Cmos mems电容式湿度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种CMOSMEMS电容式湿度传感器，其特征是：包括叉指状的上电极和叉指状的下电极，下电极穿过SiO2氧化层设置在硅基底的同一表面上，上电极位于下电极的上方，在上电极和下电极之间、上电极的叉指之间、下电极的叉指之间填充湿度敏感介质；在所述上电极的上方设置铝条，铝条位于上电极、下电极的叉指之间，在铝条和上电极之间填充湿度敏感介质；在所述上电极和下电极正下方的硅基底上形成空腔，使下电极以及下电极叉指间的湿度敏感介质直接与空气接触。所述上电极的叉指与下电极的叉指在高度方向上重合。所述湿度敏感介质为聚酰亚胺。本发明响应迅速，灵敏度高，输出范围宽，耐高温，湿滞误差小，温度特性和长期稳定性好。
【专利说明】CMOS MEMS电容式湿度传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种CMOS MEMS电容式湿度传感器，尤其是一种与CMOS工艺兼容的电容式湿度传感器，属于MEMS器件设计制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]湿度测量是MEMS技术的一个主要应用方面，湿度的检测和控制技术已经获得广泛应用。比如军事，气象，农业，工业(特别是纺织，电子，食品)，医疗，建筑以及家用电器等方面需要对湿度进行严格监测，有些场合甚至需要对湿度进行控制和报警，比如空气调节系统，温室控制系统，仓库监测系统。对湿度监测、控制的需要促进了对湿度传感器的研究进展。
[0003]传统湿度传感器制备均采用MEMS体硅加工工艺，工艺复杂，加工成本昂贵，并且很难实现标准化。CMOS技术是目前IC制造的主流技术，其加工技术先进而且成熟。CMOSMEMS可利用已建立起来强大的IC工业基础设施，这种设施工艺成熟，规范和标准化，一旦所研制的器件成功，即可批量生产；另一方面，CMOS MEMS容易将MEMS器件与电路单片集成。因此，基于CMOS代加工厂的MEMS有较高的性能和较低的价格。电容式的单片集成湿度传感器采用铝叉指结构，叉指结构电容式湿度传感器是硅微湿度传感器的一种主要类型，其基本原理是将湿度变化转换为电容的变化。在叉指状电容器以及电阻条上面覆盖一层感湿介质层一聚酰亚胺，当外界环境中的相对湿度发生变化，感湿材料吸附/脱附空气中的水汽分子，使得聚酰亚胺的介电常数发生变化，从而引起叉指电容值的改变，湿敏电容值减小，通过电容检测电路就可以将电容值转化为电压或电流信号进行输出。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种CMOS MEMS电容式湿度传感器，与CMOS工艺兼容，该传感器灵敏度高，量程范围大，并且提高了可制造性，制造成本低。
[0005]按照本发明提供的技术方案，所述CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征是:包括叉指状的上电极和叉指状的下电极，下电极穿过SiO2氧化层设置在硅基底的同一表面上，上电极位于下电极的上方，在上电极和下电极之间、上电极的叉指之间、下电极的叉指之间填充湿度敏感介质；在所述上电极的上方设置铝条，铝条位于上电极、下电极的叉指之间，在铝条和上电极之间填充湿度敏感介质；在所述上电极和下电极正下方的硅基底上形成空腔，使下电极以及下电极叉指间的湿度敏感介质直接与空气接触。
[0006]所述上电极的叉指与下电极的叉指在高度方向上重合。
[0007]所述上电极和下电极采用金属铝。
[0008]所述湿度敏感介质为聚酰亚胺。
[0009]本发明的有益效果是:本发明所述CMOS MEMS电容式湿度传感器响应迅速，灵敏度高，输出范围宽，耐高温，湿滞误差小，温度特性和长期稳定性好；并且聚酰亚胺广泛应用于半导体工艺中作为钝化层或者平坦化处理，与CMOS工艺完全兼容，并利用电路工艺加工在先，后处理工艺在后的方式，保证了 CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和打断；本发明易于实现批量化制造以及传感器的微型化和智能化。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的剖面图。
[0011]图2为本发明的俯视图。
[0012]图3为溅射下电极的掩膜版的示意图。
[0013]图4为溅射上电极的掩膜版的示意图。
[0014]图5为溅射铝条的掩膜版的示意图。
[0015]图中的序号为:下电极1、上电极2、铝条3、湿度敏感介质7、硅基底8、空腔9、SiO2氧化层10、下电极压焊块11、上电极压焊块21、铝条压焊块31。
【具体实施方式】
[0016]下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
[0017]如图1、图2所示:所述CMOS MEMS电容式湿度传感器包括叉指状的上电极2和叉指状的下电极1，下电极I由下电极压焊块11引出、穿过SiO2氧化层10设置在硅基底8的同一表面上，上电极2由上电极压焊块21引出、位于下电极I的上方，上电极2的叉指与下电极I的叉指在高度方向上重合，在上电极2和下电极I之间、上电极2的叉指之间、下电极I的叉指之间填充湿度敏感介质7 ;在所述上电极2的上方由铝条压焊块31引出铝条3，铝条3位于上电极2、下电极I的叉指之间，在铝条3和上电极2之间填充湿度敏感介质7 ；在所述上电极2和下电极I正下方的硅基底8上形成空腔9，下电极I以及下电极I叉指间的湿度敏感介质7可以直接与空气接触；
所述上电极2和下电极I采用金属铝；所述湿度敏感介质7为聚酰亚胺。
[0018]制备上述CMOS MEMS电容式湿度传感器的方法，采用以下工艺步骤:
(1)在硅基底8上生长一层SiO2形成SiO2氧化层10，在SiO2氧化层10上采用如图3所示的掩膜版溅射金属铝，并刻蚀形成下电极I ;
(2)采用旋涂法旋涂一层聚酰亚胺，再采用如图4所示的掩膜版溅射金属铝，并刻蚀形成上电极2，上电极2的叉指与下电极I的叉指在高度方向上重合；
(3)再采用刻涂法旋涂一层聚酰亚胺，然后采用如图5所示的掩膜版溅射金属铝，并刻蚀形成铝条3，铝条3位于上电极2、下电极I的叉指之间；
(4)在硅基底8的背面淀积一层氮化硅阻挡层，并在硅底底8上刻蚀出腐蚀窗口，然后利用硅的各向异性腐蚀从硅基底8的背面向SiO2氧化层10方向腐蚀，选用的腐蚀溶液对SiO2氧化层10的腐蚀速率远小于该腐蚀溶液对硅基底8的腐蚀速率，当硅基底8腐蚀到SiO2氧化层10下表面时，第一步腐蚀结束；第二步腐蚀将SiO2氧化层10腐蚀至下电极I的下表面；两步腐蚀完成后在下电极I下部的硅基底8上形成空腔9，并且下电极I以及下电极I叉指间的湿度敏感介质能够与空气接触；
(5)最后再将硅底8背面的氮化硅阻挡层去除。
[0019]本发明所述CMOS MEMS电容式湿度传感器在工作时，环境中的湿气被上电极和下电极之间的湿度敏感介质吸附/脱附，从而使得上电极和下电极间的介质介电常数发生变化，产生相应的电容值变化，电容值随着湿度变化单调变化，电容值与湿度值相互对应，形成由湿度到电容的传感转换功能。
【权利要求】
1.一种CMOS MEMS电容式湿度传感器，其特征是:包括叉指状的上电极(2)和叉指状的下电极(1)，下电极(I)穿过SiO2氧化层(10)设置在硅基底(8)的同一表面上，上电极(2)位于下电极(I)的上方，在上电极(2)和下电极(I)之间、上电极(2)的叉指之间、下电极(I)的叉指之间填充湿度敏感介质(7);在所述上电极(2)的上方设置铝条(3)，铝条(3)位于上电极(2)、下电极(I)的叉指之间，在铝条(3)和上电极(2)之间填充湿度敏感介质(7);在所述上电极(2)和下电极(I)正下方的硅基底(8)上形成空腔(9)，使下电极(I)以及下电极(I)叉指间的湿度敏感介质(7)直接与空气接触。
2.如权利要求1所述的CMOSMEMS电容式湿度传感器，其特征是:所述上电极(2)的叉指与下电极(I)的叉指在高度方向上重合。
3.如权利要求1所述的CMOSMEMS电容式湿度传感器，其特征是:所述上电极(2)和下电极(I)采用金属铝。
4.如权利要求1所述的CMOSMEMS电容式湿度传感器，其特征是:所述湿度敏感介质(7)为聚酰亚胺。
【文档编号】G01N27/22GK103675042SQ201310633540
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月30日 优先权日:2013年11月30日
【发明者】薛惠琼, 王玮冰, 田龙坤 申请人:江苏物联网研究发展中心