一种具有真空腔的微机电系统露点传感器及其制造方法
【专利摘要】本发明公开一种具有真空腔的微机电系统露点传感器。该发明包括光源、光电探测器、测控电路和传感器主体。传感器主体包括第一基片、膜片、第一绝缘层、温度传感器、加热电阻、第二绝缘层、反射镜面、第二基片和制冷器。第一基片的正面刻蚀形成膜片，第一绝缘层置于膜片的正面，温度传感器和加热电阻分别置于第一绝缘层的正面，第二绝缘层置于第一绝缘层的正面并能够掩埋温度传感器和加热电阻，反射镜面形成于第二绝缘层的正面，第二基片键合于第一基片的背面且两者之间形成真空腔，制冷器与第二基片的背面连接。本发明还公开一种用于制造该露点传感器的方法。本发明创造性增加了真空腔结构，避免反射镜面的不规则变形，提高露点仪的检测精度。
【专利说明】一种具有真空腔的微机电系统露点传感器及其制造方法【技术领域】
[0001]本发明属于传感器领域，特别涉及了一种具有真空腔的微机电系统露点传感器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]露点仪的测量原理为:用等压冷却的方法使气体中的水蒸气冷却至凝聚相出现，或通过控制冷面的温度，使气体中的水蒸气与水的平展表面呈热力学平衡状态，准确测出此时的温度，即为该气体的露点温度。
[0003]MEMS是微机电系统的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS器件具有集成度高、功能强、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、热常数低等优点。
[0004]炎文Silicon Dew Point Hygrometer Model, Proceedings of the 18th IEEEInstrumentation and Measurement Technology Conference, Volume 3，2001 中介绍了一种基于MEMS技术的露点仪方案。该方案利用MEMS工艺，在膜片上形成温度传感器和加热电阻，温度传感器与反射镜面连接更紧密，可提高温度测量精度。冷镜式露点仪在工作时，经常需要加热其反射镜面。加热电阻用来加热反射镜面。比如当气体湿度突然升高时，需要迅速升高镜面温度。与传统的冷镜式露点仪相比，基于MEMS技术的冷镜式露点仪反射镜面下方的膜片很薄，其厚度可低至微米数量级，因此可以降低所需加热电阻的功率。
[0005]但是这种设计也有一定的局限性。一般地，光斑中心在膜片上反射镜面的中心。膜片上可能有应力，其应力可能来自膜片的材料缺陷，反射镜面材料与膜片热膨胀系数等物理参数的不匹配，在膜片上的温度传感器，加热电阻，引线，膜片上的绝缘层，以及基片与制冷器热膨胀系数等物理参数的不匹配也都有可能存在应力。如果膜片呈现出张应力，则膜片通常会绷紧，反射镜面中心部分一般仍可保持与硅片表面平行，反射光总体上可以保持原来的方向，对测量影响较小。如有压应力，则膜片的弯曲形状通常具有一定的随机性，反射镜面中心部分也有较大的概率难以保持和硅片表面平行，反射光方向会变得不确定，影响光探测器的正常接收。如果基片与制冷器直接相连，基片上的压应力和制冷器的收缩都有可能使反射镜面发生随机性不规则的轻微变形，导致反射光方向偏转，影响仪器的检测精度。这种空腔结构还可能会导致空腔内结露，从而容易吸附灰尘等污染物，不利于清洗。此外，这种结构的反射镜面下方的空腔内有空气，在加热反射镜面时，热量会向膜片背面流失，影响热量利用率。
【发明内容】
[0006]为了解决上述【背景技术】存在的问题，本发明旨在提供一种具有真空腔的MEMS露点传感器及其制造方法，创造性增加了真空腔结构，避免反射镜面的不规则变形，提高露点仪的检测精度。[0007]为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案是:
一种具有真空腔的微机电系统露点传感器，包括光源、光电探测器、测控电路和传感器主体。传感器主体包括第一基片、膜片、第一绝缘层、至少一个温度传感器、至少一个加热电阻、第二绝缘层、反射镜面、第二基片和制冷器。第一基片的正面刻蚀形成膜片，第一绝缘层置于膜片的正面，温度传感器和加热电阻分别置于第一绝缘层的正面，第二绝缘层置于第一绝缘层的正面并能够掩埋温度传感器和加热电阻，反射镜面形成于第二绝缘层的正面，第二基片键合于第一基片的背面且两者之间形成真空腔，制冷器与第二基片的背面连接。光源和光电探测器分别置于反射镜面的上方，使光斑处于反射镜面中心，反射镜面将光源发出的入射光进行反射后由光电探测器接收。测控电路分别与光源、光电传感器、温度传感器、加热电阻和制冷器连接。
[0008]上述的第二基片的材料可以是硅或者玻璃。上述的硅和玻璃利于和第一基片键合，而且硅和玻璃导热性能良好，便于传递能量。
[0009]上述的第一绝缘层和第二绝缘层均采用二氧化硅或氮化硅制备而成。
[0010]本发明还包含一种用于制造上述露点传感器的方法，其步骤包括:
a.采用体加工工艺在第一基片的背面刻蚀出方形开口空腔和在第一基片的正面刻蚀出膜片；
b.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一基片上的膜片上制备第一
绝缘层，第一绝缘层可以是二氧化硅或者氮化硅；
c.涂一层光刻胶覆盖在第一绝缘层表面；
d.制作覆盖在光刻胶表面的，用于接下来形成温度传感器和加热电阻的掩膜；
e.通过掩模，光刻留下作为温度传感器和加热电阻的图形；
f.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一绝缘层表面上制备温度传感器和加热电阻；
g.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一绝缘层表面上制备第二绝缘层，厚度能够掩埋掉温度传感器和加热电阻，第二绝缘层可以是二氧化硅或者氮化硅；
h.抛光第二绝缘层表面为一平面；
1.涂一层光刻胶覆盖在第二绝缘层表面；
j.制作覆盖在光刻胶表面的、用于接下来反射镜面的掩膜； k.通过掩膜，光刻留下作为反射镜面的图形；
1.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第二绝缘层表面制备反射镜
面；
m.在真空环境下使第一基片和第二基片键合，形成真空腔； η.制冷器与第二基片的背面连接；
ο.将光源和光电探测器置于反射镜面上方，使光斑处于反射镜面中心，光电探测器接收反射光；
P.把光源、光电探测器、温度传感器、加热电阻、制冷器分别与测控电路连接。
[0011]采用上述的技术方案可获得如下的有益效果:
(I)本发明的一种具有真空腔的微机电系统露点传感器，利用MEMS体加工工艺，在第一基片与第二基片之间形成真空腔结构。真空腔内外形成一定的气压差，膜片和反射镜面会向真空腔内部凹陷，无论是压应力还是张应力，反射镜面中心部分基本保持与硅片表面平行，使得反射光总体上可以保持原来的方向，可以避免反射镜面的不规则变形，提高露点仪的检测精度；
(2)在加热反射镜面时，真空腔结构可以减少热量向膜片背面流失，进一步节省加热功率。即使在相同功率下，本结构可以在更短的时间内，迅速烘干反射镜面，减少灰尘在反射镜面的附着，降低灰尘对测量的影响，提高测量精度；
(3)本发明的传感器主体中的加热电阻用来烘干反射镜面，减少灰尘在反射镜面的附着，降低灰尘对测量的影响，提高测量精度。同时，与通过给制冷器反向电压、加热整个露点传感器相比，这种结构还可以降低系统的功耗，提高测量效率；
(4)本发明的真空腔结构可以避免空腔内部结露，从而避免灰尘等污染物的吸附；
(5)本发明可以采用圆片级封装，有利于批量生产，降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的结构示意图。
[0013]为了简洁起见，测控电路等结构没有在图上标出。其中有光源1、光电探测器2、入射光3、反射光4、反射镜面5、第一基片6、真空腔7、第二基片8、制冷器9、第二绝缘层11、第一绝缘层10、温度传感器12、加热电阻13、膜片14。
【具体实施方式】
[0014]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0015]如图1所示的本发明的结构示意图，它包括光源1、光电探测器2、第一基片6、膜片
14、第一绝缘层10、温度传感器12、加热电阻13、第二绝缘层11、反射镜面5、第二基片8、真空腔7、制冷器9和测控电路。为了便于说明，定义元件向上的面为正面，向下的面为背面。第一基片6的正面设有膜片14，膜片14的正面设有第一绝缘层10，温度传感器12和加热电阻13分别置于第一绝缘层10的正面，第二绝缘层11置于第一绝缘层10的正面并掩埋温度传感器12和加热电阻13，反射镜面5置于第二绝缘层11的正面，第二基片8置于第一基片6的下方，且两者之间设有所述的真空腔7，制冷器9与第二基片8的背面连接。所述的光源I和光电探测器2分别置于反射镜面5的上方，使光斑处于反射镜面中心，光电探测器2接收反射光线。所述的测控电路分别与光源1、光电传感器2、温度传感器12、加热电阻13和制冷器9连接。在本实施例中，第一基片的材料为硅。第二基片的材料可以是硅或者玻璃。娃和玻璃利于和第一基片键合，而且娃和玻璃导热性能良好，便于传递能量。第一绝缘层和第二绝缘层均采用二氧化硅或氮化硅制备而成。
[0016]本发明的制造方法包括以下步骤:
a.采用体加工工艺在第一基片6的背面刻蚀出方形开口空腔和在第一基片6的正面刻蚀出膜片14 ；
b.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一基片上的膜片14上制备第一绝缘层10，第一绝缘层10可以是二氧化硅或者氮化硅；
c.涂一层光刻胶覆盖在第一绝缘层10表面；
d.制作覆盖在光刻胶表面的，用于接下来形成温度传感器12和加热电阻13的掩膜； e.通过掩模，光刻留下作为温度传感器12和加热电阻13的图形；
f.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一绝缘层10表面上制备温度传感器12和加热电阻13 ；
g.采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一绝缘层10表面上制备第二绝缘层11，厚度能够掩埋掉温度传感器12和加热电阻13，第二绝缘层11可以是二氧化硅或者氮化硅；
h.抛光第二绝缘层11表面为一平面；
1.涂一层光刻胶覆盖在第二绝缘层11表面；
j.制作覆盖在光刻胶表面的、用于接下来反射镜面5的掩膜； k.通过掩膜，光刻留下作为反射镜面5的图形；
1.采用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第二绝缘层11表面制备反射镜面5 ；
m.在真空环境下使第一基片6和第二基片8键合，形成真空腔7 ； η.制冷器9与第二基片8的背面连接；
ο.将光源I和光电探测器2置于反射镜面5上方,使光斑处于反射镜面5中心,光电探测器2接收反射光4 ；
P.把光源1、光电探测器2、温度传感器12、加热电阻13、制冷器9分别与测控电路连接。
[0017]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有真空腔的微机电系统露点传感器，其特征在于:包括光源、光电探测器、测控电路和传感器主体；所述的传感器主体包括第一基片、膜片、第一绝缘层、至少一个温度传感器、至少一个加热电阻、第二绝缘层、反射镜面、第二基片和制冷器；所述的第一基片的正面刻蚀形成膜片，所述的第一绝缘层置于膜片的正面，所述的温度传感器和加热电阻分别置于第一绝缘层的正面，所述的第二绝缘层置于第一绝缘层的正面并能够掩埋温度传感器和加热电阻，所述的反射镜面形成于第二绝缘层的正面，所述的第二基片键合于第一基片的背面且两者之间形成真空腔，所述的制冷器与第二基片的背面连接；所述的光源和光电探测器分别置于反射镜面的上方，使光斑处于反射镜面中心，反射镜面将光源发出的入射光进行反射后由光电探测器接收；所述的测控电路分别与光源、光电传感器、温度传感器、加热电阻和制冷器连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有真空腔的微机电系统露点传感器，其特征在于:所述的第二基片的材料为硅或玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种具有真空腔的微机电系统露点传感器，其特征在于:所述的第一绝缘层和第二绝缘层均采用二氧化硅或氮化硅制备而成。
4.用于制造权利要求1所述的一种具有真空腔的微机电系统露点传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤: a.采用体加工工艺在第一基片的背面刻蚀出方形开口空腔和在第一基片的正面刻蚀出膜片； b.采用PECVD工艺在第一基片上的膜片上制备第一绝缘层，第一绝缘层可以是二氧化娃或者氮化娃; c.涂一层光刻胶覆盖在第一绝缘层表面； d.制作覆盖在光刻胶表面的，用于接下来形成温度传感器和加热电阻的掩膜； e.通过掩模，光刻留下作为温度传感器和加热电阻的图形； f.采用PECVD工艺在第一绝缘层表面上制备温度传感器和加热电阻； g.采用PECVD工艺在第一绝缘层表面上制备第二绝缘层，厚度能够掩埋掉温度传感器和加热电阻，第二绝缘层可以是二氧化硅或者氮化硅； h.抛光第二绝缘层表面为一平面； i.涂一层光刻胶覆盖在第二绝缘层表面； j.制作覆盖在光刻胶表面的、用于接下来反射镜面的掩膜； k.通过掩模，光刻留下作为反射镜面的图形； l.采用PECVD工艺在第二绝缘层表面制备反射镜面； m.在真空环境下使第一基片和第二基片键合，形成真空腔； η.制冷器与第二基片的背面连接； ο.将光源和光电探测器置于反射镜面上方，使光斑处于反射镜面中心，光电探测器接收反射光； P.把光源、光电探测器、温度传感器、加热电阻、制冷器分别与测控电路连接。
【文档编号】B81B7/02GK103754818SQ201410014636
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】刘清惓, 高振翔, 刘恒, 葛益娴 申请人:南京信息工程大学