CN113428829A - 一种mems湿压集成传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出MEMS湿压集成传感器及制备方法，包括：位于衬底上的CPW信号线及位于CPW信号线两侧的CPW地线，且CPW信号线包括主线、第一副线和第二副线；凹槽，设置在主线下方的衬底上，包括第一凹槽和第二凹槽；MEMS梁，分别位于第一凹槽的底面和靠近第一副线的两个侧面上、第二凹槽的底面和靠近第二副线的两个侧面上；MEMS薄膜，与第一凹槽形成密闭腔体；第二MEMS薄膜位于第二凹槽正上方，且主线两侧的部分设置通孔；感湿层，位于第二MEMS梁和第二MEMS薄膜之间；终端匹配电阻，位于第一副线和第二副线远离主线的一端；热电堆，位于终端匹配电阻远离主线的一端。利用本发明的结构可分别获取环境压强和环境湿度。

Description

一种MEMS湿压集成传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及射频微电子机械系统（RF MEMS）技术领域，具体涉及一种MEMS湿压集成传感器及制备方法。
背景技术
湿度和压力传感器广泛用于汽车电子、自动控制、航天航空、生物医疗、环境监测等领域，是产业界常用的传感器。随着MEMS技术的发展，利用MEMS微加工工艺制备的湿度和压力传感器具有微型化、低功耗、集成化、批量化和低成本等优势。压力传感器是能够感受压力信号，并按照一定规律将压力信号转换成易测量的输出电学信号的器件。根据不同的压力测试类型，压力传感器可分为表压式、差压式和绝压式三种类型，而根据不同的压力测试原理，其主要又可分为压阻式、电容式、谐振式和压电式等原理。湿度传感器是能够感受外界湿度的变化，并按照一定规律将湿度转换成易测量的输出电学信号的器件。根据不同的湿度测试原理，湿度传感器主要包括电容式、电阻式和压阻式等类型。随着消费类、工业类和国防类电子以及工程应用等对湿度和压力检测不断提出更高的要求，因而迫切需求一种同时进行湿度和压力检测的高能性集成传感器，并具有简单结构、高灵敏度、低成本等特点。近年来，随着对RF MEMS技术、热电堆结构和感湿材料的不断深入研究，使具有上述功能的MEMS湿压集成传感器成为可能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，利用衬底上的第一凹槽和第一MEMS薄膜组成的密闭腔体来感测外部环境的压强，当密闭腔体的内外压差发生变化时，第一MEMS薄膜上产生的作用力使其发生挠曲，引起CPW信号线的主线与第一MEMS梁之间的电容发生变化，进而使得CPW信号线的第一副线耦合到的RF功率发生变化，在第一热电堆上测得的电压值随之产生相应的改变，因此通过测量第一热电堆的电压值便可获取环境压强的大小；通过在衬底上设置第二凹槽，利用第二凹槽内感湿层的吸水性来感测外部环境的湿度，感湿层的介电常数会随着外界环境的湿度发生变化，引起CPW信号线的主线与第二MEMS梁之间的电容发生变化，进而使得CPW信号线的第二副线从第二MEMS梁上耦合到的RF功率发生变化，在第二热电堆上测得的电压值随之产生相应的改变，因此通过测量第二热电堆的电压值便可获取环境湿度。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种MEMS湿压集成传感器，包括：CPW传输线，设置在衬底上，所述CPW传输线包括位于衬底中间部位的CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线，所述CPW信号线与所述CPW地线相互平行，并且所述CPW信号线包括主线、第一副线和第二副线，所述主线和第一副线、主线和第二副线均呈十字型结构放置；凹槽，设置在所述主线下方的衬底上，包括第一凹槽和第二凹槽，其中第一凹槽位于所述主线与第一副线的交界处，第二凹槽位于所述主线与第二副线的交界处；MEMS梁，呈倒置的拱桥状，包括第一MEMS梁和第二MEMS梁，其中第一MEMS梁位于所述第一凹槽的底面和靠近所述第一副线的两个侧面上并与所述第一副线相连接，第二MEMS梁位于所述第二凹槽的底面和靠近所述第二副线的两个侧面上并与所述第二副线相连接；MEMS薄膜，包括第一MEMS薄膜和第二MEMS薄膜，其中第一MEMS薄膜位于所述第一凹槽正上方，并与所述主线的底面接触，其两端置于所述第一副线上，并与所述第一凹槽形成密闭腔体；第二MEMS薄膜位于所述第二凹槽正上方，并与所述主线的底面接触，其两端置于所述第二副线上，并且所述第二MEMS薄膜位于主线两侧的部分设置通孔；感湿层，位于所述第二MEMS梁和第二MEMS薄膜之间，并填满所述第二凹槽的内部空间；终端匹配电阻，位于所述第一副线和第二副线远离所述主线的一端，成对放置在所述第一副线和CPW地线、第二副线和CPW地线之间，并且在所述衬底背面位于终端匹配电阻正下方的部分设置有衬底薄膜结构；热电堆，包括第一热电堆和第二热电堆，位于所述终端匹配电阻远离所述主线的一端，并与所述终端匹配电阻相距一定的距离，包括热电偶和压焊块，其中所述热电偶包括半导体热偶臂和金属热偶臂。
进一步地，所述凹槽为U型槽，所述凹槽的中轴线与所述CPW信号线平行。
进一步地，所述第一MEMS薄膜与第一凹槽构成的密闭腔体为完全密闭空间，即所述密闭腔体的内部空气不与外部空气流通。
进一步地，所述第一MEMS薄膜与CPW信号线的主线为一体关系，即所述主线位于第一凹槽正上方的部分能够随着所述密闭腔体的内外压差变化与所述第一MEMS薄膜一起发生形变。
进一步地，所述第二MEMS薄膜上的所述通孔由多个密集的小孔组成，使得所述感湿层能够与外界空气充分接触。
一种如上所述的MEMS湿压集成传感器的制备方法，包括如下步骤：
S10准备外延的半绝缘砷化镓作为衬底，并在衬底上刻蚀出凹槽和热电堆的半导体热偶臂；S20在所述衬底上依次通过光刻、溅射、剥离，形成MEMS梁和热电堆的金属热偶臂，并初步形成CPW信号线、CPW地线和压焊块；S30淀积并光刻PSG牺牲层，保留第一凹槽内部的PSG牺牲层；随后淀积并光刻感湿层，保留第二凹槽内部的感湿层；S40采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在所述PSG牺牲层上形成MEMS薄膜，并且所述第一MEMS薄膜位于主线两侧的部分留有释放孔，用于后续步骤中PSG牺牲层的释放，所述第二MEMS薄膜位于主线两侧的部分形成通孔，随后形成终端匹配电阻；S50依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW信号线、CPW地线和压焊块；S60将所述衬底背面减薄并进行光刻、刻蚀，形成衬底薄膜结构；S70释放PSG牺牲层，并使用氮化硅材料填补所述第一MEMS薄膜上的释放孔。
进一步地，所述MEMS梁、CPW信号线、CPW地线、金属热偶臂以及压焊块的材质为金。
进一步地，所述终端匹配电阻采用氮化钽，其阻值为100Ω，方块电阻为25Ω/□。
进一步地，所述凹槽的深度为1-10μm，所述MEMS梁、所述CPW地线和所述CPW信号线的厚度为0.5-5μm。
进一步地，所述感湿层采用聚酰亚胺、氧化石墨烯等材料。
进一步地，所述MEMS薄膜采用氮化硅，其厚度为0.5-3μm。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明的一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，结合RF MEMS技术，其结构简单且一致性好，基于热电检测获取环境压强和湿度的方式使得测量更加简便，并且器件具有高灵敏度。
（2）本发明的一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，由于MEMS梁固定于衬底上的凹槽内，故易于器件的封装。
（3）本发明的一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，其制备工艺与Si基工艺兼容；由于体积小，不但节省了芯片面积，提高了集成度，而且在批量生产下价格相对低廉；同时采用全无源结构，具有零的直流功耗。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器俯视图；
图2所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器的A-A剖面图；
图3所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器的A'-A'剖面图；
图4所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器的B-B剖面图；
图5所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器的C-C剖面图；
图6所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器的制造方法流程图；
图7～13所示为本发明一实施例的MEMS湿压集成传感器的制造过程流程图；
图中部件编号如下：
1主线、11 CPW地线、21第一副线、22第二副线、13衬底、131第一凹槽、132第二凹槽、133衬底薄膜结构、6感湿层、71第一MEMS薄膜、72第二MEMS薄膜、721通孔、31第一MEMS梁、32第二MEMS梁、4终端匹配电阻、51第一热电堆、52第二热电堆、53热电偶、531半导体热偶臂、532金属热偶臂、54压焊块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种MEMS湿压集成传感器，如图1～图3所示，包括：CPW传输线、衬底13、凹槽、衬底薄膜结构133、感湿层6、MEMS薄膜、MEMS梁、终端匹配电阻4以及热电堆。
其中，CPW传输线包括位于衬底13中间部位的CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线11，其中，所述CPW信号线包括主线1、第一副线21和第二副线22，CPW信号线主线1与CPW地线11相互平行，CPW信号线主线1和第一副线21、CPW信号线主线1和第二副线22均呈交叉结构放置，比如是相互垂直设置。
所述凹槽设置在所述主线1下方的衬底13上，包括第一凹槽131和第二凹槽132，其中第一凹槽131位于所述主线1与第一副线21的交界处，第二凹槽132位于所述主线1与第二副线22的交界处，所述凹槽为U形槽并且其中轴线与所述CPW信号线平行。
其中，MEMS梁呈倒置的拱桥状，包括第一MEMS梁31和第二MEMS梁32，其中第一MEMS梁31位于所述第一凹槽131的底面和靠近所述第一副线21的两个侧面上并与所述第一副线21相连接，比如，第一MEMS梁31与第一副线21为同一种材料在同一工艺中制备而成；第二MEMS梁32位于所述第二凹槽132的底面和靠近所述第二副线22的两个侧面上并与所述第二副线22相连接，比如第二MEMS梁32与第二副线22为同一种材料在同一工艺中制备而成。
其中，所述MEMS薄膜包括第一MEMS薄膜71和第二MEMS薄膜72，其中第一MEMS薄膜71位于所述第一凹槽131正上方，并与所述主线1的底面接触，即与所述主线1机械耦合，其两端置于所述第一副线21上，并与所述第一凹槽131形成密闭腔体；第二MEMS薄膜72位于所述第二凹槽132正上方，并与所述主线1的底面接触，即与所述主线1机械耦合，其两端置于所述第二副线22上，并且所述第二MEMS薄膜72位于主线1两侧的部分设置通孔721。
所述感湿层6位于所述第二MEMS梁32和第二MEMS薄膜72之间，并填满所述第二凹槽132的内部空间，所述感湿层例如采用聚酰亚胺、氧化石墨烯等材料。
其中，终端匹配电阻4设置于所述第一副线21和第二副线22远离所述主线1的一端，成对放置在所述第一副线21和CPW地线11、第二副线22和CPW地线11之间，并且在所述衬底13背面位于终端匹配电阻4正下方的部分设置有衬底薄膜结构133；该衬底薄膜结构133例如是通过背面刻蚀硅衬底13而形成。
其中，热电堆包括第一热电堆51和第二热电堆52，位于所述终端匹配电阻4远离所述主线1的一端，并与所述终端匹配电阻4相距一定的距离，包括热电偶53和压焊块54，其中所述热电偶53包括间隔设置的半导体热偶臂531和金属热偶臂532；其中半导体热偶臂531,例如为n+ GaAs，金属热偶臂532例如为Au。
第一MEMS薄膜71与所述主线1为一体关系，即MEMS薄膜与主线1机械耦合，所述主线1位于所述第一凹槽131正上方的部分能够随着所述密闭腔体的内外压差变化与第一MEMS薄膜71一起发生形变。
本发明的MEMS湿压集成传感器工作时，在靠近所述第一副线21的CPW传输线端口输入RF信号，所述第一副线21通过所述第一MEMS梁31从所述主线1上耦合一定的输入RF功率到所述终端匹配电阻4上并产生一定的热量，所述第一热电堆51基于塞贝克效应将该热量转化为热电压，由于所述密闭腔体内的压强不随环境压强的变化而变化，当环境压强发生变化时，所述密闭腔体内外的压差随之变化，所述第一MEMS薄膜71产生向上或向下的形变，引起所述主线1与第一MEMS梁31之间的电容发生变化，则所述第一副线21上耦合的RF功率发生变化，从而使得所述终端匹配电阻4上产生的热量发生相应的变化，并进一步使得所述第一热电堆51上的热电压发生相应的变化，通过测量所述第一热电堆51上的电压值便可获取环境压强的大小；在靠近所述第二副线22的CPW传输线端口输入RF信号，所述第二副线22通过所述第二MEMS梁32从所述主线1上耦合一定的输入RF功率到所述终端匹配电阻4上并产生一定的热量，所述第二热电堆52基于塞贝克效应将该热量转化为热电压，所述第二MEMS梁32与所述主线1构成的平板电容以所述感湿层6为介质层，由于所述感湿层6具有吸水性，其介电常数会随着外界环境的湿度发生变化，引起所述第二MEMS梁32与所述主线1之间的电容随之改变，则所述第二副线22上耦合的RF功率发生变化，从而使得所述终端匹配电阻4上产生的热量发生相应的变化，并进一步使得所述第二热电堆52上的热电压发生相应的变化，通过测量所述第二热电堆52上的电压值便可获取环境湿度。
实施例2
本发明还提供了以上MEMS湿压集成传感器的制备方法，如图6～13所示，包括如下步骤：
S10准备外延的半绝缘砷化镓作为衬底，并在衬底上刻蚀出凹槽和热电堆的半导体热偶臂；
S20在所述衬底上依次通过光刻、溅射、剥离，形成MEMS梁和热电堆的金属热偶臂，并初步形成CPW信号线、CPW地线和压焊块；
S30淀积并光刻牺牲层，保留第一凹槽内部的牺牲层；随后淀积并光刻感湿层，保留第二凹槽内部的感湿层；其中牺牲层比如是PSG；
S40采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在所述PSG牺牲层上形成MEMS薄膜，并且所述第一MEMS薄膜位于主线两侧的部分留有释放孔，用于后续步骤中PSG牺牲层的释放，所述第二MEMS薄膜位于主线两侧的部分形成通孔，随后形成终端匹配电阻；
S50依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW信号线、CPW地线和压焊块；
S60将所述衬底背面减薄并进行光刻、刻蚀，形成衬底薄膜结构；
S70释放PSG牺牲层，并例如使用氮化硅材料填补所述第一MEMS薄膜上的释放孔。
其中，本发明中，MEMS梁、CPW信号线、CPW地线、金属热偶臂以及压焊块的材质均可为金。
进一步地，其中，终端匹配电阻例如采用氮化钽，其阻值为100Ω，方块电阻为25Ω/□。
进一步地，所述凹槽的深度为1-10μm，所述MEMS梁、所述CPW地线和所述CPW信号线的厚度为0.5-5μm。
进一步地，所述MEMS薄膜采用氮化硅，其厚度为0.5-3μm。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明的一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，结合RF MEMS技术，其结构简单且一致性好，基于热电检测获取环境压强和湿度的方式使得测量更加简便，并且器件具有高灵敏度。
（2）本发明的一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，由于MEMS梁固定于衬底上的凹槽内，故易于器件的封装。
（3）本发明的一种MEMS湿压集成传感器及制备方法，其制备工艺与Si基工艺兼容；由于体积小，不但节省了芯片面积，提高了集成度，而且在批量生产下价格相对低廉；同时采用全无源结构，具有零的直流功耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS湿压集成传感器，其特征在于，所述MEMS湿压集成传感器包括：
衬底；
CPW传输线，设置在所述衬底上，所述CPW传输线包括位于衬底中间部位的CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线，所述CPW信号线包括主线、第一副线和第二副线，所述主线分别与所述第一副线、所述第二副线交叉设置；所述CPW信号线主线与所述CPW地线相互平行；
凹槽，设置在所述主线下方的衬底上，包括第一凹槽和第二凹槽，其中第一凹槽位于所述主线与第一副线的交界处，第二凹槽位于所述主线与第二副线的交界处；
MEMS梁，包括第一MEMS梁和第二MEMS梁，其中第一MEMS梁位于所述第一凹槽的底面和靠近所述第一副线的两个侧面上并与所述第一副线相连接，第二MEMS梁位于所述第二凹槽的底面和靠近所述第二副线的两个侧面上并与所述第二副线相连接；
MEMS薄膜，包括第一MEMS薄膜和第二MEMS薄膜，其中第一MEMS薄膜位于所述第一凹槽正上方，并与所述主线的底面接触，其两端置于所述第一副线上，并与所述第一凹槽形成密闭腔体；第二MEMS薄膜位于所述第二凹槽正上方，并与所述主线的底面接触，其两端置于所述第二副线上，并且所述第二MEMS薄膜位于主线两侧的部分设置通孔；
感湿层，所述感湿层设置于所述第二凹槽中，通过所述通孔与环境接触；
终端匹配电阻，位于所述第一副线和第二副线远离所述主线的一端，成对放置在所述第一副线和CPW地线、第二副线和CPW地线之间，并且在所述衬底背面位于终端匹配电阻正下方设置有衬底薄膜结构；以及
热电堆，包括第一热电堆和第二热电堆，位于所述终端匹配电阻远离所述主线的一端，并与所述终端匹配电阻相距一定的距离。
2.根据权利要求1所述的MEMS湿压集成传感器，其特征在于，所述凹槽为U型槽，所述凹槽的中轴线与所述CPW信号线主线平行。
3.根据权利要求2所述的MEMS湿压集成传感器，其特征在于，所述第一MEMS薄膜与所述第一凹槽构成的密闭腔体为完全密闭空间。
4.根据权利要求3所述的MEMS湿压集成传感器，其特征在于，所述第一MEMS薄膜与所述CPW信号线的主线机械藕合。
5.根据权利要求4所述的MEMS湿压集成传感器，其特征在于，所述第二MEMS薄膜上的所述通孔包括多个小孔，使得所述感湿层能够与外界空气充分接触。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的MEMS湿压集成传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择衬底，并在所述衬底上刻蚀出凹槽和热电堆的半导体热偶臂；
在所述衬底上依次通过光刻、溅射、剥离，形成MEMS梁和热电堆的金属热偶臂，并初步形成CPW信号线、CPW地线和压焊块；
淀积并光刻牺牲层，保留第一凹槽内部的牺牲层；随后淀积并光刻感湿层，保留第二凹槽内部的感湿层；
在所述牺牲层上形成MEMS薄膜，并且所述第一MEMS薄膜位于主线两侧的部分留有释放孔，用于后续步骤中牺牲层的释放，所述第二MEMS薄膜位于主线两侧的部分形成通孔，随后形成终端匹配电阻；
蒸发种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW信号线、CPW地线和压焊块；
将所述衬底背面减薄并进行光刻、刻蚀，形成衬底薄膜结构；
释放牺牲层，并填补所述第一MEMS薄膜上的释放孔。
7.根据权利要求6所述的MEMS湿压集成传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底为外延的半绝缘砷化镓。
8.根据权利要求6所述的MEMS湿压集成传感器的制备方法，其特征在于，所述蒸发种子层包括依次蒸发钛、金、钛层。
9.根据权利要求6所述的MEMS湿压集成传感器的制备方法，其特征在于，所述凹槽的深度为1-10μm，所述MEMS梁、所述CPW地线和所述CPW信号线的厚度为0.5-5μm。
10.根据权利要求6所述的MEMS湿压集成传感器的制备方法，其特征在于，所述感湿层包括聚酰亚胺或氧化石墨烯材料。
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