CN113670994B - 基于相位检测原理的mems湿度传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，包括：CPW传输线，设置在衬底上，该CPW传输线包括CPW信号线以及CPW信号线两侧的CPW地线，在CPW信号线中间部位的下方衬底设置凹槽；MEMS梁，位于凹槽的底面和靠近CPW地线的两个侧面上；MEMS薄膜，位于凹槽上方，与CPW信号线的底面接触，且MEMS薄膜表面设置通孔；感湿层，位于MEMS梁和MEMS薄膜之间并填满凹槽的内部空间。利用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湿度发生变化，引起MEMS梁与CPW信号线之间的电容改变，使CPW传输线上RF信号的相位发生变化，测量RF信号的相位便可获取环境湿度。

Description

基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及射频微电子机械系统（RF MEMS）技术领域，具体涉及一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法。

背景技术

湿度，通常是指空气中水蒸气的含量，它用来反映大气的干湿程度。空气湿度与民众日常工作、生活和生产有着直接的联系，所以对于湿度的监测与控制显得越来越重要。然而，在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的参数之一。传统的湿度计已经越来越无法满足现阶段的实际需要，所以对于新型湿度传感器的研究十分必要。湿度传感器已经在包括国防航空、气象检测、工业控制、农业生产、医疗设备等多个领域有着广泛的应用，并且近年来，微型化是湿度传感器发展的一个重要方向，现有的微型湿度传感器主要包括电容式、电阻式和压阻式等类型。目前，迫切需求一种高能性的MEMS湿度传感器，并具有简单结构、高灵敏度、低成本等特点。随着人类步入信息时代，MEMS传感器作为捕捉信息的器件也随之迅速发展，在现代高度信息化的社会科技发展中占据着相当重要的地位，由于对RF MEMS技术和感湿材料进行了深入的研究，使得满足上述特点的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器成为可能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，通过在衬底上设置凹槽，利用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MEMS梁与CPW信号线之间的电容发生变化，进而使得CPW传输线上RF信号的相位发生变化，从而通过测量RF信号的相位便可获取环境湿度。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器，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，所述衬底上设置凹槽，所述凹槽位于所述CPW信号线中间部位的下方；MEMS梁，位于所述凹槽的底面和靠近所述CPW地线的两个侧面上并呈倒置的拱桥状，与所述CPW地线相连接；MEMS薄膜，位于所述凹槽上方，并与所述CPW信号线的底面接触，其两端置于所述CPW地线上，并且所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分设置通孔；感湿层，位于所述MEMS梁和MEMS薄膜之间并填满所述凹槽的内部空间。

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，所述CPW信号线位于所述凹槽正上方。

进一步地，所述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。

进一步地，所述衬底和所述凹槽表面设置一层缓冲介质层。

一种如上所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：S10准备Si衬底，并在衬底上刻蚀出凹槽，后通过热氧化方式在所述衬底上生长一层缓冲介质层；S20在所述缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离，获得MEMS梁和CPW地线；S30淀积并光刻感湿层，保留凹槽内部的感湿层；S40采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在所述感湿层上形成MEMS薄膜，并且所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分形成通孔；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，形成CPW信号线。

进一步地，所述MEMS梁、所述CPW地线以及所述CPW信号线的材质为金。

进一步地，所述衬底采用高阻硅，其电阻率大于1kΩ·cm。

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）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，结合RF MEMS技术，其结构简单、一致性好且易于测量。

（2）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，利用感湿层的吸水性，通过获取器件相位值的变化来求解外部环境的湿度值，器件具有高灵敏度。

（3）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，由于MEMS梁设置于衬底上的凹槽内，易于器件的封装。

（4）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，所述MEMS湿度传感器的制备工艺与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

图1所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器俯视图；

图2所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的A-A剖面图；

图3所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的B-B剖面图；

图4所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制造方法流程图；

图5～9所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制造过程流程图；

图中部件编号如下：

1CPW信号线、12 CPW地线、13衬底、131凹槽、132缓冲介质层、2 MEMS薄膜、3 MEMS梁、4感湿层、5通孔。

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。

实施例1

本实施例提供了一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器，如图1～图3所示，包括：CPW传输线、衬底13、凹槽131、缓冲介质层132、MEMS薄膜2、MEMS梁3、感湿层4以及通孔5。

具体地，CPW传输线水平设置于衬底13上，包括位于衬底13中间部位的CPW信号线1以及位于CPW信号线1两侧的两条CPW地线12，CPW信号线1与CPW地线12可以相互平行设置。

凹槽131位于CPW信号线1正下方的衬底13上，凹槽131例如为U型槽，凹槽131的中轴线与CPW信号线1平行；衬底13和凹槽131表面设置缓冲介质层132。

MEMS梁3设置于凹槽131的底面和靠近所述CPW地线12的两个侧面上并呈倒置的拱桥状，MEMS梁3与两条所述CPW地线12均连接。

MEMS薄膜2位于凹槽131正上方，并与所述CPW信号线1的背面直接相接触，MEMS薄膜2的两端置于所述CPW地线12上，并且所述MEMS薄膜2位于CPW信号线1两侧的部分设置通孔5，所述通孔5例如由多个密集的小孔组成。

感湿层4位于所述MEMS梁3和MEMS薄膜2之间并填满所述凹131槽的内部空间，感湿层4例如为聚酰亚胺、氧化石墨烯等材料，感湿层4具有吸水性，其介电常数会随着外界环境的湿度发生变化，感湿层4通过通孔5与外部环境连通。

本发明的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器工作时，MEMS梁与CPW信号线构成的平板电容以感湿层为介质层，由于感湿层具有吸水性，其介电常数会随着外界环境的湿度发生变化，引起所述MEMS梁与所述CPW信号线之间的电容随之改变，进而使得所述CPW传输线上RF信号的相位值发生变化，从而通过测量RF信号的相位便可获取环境湿度。

实施例2

本发明还提供了以上基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，如图4～9所示，包括如下步骤：

S10准备衬底，该衬底可为常见半导体衬底，例如为硅衬底、采用高阻硅，其电阻率大于1kΩ·cm。硅衬底电阻越高，在硅上制作CPW，其传输的RF信号损耗低，RF性能会好，如果外界湿度变化引起电容变化，导致RF信号相位变化会更明显。

在衬底上刻蚀出凹槽131，后通过热氧化方式在所述衬底上生长一层缓冲介质层132，如图5所示，其中，凹槽的深度例如为1-10μm；

S20在所述缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离，获得MEMS梁3和CPW地线12，如图6所示，其中，MEMS梁、CPW地线的厚度为0.5-5μm；

S30淀积并光刻感湿层4，保留凹槽内部的感湿层4，如图7所示；

S40采用例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在所述感湿层4上形成MEMS薄膜2，并且所述MEMS薄膜2位于CPW信号线两侧的部分形成通孔5，如图8所示；

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，形成CPW信号线1，如图9所示，其中，CPW信号线的厚度为0.5-5μm。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，结合RF MEMS技术，其结构简单、一致性好且易于测量。

（2）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，利用感湿层的吸水性，通过获取器件相位值的变化来求解外部环境的湿度值，器件具有高灵敏度。

（3）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，由于MEMS梁设置于衬底上的凹槽内，易于器件的封装。

（4）本发明的一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器及制备方法，所述MEMS湿度传感器的制备工艺与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 (9)

1.一种基于相位检测原理的MEMS湿度传感器，其特征在于，包括：

衬底；所述衬底采用高阻硅，其电阻率大于1kΩ·cm；

CPW传输线，设置在衬底上，所述CPW传输线包括位于衬底上的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地线相互平行设置；

凹槽，经刻蚀所述衬底设置在所述衬底上，所述凹槽位于所述CPW信号线的正下方；

MEMS梁，设置在所述凹槽的底面和靠近所述CPW地线的两个侧面上，与两条所述CPW地线均连接；

MEMS薄膜，位于所述凹槽正上方，并与所述CPW信号线的底面接触，其两端置于所述CPW地线上，并且所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分设置通孔；

感湿层，位于所述MEMS梁和所述MEMS薄膜之间并填满所述凹槽的内部空间；

所述衬底和所述凹槽表面设置有缓冲介质层。

2.根据权利要求1所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器，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信号线平行。

3.根据权利要求1所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器，其特征在于，所述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。

4.根据权利要求1所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器，其特征在于，所述感湿层包括聚酰亚胺或氧化石墨烯。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备衬底，并在衬底上刻蚀出凹槽，在所述衬底上生长一层缓冲介质层；

在所述缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离，获得MEMS梁和CPW地线；

淀积并光刻感湿层，保留凹槽内部的感湿层；

在所述感湿层上形成MEMS薄膜，并且所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分形成通孔；

依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，形成CPW信号线。

6.根据权利要求5所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述MEMS梁、所述CPW地线以及所述CPW信号线的材质为金。

7.根据权利要求5所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，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。

8.根据权利要求5所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述感湿层包括聚酰亚胺或氧化石墨烯。

9.根据权利要求5所述的基于相位检测原理的MEMS湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述MEMS薄膜采用氮化硅，其厚度为0.5-3μm。