专利名称：微电子机械系统电容式相对湿度传感器的制作方法
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)工艺的MEMS(微电子机械系统)电容式相对湿度传感器，尤其是一种采用空气作为湿度敏感介质的MEMS相对湿度传感器。
背景技术：
湿度测量在工农业生产、国防航空、气象预报、医疗卫生、食品加工、环保等领域有着重要的应用。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采用标准CMOS工艺制造的微型湿度传感器。用标准CMOS工艺加工出来的湿度传感器具有功耗低、体积小、价格低、产品一致性好等优点，是近几年来湿度传感器研究的热点。另外，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。2004年，中国人顾磊提出了一种利用CMOS工艺制作的相对湿度传感器，该湿度传感器的敏感单元为叉指电容结构，将栅状多晶硅加热电阻置于梳齿状电极的下方，采用聚酰亚胺作为湿度敏感介质，灵敏度高，线性度好，但是传感器的回滞特性不是很好，而且响应较慢，加热电路工作可以提高湿度敏感单元的温度，进而加快传感器的响应速度，但这样必然会使传感器的功耗增加。2006年，中国人彭韶华提出了一种CMOS工艺兼容的湿度传感器， 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。
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MEMS电容式相对湿度传感器，具有响应速度快，线性度高，温度漂移小，结构简单，衬底寄生小等优点ο技术方案为解决上述技术问题，本发明提出一种MEMS电容式相对湿度传感器， 该湿度传感器包括设有空腔的衬底、设在衬底上的氧化层、分别设置在氧化层上的第一电容电极和第二电容电极，第一电容电极和第二电容电极设置在空腔上方，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和第一自由端，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和第二自由端；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，相邻的第一电容电极之间设有第二电容电极，相邻的第二电容电极之间设有第一电容电极，第一电容电极的第一公共端和第一自由端均固定于氧化层上，第二电容电极相的第二公共端和第二自由端均固定于氧化层上。
优选的，第一电容电极、第二电容电极分别为铝电极。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，抗干扰性强，长期稳定性好。本发明提出的湿度传感器采用空气作为湿度敏感介质，线性度高，温度漂移小，将衬底及其上方的氧化层腐蚀形成空腔，这样电容电极的上方和下方以及电容电极之间均为空气，使得传感器的响应速度加快，衬底寄生效应减小。
图1是本发明提供的MEMS电容式相对湿度传感器的俯视图，图中有氧化层2，第一电极33，第二电极43，第一公共端31，第二公共端41，第一自由端32，第二自由端42，第一压焊块34，第二压焊块44，空腔5 ；图2是本发明提供的MEMS电容式相对湿度传感器的截面图，图中有衬底1，氧化层2，第一电容电极3，第二电容电极4，空腔5。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。本发明是一种MEMS电容式相对湿度传感器，由衬底，氧化层，电容电极组成，氧化层设在衬底上，电容电极设在氧化层上，电容电极由压焊块引出，腐蚀衬底及其上方的氧化层，形成空腔，使得电容电极的上方和下方以及电容电极之间均为空气，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固定于氧化层上，以保证电容电极的机械强度。参见图1 一 2，本发明是一种MEMS电容式相对湿度传感器，由衬底1，氧化层2，第一电容电极3，第二电容电极4组成，氧化层2设在衬底1上，第一电容电极3和第二电容电极4设在氧化层2上，第一电容电极3和第二电容电极4由第一压焊块34和第二压焊块44 分别引出，腐蚀衬底1及其上方的氧化层2，形成空腔5，使得第一电容电极3和第二电容电极4的下方也为空气，第一电容电极3和第二电容电极4为梳齿状电极且交错排列，每组梳齿状电极的第一公共端31和第二公共端41以及梳齿状电极的第一自由端32和第二自由端42均固定于氧化层2上，以保证第一电容电极3和第二电容电极4的机械强度。本发明提供的一种MEMS电容式相对湿度传感器，参见图1，图2，该湿度传感器包括一种MEMS电容式相对湿度传感器，该湿度传感器包括设有空腔5的衬底1、设在衬底1上的氧化层2、分别设置在氧化层2上的第一电容电极3和第二电容电极4，第一电容电极3 和第二电容电极4设置在空腔5上方，第一电容电极3包括若干平行的第一电极33、将第一电极33连接在一起的第一公共端31、每个第一电极33设有与第一公共端31相对的第一自由端32，第一电极33连接第一公共端31和第一自由端32，第二电容电极4包括若干平行的第二电极43、将第二电极43连接在一起的第二公共端41、每个第二电极43设有与第二公共端41相对的第二自由端42，第二电极43连接第二公共端41和第二自由端42 ；第一自由端32与第二公共端41不接触，第二自由端42与第一公共端31不接触。相邻的第一电容电极3之间设有第二电容电极4，相邻的第二电容电极4之间设有第一电容电极3，第一电容电极3的第一公共端31和第一自由端32均固定于氧化层2上， 第二电容电极4相的第二公共端41和第二自由端42均固定于氧化层2上。
其中，第一电容电极3由第一压焊块34引出，第二电容电极4由第二压焊块44引
出ο第一电容电极3、第二电容电极4分别为铝电极。本实施例中衬底1为体硅，氧化层2为二氧化硅，第一电容电极3和第二电容电极 4为铝电极，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，在硅衬底1正面溅射铝并刻蚀形成第一电容电极3和第二电容电极4以及第一压焊块34和第二压焊块44，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5，此时第一电容电极3和第二电容电极4的下方也为空气，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3和第二电容电极4构成的电容以空气作为湿度敏感介质，当环境湿度发生改变时，空气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。由于第一电容电极3和第二电容电极4的上方和下方以及第一电容电极3和第二电容电极4之间均为空气，当环境湿度发生改变时，传感器会快速响应。
权利要求
1.一种微电子机械系统电容式相对湿度传感器，其特征在于该湿度传感器包括设有空腔(5)的衬底(1)、设在衬底(1)上的氧化层(2)、分别设置在氧化层(2)上的第一电容电极(3)和第二电容电极(4)，第一电容电极(3)和第二电容电极(4)设置在空腔(5)上方， 第一电容电极(3)包括若干平行的第一电极(33)、将第一电极(33)连接在一起的第一公共端(31)、每个第一电极(33)设有与第一公共端(31)相对的第一自由端(32)，第一电极 (33)连接第一公共端(31)和第一自由端(32)，第二电容电极(4)包括若干平行的第二电极 (43)、将第二电极(43)连接在一起的第二公共端(41)、每个第二电极(43)设有与第二公共端(41)相对的第二自由端(42)，第二电极(43)连接第二公共端(41)和第二自由端(42)； 第一自由端(32)与第二公共端(41)不接触，第二自由端(42)与第一公共端(31)不接触。
2.根据权利要求1所述的微电子机械系统电容式相对湿度传感器，其特征在于相邻的第一电容电极(3)之间设有第二电容电极(4)，相邻的第二电容电极(4)之间设有第一电容电极(3)，第一电容电极(3)的第一公共端(31)和第一自由端(32)均固定于氧化层(2) 上，第二电容电极(4)相的第二公共端(41)和第二自由端(42)均固定于氧化层(2)上。
3.根据权利要求1或2所述的微电子机械系统电容式相对湿度传感器，其特征在于 第一电容电极(3)、第二电容电极(4)分别为铝电极。
全文摘要
本发明公开了一微电子机械系统电容式相对湿度传感器，其特征在于该湿度传感器包括设有空腔(5)的衬底(1)、设在衬底(1)上的氧化层(2)、分别设置在氧化层(2)上的第一电容电极(3)和第二电容电极(4)，第一电容电极(3)和第二电容电极(4)设置在空腔(5)上方，第一电容电极(3)包括若干平行的第一电极(33)、将第一电极(33)连接在一起的第一公共端(31)、每个第一电极(33)设有与第一公共端(31)相对的第一自由端(32)，第一电极(33)连接第一公共端(31)和第一自由端(32)。本发明成本低，精度高，抗干扰性强，长期稳定性好。
文档编号G01N27/22GK102262107SQ201110098540
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者秦明, 赵成龙, 黄庆安 申请人:东南大学