感线圈的截面面积发生变化，因此电感线圈的截面面积变化将导致电感值发生变化，通过后续电路测量出相应电感值，即可实现湿度的检测。本发明的传感器具有结构简单、线性度高、温度特性好、带负载能力强、可靠性高、应用范围广泛、制作成本低及一致性好等优点。

Description

一种电感式MEMS湿度传感器及其制备方法

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，尤其涉及一种电感式MEMS湿度传感器。

背景技术

湿度传感器主要用于环境中湿度的测量，已有多年的发展历史，它在工农业生产、国防军事、医疗诊断及气象预报等领域应用广泛。与传统的湿度传感器(如干湿球)相比，MEMS湿度传感器具有体积小、制作成本低、一致性好、可靠性高以及易于集成和实现智能化的特点，因此是湿度传感器的一个重要分支。MEMS湿度传感器主要包括压阻式MEMS湿度传感器及电容式MEMS湿度传感器等。压阻式MEMS湿度传感器利用感湿材料吸湿引起传感器的敏感结构(如悬臂梁)发生形变，进而引起分布在敏感结构中的压阻值发生变化，从而实现湿度测量。电容式MEMS湿度传感器则使用感湿材料作为电容器的电介质，利用电介质吸湿后介电常数发生改变，进而引起电容值发生变化来进行湿度测量。与压阻式MEMS湿度传感器比较，电容式MEMS湿度传感器具有线性度高、功耗低及温度特性好的优点，但是其输出阻抗较大，带负载能力较差。此外，作为电容器电介质的感湿材料在吸湿后会导致电容器产生严重的漏电，引起传感器的可靠性问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提出一种结构简单、线性度高、温度特性好、带负载能力强、可靠性高且应用范围广泛的电感式MEMS湿度传感器及其制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电感式MEMS湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)，选用硅作为第一衬底，通过湿氧热氧化的方法在第一衬底表面生长一层SiO₂；

(2)，以所述SiO₂做掩膜使用TMAH试剂对第一衬底进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为50～300μm，刻蚀后形成凹槽；

(3)，使用HF溶液去除第一衬底表面的SiO₂，并通过热氧化的方法在第一衬底表面及凹槽的底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO₂，形成底氧化层；

(4)，通过溅射在所述底氧化层表面依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线层的种子层；

(5)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，定义出电感线层图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；

(6)，通过电镀的方法在所述电感线层图形区域生长10～30μm的Cu；

(7)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的种子层，完成电感线层的制备；

(8)，通过增强型化学气相沉积的方法在所述电感线层位于凹槽内区域的表面制作一层100～1000nm厚度的SiO₂并光刻，形成顶氧化层；

(9)，按照步骤(1)-(8)，在第二衬底表面依次制备凹槽、底氧化层、电感线层以及顶氧化层；

(10)，将所述第一衬底置于第二衬底上方，第一衬底和第二衬底上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，所述第一衬底的凹槽正对第二衬底的凹槽并共同形成空腔；

(11)，使用化学机械抛光方法对所述第一衬底进行上表面抛光，将第一衬底上表面与底氧化层之间的硅层厚度减薄至5～20μm，形成方形膜；

(12)，通过旋涂法在第一衬底表面制作一层聚酰亚胺后，亚胺化并光刻，在所述方形膜正上方形成2～5μm的感湿层。

一种电感式MEMS湿度传感器，包括第一衬底、方形膜以及感湿层，所述第一衬底下表面中部开有第一凹槽，所述第一衬底下表面以及第一凹槽的底部和周侧均设有第一底氧化层，在所述第一底氧化层表面设有第一电感线层，所述第一电感线层包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第一凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第一凹槽外部，在第一电感线层位于所述第一凹槽内的区域上设有第一顶氧化层；所述方形膜设置在第一衬底上表面正对所述第一凹槽的区域，所述感湿层置于所述方形膜上方；

第二衬底，在所述第二衬底上表面中部开有第二凹槽，所述第二衬底上表面以及第二凹槽的底部和周侧均设有第二底氧化层，在所述第二底氧化层表面设有第二电感线层，所述第二电感线层包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽外部，在第二电感线层位于所述第二凹槽内的区域上设有第二顶氧化层；

所述第一衬底设置于第二衬底上方，所述第一凹槽和第二凹槽共同形成空腔，所述第一电感线层与所述第二电感线层的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感。

进一步的，所述第一电感线层和第二电感线层由一层Ti和一层Cu复合构成，第一电感线层和第二电感线层的电感线的首端和尾端之间通过Cu-Cu之间共晶键合。

进一步的，所述第一衬底和第二衬底为硅衬底，所述第一凹槽和第二凹槽的深度在50～300μm，所述第一底氧化层、第二底氧化层、第一顶氧化层、第二顶氧化层均为厚度在100～1000nm的SiO₂，所述方形膜为由硅类材料制备的厚度为5～20μm的薄膜结构，所述感湿层为2～5μm的聚酰亚胺层。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、与压阻式或电容式MEMS湿度传感器比较，本发明的传感器采用电感来测量湿度，无需额外增加器件或电路即可通过电感耦合机制实现传感器信号的无线传输，传感器结构简单，可对一些无法连线的环境进行湿度测量(如密封环境)，应用范围广泛。

2、本发明的传感器，由于感湿层吸湿后引起螺旋电感线圈的截面面积发生变化，由于螺旋电感的值与电感线圈的截面面积呈线性关系，因此本发明的传感器具有高线性度。

3、与压阻比较，电感值受温度变化影响较小，因而本发明的传感器温漂小，温度特性好；与电容相比，电感的输出阻抗较小，因此本发明传感器的带负载能力强；此外，本发明的感湿材料仅用于通过吸湿使传感器产生形变，并非电感的组成部分，因此避免了由于感湿材料吸湿所引起的器件可靠性问题。

4、本发明采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的第二衬底的俯视图；

图3本发明螺旋电感的结构示意图；

图中有：第一衬底10、第一凹槽11、第一底氧化层12、第一电感层13、第一顶氧化层14、方形膜15、感湿层16、第二衬底20、第二凹槽21、第二底氧化层22、第二电感层23、第二顶氧化层24。

具体实施方式

一种电感式MEMS湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)，选用500μm厚的N型(100)硅作为第一衬底10，通过湿氧热氧化的方法在第一衬底10下表面生长1000nm厚度的SiO₂，其中第一衬底10的形状为长条矩形。

(2)，以步骤(1)制备的SiO₂做掩膜使用TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide，四甲基氢氧化铵)试剂对第一衬底10进行各向异性湿法刻蚀，刻蚀深度为50～300μm，刻蚀后形成第一凹槽11。

(3)，使用HF(氢氟酸)溶液去除第一衬底10下表面的SiO₂，并通过湿氧热氧化的方法在第一衬底10下表面及第一凹槽11的底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO₂，形成第一底氧化层12。

(4)，按上述步骤(1)-(3)，在第二衬底20上表面制备第二凹槽21，并在第二凹槽21的底部和周侧区域制备第二底氧化层22。

(5)，通过溅射在第一底氧化层12表面依次制作一层100nm Ti以及一层500nm Cu，作为制作电感线层的种子层。

(6)，通过喷涂法在Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，定义出电感线层图形。由于第一衬底10上的第一电感线层13包括若干根间隔设置的电感线，因此在定义出电感线层图形时需根据预先计算好的电感线的形状及位置采用相应的掩膜板。如图2所示，电感线的中部位于第一凹槽11内并与凹槽贴合，电感线的首端和尾端分别位于第一凹槽外部的第一底氧化层12表面上。

(7)，通过电镀的方法在已定义出的电感线层图形的区域生长10～30μm的Cu。

(8)，通过剥离及刻蚀技术去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的种子层，形成第一电感线层13。

(9)，按照步骤(5)-(8)，在第二衬底20的第二底氧化层22上制备第二电感线层23。其中，根据电感式MEMS湿度传感器中螺旋电感的结构以及第一电感线层13中各电感线的形状及位置，预先设计好第二电感线层23中电感线的形状及位置，使用相应的掩膜板通过光刻定义第二电感线层23的图形。

(10)，通过增强型化学气相沉积的方法在第一电感线层13位于第一凹槽11内区域的表面制作一层100～1000nm厚度的SiO₂并光刻，形成第一顶氧化层14；并在第二电感线层23位于第二凹槽21内区域的表面制作一层100～1000nm厚度的SiO₂并光刻，形成第二顶氧化层24。

(11)，将第一衬底10置于第二衬底20上方，第一衬底10和第二衬底20上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，第一衬底的凹槽正对第二衬底的凹槽并共同形成空腔。

(12)，使用化学机械抛光方法对第一衬底10进行上表面抛光，将第一衬底上表面与第一底氧化层12之间的硅层厚度减薄至5～20μm，形成方形膜15。

(13)，通过旋涂法在方形膜表面制作一层聚酰亚胺后，亚胺化并光刻，在方形膜正上方形成2～5μm厚的感湿层16。

根据上述方法制备的电感式MEMS湿度传感器如图1所示，包括第一衬底10、第二衬底20、方形膜15以及感湿层16。在第一衬底10下表面中部开有第一凹槽11，第一衬底10下表面以及第一凹槽11的底部和周侧均设有第一底氧化层12，在第一底氧化层12表面设有第一电感线层13，所述第一电感线层13包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第一凹槽11内，每根电感线的首端和尾端分别位于第一凹槽11外部，在第一电感线层13位于所述第一凹槽11内的区域上设有第一顶氧化层14；所述方形膜15设置在第一衬底10上表面正对所述第一凹槽11的区域，所述感湿层16置于所述方形膜15上方。在第二衬底20上表面中部开有第二凹槽21，第二衬底20上表面以及第二凹槽21的底部和周侧均设有第二底氧化层22；在第二底氧化层22表面设有第二电感线层23，第二电感线层23包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽21内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽21外部，在第二电感线层23位于所述第二凹槽21内的区域上设有第二顶氧化层24。

第一衬底10设置于第二衬底20上方，第一凹槽11和第二凹槽21形状及尺寸相同，第一凹槽11和第二凹槽21共同形成空腔，第一电感线层13与第二电感线层23的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感。第一底氧化层12和第二底氧化层22的作用在于将衬底与电感线隔离，防止电感线与衬底短接。第一电感线层13和第二电感线层23由一层Ti和一层Cu复合构成，通过Ti提高Cu与底氧化层之间的粘附性；采用Cu降低电感线的寄生电阻，提高电感的品质因数；并通过上层电感线的Cu与下层电感线的Cu之间共晶键合，实现将第一衬底与第二衬底组合在一起，形成螺旋电感和空腔。第一顶氧化层14和第二顶氧化层24用于防止方形膜形变幅度过大时，导致上层电感线与下层电感线直接接触，发生短路，以提高传感器的可靠性。

其中，第一电感线层13与第二电感线层23的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感，具体为：第二电感线层23中沿衬底长度排列方向的第(i+1)根电感线的尾端与第一电感线层13中排列方向的第(i+1)根电感线的尾端通过Cu-Cu键合，第二电感线层23中排列方向的第(i+1)根电感线的首端与第一电感线层13中排列方向的第i根电感线的首端通过Cu-Cu键合，螺旋电感的两端具有引出端。螺旋电感的结构如图3所示，图中所示的第一衬底10上的第一电感线层13具有3根电感线，第二衬底20上的第二电感线层23具有4根电感线，第二衬底20上的第二电感线层23的第一根电感线的首端和第四根电感线的尾端作为螺旋电感的引出端。

本发明的电感式MEMS湿度传感器中，感湿层为对湿度敏感的吸湿材料，优选为聚酰亚胺，其工作原理如下：感湿层16在吸湿后发生膨胀使得位于感湿层16下方的方形膜15发生弯曲形变，附着在方形膜15上的那部分上层电感线13亦跟随方形膜15发生弯曲形变，进而引起螺旋电感线圈的截面面积发生变化，由于螺旋电感值与其线圈的截面面积呈线性关系，因此电感线圈的截面面积变化将导致电感值发生变化，并且环境湿度越高，感湿层16吸湿后引起的方形膜形变越大，电感线圈的截面面积变化也越大，从而导致电感值的变化也越大。通过后续电路测量出相应电感值，即可实现湿度的检测。

其中，衬底上制备的凹槽的深度在50～300μm，在该范围内凹槽深度越大，相应的螺旋电感线圈的截面面积也越大，对应的电感初值也越大，在相同形变下引起的电感值相对变化量越小，传感器的灵敏度越低；另一方面，凹槽的深度越大，对于给定的方形膜，其所允许的形变的幅度也越大，传感器测量的量程越宽。方形膜15的厚度在5～20μm，在相同环境下，该范围内较薄的方形膜可产生大形变，有助于提高传感器灵敏度；另一方面，该范围内较薄的厚方形膜有利于增强传感器的机械强度及增加传感器的量程。

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 (4)

1.一种电感式MEMS湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)，选用硅作为第一衬底，通过湿氧热氧化的方法在第一衬底表面生长一层SiO₂；

(2)，以所述SiO₂做掩膜使用TMAH试剂对第一衬底进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为50～300μm，刻蚀后形成凹槽；

(3)，使用HF溶液去除第一衬底表面的SiO₂，并通过热氧化的方法在第一衬底表面及凹槽的底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO₂，形成底氧化层；

(4)，通过溅射在所述底氧化层表面依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线层的种子层；

(5)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，定义出电感线层图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；

(6)，通过电镀的方法在所述电感线层图形区域生长10～30μm的Cu；

(7)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的种子层，完成电感线层的制备；

(8)，通过增强型化学气相沉积的方法在所述电感线层位于凹槽内区域的表面制作一层100～1000nm厚度的SiO₂并光刻，形成顶氧化层；

(9)，按照步骤(1)-(8)，在第二衬底表面依次制备凹槽、底氧化层、电感线层以及顶氧化层；

(10)，将所述第一衬底置于第二衬底上方，第一衬底和第二衬底上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，所述第一衬底的凹槽正对第二衬底的凹槽并共同形成空腔；

(11)，使用化学机械抛光方法对所述第一衬底进行上表面抛光，将第一衬底上表面与底氧化层之间的硅层厚度减薄至5～20μm，形成方形膜；

(12)，通过旋涂法在第一衬底表面制作一层聚酰亚胺后，亚胺化并光刻，在所述方形膜正上方形成2～5μm的感湿层。

2.一种电感式MEMS湿度传感器，其特征在于：包括第一衬底(10)、方形膜(15)以及感湿层(16)，所述第一衬底(10)下表面中部开有第一凹槽(11)，所述第一衬底(10)下表面以及第一凹槽(11)的底部和周侧均设有第一底氧化层(12)，在所述第一底氧化层(12)表面设有第一电感线层(13)，所述第一电感线层(13)包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第一凹槽(11)内，每根电感线的首端和尾端分别位于第一凹槽(11)外部，在第一电感线层(13)位于所述第一凹槽(11)内的区域上设有第一顶氧化层(14)；将第一衬底(10)上表面正对所述第一凹槽(11)的区域减薄形成方形膜(15)，所述感湿层(16)置于所述方形膜(15)上方；

第二衬底(20)，在所述第二衬底(20)上表面中部开有第二凹槽(21)，所述第二衬底(20)上表面以及第二凹槽(21)的底部和周侧均设有第二底氧化层(22)，在所述第二底氧化层(22)表面设有第二电感线层(23)，所述第二电感线层(23)包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽(21)内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽(21)外部，在第二电感线层(23)位于所述第二凹槽(21)内的区域上设有第二顶氧化层(24)；

所述第一衬底(10)设置于第二衬底(20)上方，所述第一凹槽(11)和第二凹槽(21)共同形成空腔，所述第一电感线层(13)与所述第二电感线层(23)的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感。

3.根据权利要求2所述的一种电感式MEMS湿度传感器，其特征在于：所述第一电感线层(13)和第二电感线层(23)由一层Ti和一层Cu复合构成，第一电感线层(13)和第二电感线层(23)的电感线的首端和尾端之间通过Cu-Cu之间共晶键合。

4.根据权利要求2或3任一所述的一种电感式MEMS湿度传感器，其特征在于：所述第一衬底(10)和第二衬底(20)为硅衬底，所述第一凹槽(11)和第二凹槽(21)的深度在50～300μm，所述第一底氧化层(12)、第二底氧化层(22)、第一顶氧化层(14)、第二顶氧化层(24)均为厚度在100～1000nm的SiO₂，所述方形膜(15)为由硅类材料制备的厚度为5～20μm的薄膜结构，所述感湿层(16)为2～5μm的聚酰亚胺层。