CN102243199A - 快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器：该相对湿度传感器包括设有空腔（8）的衬底（1）、设置在衬底（1）上的氧化层（2）、设置在氧化层（2）上的加热条（3）、设置在加热条（3）上的绝缘层（4）、第一电容电极（5）、第二电容电极（6）和湿度敏感介质（7），第一电容电极（5）、第二电容电极（6）分别设置在绝缘层（4）上，湿度敏感介质（7）设置在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）之间，湿度敏感介质（7）还设置在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）上方。本发明具有响应速度快，灵敏度高，湿滞回差小的优点。

Description

快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于标准CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺和MEMS(微电子机械系统)后处理技术的相对湿度传感器，尤其是一种快速响应的MEMS相对湿度传感器。

背景技术

湿度测量在气象预报、工业控制、农业生产、医疗卫生、食品加工等许多领域有着广泛的应用。湿度传感器作为湿度测量系统中的重要组成部分，已经发展了很多年。由最初的干湿球湿度计、毛发湿度计等传统的湿度传感器发展到目前可以用标准CMOS工艺制造的微型湿度传感器。在商用领域中，电容式湿度传感器应用最为广泛，这是因为电容式湿度传感器灵敏度高、功耗小、制造成本低。利用标准CMOS工艺容易将湿度传感器和检测电路单片集成，这样可以提高湿度检测系统的稳定性和抗干扰能力。2001年，Y.Y.Qiu（人名）提出了利用CMOS工艺制作的电容式湿度传感器，该湿度传感器采用聚酰亚胺作为湿度敏感介质，将检测电路与湿度敏感电容单片集成，把湿度敏感电容的变化直接转化为电压变化输出，便于后端检测系统进行信号采样和处理，但是这种结构的湿度传感器响应速度较慢。2006年，中国人彭韶华提出了一种CMOS工艺兼容的相对湿度传感器，将湿度传感器与CMOS测量电路单片集成，感湿介质为聚酰亚胺，采用开关电容电路将敏感电容的变化转化为电压变化，再利用后端检测系统对电压信号进行采样和处理，这种结构的相对湿度传感器响应速度也比较慢。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提出一种与标准CMOS工艺兼容的快速响应的MEMS相对湿度传感器，具有响应速度快，灵敏度高，线性度好，湿滞回差小，结构简单，长期稳定性好等优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种快速响应的MEMS相对湿度传感器，该相对湿度传感器包括设有空腔的衬底、设置在衬底上的氧化层、设置在氧化层上的加热条、设置在加热条上的绝缘层、第一电容电极、第二电容电极和湿度敏感介质，第一电容电极、第二电容电极分别设置在绝缘层上，湿度敏感介质设置在第一电容电极和第二电容电极之间，湿度敏感介质还设置在第一电容电极和第二电容电极上方，加热条包括相对设置加热第一公共端和加热第二公共端，加热条为条状且等间距相邻排列，第一电容电极包括若干平行的第一电极、将第一电极连接在一起的第一公共端、每个第一电极设有与第一公共端相对的第一自由端，第一电极连接第一公共端与第一自由端，第二电容电极包括若干平行的第二电极、将第二电极连接在一起的第二公共端、每个第二电极设有与第二公共端相对的第二自由端，第二电极连接第二公共端与第二自由端，第一自由端与第二公共端不接触，第二自由端与第一公共端不接触。

优选的，加热条的加热第一公共端和加热第二公共端均固定在氧化层上。

优选的，相邻的第一电极之间设有第二电极，相邻的第二电极之间设有第一电极，第一电容电极的第一公共端和第一自由端均设在绝缘层上，第二电容电极的第二公共端和第二自由端均设在绝缘层上。

优选的，湿度敏感介质为聚酰亚胺。

优选的，第一电容电极、第二电容电极分别为铝电极。

优选的，加热条为多晶硅加热条。

优选的，绝缘层为二氧化硅绝缘层。

有益效果：本发明工艺步骤简单，利用标准CMOS工艺与MEMS加工技术相结合进行制造，成本低，精度高，长期稳定性好。本发明提出的湿度传感器采用聚酰亚胺作为湿度敏感介质，灵敏度高，将衬底及其上方的氧化层腐蚀形成空腔，这样电容电极之间的湿度敏感介质的上方和下方均为空气，使得传感器的响应速度加快。采用多晶硅电阻条进行加热可以减小湿滞回差。

附图说明

图1是本发明提供的快速响应的MEMS相对湿度传感器的截面图，图中有：衬底1，氧化层2，加热条3，绝缘层4，第一电容电极5，第二电容电极6，湿度敏感介质7，空腔8；图2是本发明提供的快速响应的MEMS相对湿度传感器的俯视图，图中有：氧化层2，第一加热条引线31，第二加热条引线32，绝缘层4，第一电极53，第二电极63，第一电容电极的第一公共端51，第二电容电极的第二公共端61，第一电容电极的第一自由端52，第二电容电极的第二自由端62，第一电极引线54，第二电极引线64，湿度敏感介质7，空腔8；图3是本发明提供的快速响应的MEMS相对湿度传感器的绝缘层结构俯视图，图中有：氧化层2，绝缘层4，空腔8；图4是本发明提供的快速响应的MEMS相对湿度传感器的加热条结构俯视图，图中有：氧化层2，加热条3，第一加热条引线31，第二加热条引线32，加热条的加热第一公共端33，加热条的加热第二公共端34，空腔8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明是一种快速响应的MEMS相对湿度传感器，由衬底，氧化层，加热条，绝缘层，电容电极，湿度敏感介质组成，氧化层设在衬底上，加热条设在氧化层上，电容电极设在加热条上方，电容电极与加热条之间设有绝缘层，电容电极由电极引线引出，加热条由加热条引线引出，湿度敏感介质设在电容电极之间和电容电极上方，腐蚀衬底及其上方的氧化层，形成空腔，使得电容电极之间的湿度敏感介质的下表面也与空气接触，加热条为梳状并联结构，梳状加热条的两个公共端均固定在氧化层上，电容电极为梳齿状电极且交错排列，每组梳齿状电极的公共端和梳齿状电极的自由端均设在绝缘层上，以保证电容电极的机械强度。

参见图1－4，本发明是一种快速响应的MEMS相对湿度传感器，由衬底1，氧化层2，加热条3，绝缘层4，第一电容电极5，第二电容电极6，湿度敏感介质7组成，氧化层2设在衬底1上，加热条3设在氧化层2上，第一电容电极5和第二电容电极6设在加热条3上方，第一电容电极5、第二电容电极6与加热条3之间设有绝缘层4，第一电容电极5和第二电容电极6由第一电极引线54和第二电极引线64分别引出，加热条3由第一加热条引线31和第二加热条引线32引出，湿度敏感介质7设在第一电容电极5和第二电容电极6之间以及第一电容电极5和第二电容电极6上方，腐蚀衬底1及其上方的氧化层2，形成空腔8，使得第一电容电极5和第二电容电极6之间的湿度敏感介质7的下表面也与空气接触，加热条3为梳状并联结构，梳状加热条的加热第一公共端33和加热第二公共端34均固定在氧化层2上，第一电容电极5和第二电容电极6为梳齿状电极且交错排列，每组梳齿状电极的第一公共端51和第二公共端61以及梳齿状电极的第一自由端52和第二自由端62均设在绝缘层4上，以保证第一电容电极5和第二电容电极6的机械强度。

参见图1－4，本发明提供的一种快速响应的MEMS相对湿度传感器，该相对湿度传感器包括设有空腔8的衬底1、设置在衬底1上的氧化层2、设置在氧化层2上的加热条3、设置在加热条3上的绝缘层4、第一电容电极5、第二电容电极6和湿度敏感介质7，第一电容电极5、第二电容电极6分别设置在绝缘层4上，湿度敏感介质7设置在第一电容电极5和第二电容电极6之间，湿度敏感介质7还设置在第一电容电极5和第二电容电极6上方，加热条3包括相对设置加热第一公共端33和加热第二公共端34，加热条3为条状且等间距相邻排列，第一电容电极5包括若干平行的第一电极53、将第一电极53连接在一起的第一公共端51、每个第一电极53设有与第一公共端51相对的第一自由端52，第一电极53连接第一公共端51与第一自由端52，第二电容电极6包括若干平行的第二电极63、将第二电极63连接在一起的第二公共端61、每个第二电极63设有与第二公共端61相对的第二自由端62，第二电极63连接第二公共端61与第二自由端62，第一自由端52与第二公共端61不接触，第二自由端62与第一公共端51不接触。

加热条3的加热第一公共端33和加热第二公共端34均固定在氧化层2上。

相邻的第一电极53之间设有第二电极63，相邻的第二电极63之间设有第一电极53，第一电容电极5的第一公共端51和第一自由端52均设在绝缘层4上，第二电容电极6的第二公共端61和第二自由端62均设在绝缘层4上。

湿度敏感介质7为聚酰亚胺。

第一电容电极5、第二电容电极6分别为铝电极。

加热条3为多晶硅加热条。

绝缘层4为二氧化硅绝缘层。

本实施例中衬底1为体硅，氧化层2为二氧化硅，加热条3为多晶硅，绝缘层4为二氧化硅，第一电容电极5和第二电容电极6为铝电极，湿度敏感介质7为聚酰亚胺，本发明可以用以下工艺来制作：在硅衬底1上生长一层氧化层2，接着在硅衬底1背面淀积一层氮化硅，作为硅衬底腐蚀的阻挡层，在氧化层2上淀积一层多晶硅并光刻形成多晶硅加热条3以及第一加热条引线31和第二加热条引线32，在多晶硅上淀积一层二氧化硅并光刻形成二氧化硅绝缘层4，溅射铝并刻蚀形成第一电容电极5和第二电容电极6以及第一电极引线54和第二电极引线64，利用旋涂法旋涂一层聚酰亚胺，光刻聚酰亚胺，亚胺化，刻蚀硅片背面的氮化硅阻挡层形成硅衬底1的腐蚀窗口，然后利用体硅各向异性腐蚀从硅衬底1背面向氧化层2方向腐蚀，选用的腐蚀溶液对氧化层2的腐蚀速率远小于该腐蚀溶液对硅衬底1的腐蚀速率，当硅衬底1被腐蚀到氧化层2时认为硅衬底1的腐蚀已经结束，这时在硅衬底1中得到一个腔体，将该腔体上方的氧化层2腐蚀掉便得到空腔8，此时第一电容电极5和第二电容电极6之间的湿度敏感介质7的下表面也与空气接触，最后再将硅衬底1背面的氮化硅阻挡层腐蚀掉。

第一电容电极5和第二电容电极6构成的电容以聚酰亚胺作为湿度敏感介质，当环境湿度发生改变时，聚酰亚胺感湿层的介电常数会发生变化，从而使得湿度敏感电容值发生变化，再利用电容检测电路对湿度敏感电容的变化进行检测便可以得到环境湿度的信息。采用多晶硅电阻条进行加热可以减小湿滞回差。

Claims (7)

1.一种快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：该相对湿度传感器包括设有空腔（8）的衬底（1）、设置在衬底（1）上的氧化层（2）、设置在氧化层（2）上的加热条（3）、设置在加热条（3）上的绝缘层（4）、第一电容电极（5）、第二电容电极（6）和湿度敏感介质（7），第一电容电极（5）、第二电容电极（6）分别设置在绝缘层（4）上，湿度敏感介质（7）设置在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）之间，湿度敏感介质（7）还设置在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）上方，加热条（3）包括相对设置加热第一公共端（33）和加热第二公共端（34），加热条（3）为条状且等间距相邻排列，第一电容电极（5）包括若干平行的第一电极（53）、将第一电极（53）连接在一起的第一公共端（51）、每个第一电极（53）设有与第一公共端（51）相对的第一自由端（52），第一电极（53）连接第一公共端（51）与第一自由端（52），第二电容电极（6）包括若干平行的第二电极（63）、将第二电极（63）连接在一起的第二公共端（61）、每个第二电极（63）设有与第二公共端（61）相对的第二自由端（62），第二电极（63）连接第二公共端（61）与第二自由端（62），第一自由端（52）与第二公共端（61）不接触，第二自由端（62）与第一公共端（51）不接触。

2.根据权利要求1所述的快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：加热条（3）的加热第一公共端（33）和加热第二公共端（34）均固定在氧化层（2）上。

3.根据权利要求1所述的快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：相邻的第一电极（53）之间设有第二电极（63），相邻的第二电极（63）之间设有第一电极（53），第一电容电极（5）的第一公共端（51）和第一自由端（52）均设在绝缘层（4）上，第二电容电极（6）的第二公共端（61）和第二自由端（62）均设在绝缘层（4）上。

4.根据权利要求1或2或3所述的快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：湿度敏感介质（7）为聚酰亚胺。

5.根据权利要求1或2或3所述的快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：第一电容电极（5）、第二电容电极（6）分别为铝电极。

6.根据权利要求1或2或3所述的快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：加热条（3）为多晶硅加热条。

7.根据权利要求1或2或3所述的快速响应的微电子机械系统相对湿度传感器，其特征在于：绝缘层（4）为二氧化硅绝缘层。

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