基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。
【背景技术】
[0002]湿度监测在气象学、环境监控、智能家居和工业生产控制等领域有广泛的应用。系统小型化趋势促进了电容、电阻和声波微装置湿度传感器的发展，即选用可以与空气中水汽相互作用的湿度敏感材料，通过测量其电容、电阻或谐振特性的变化，来表征环境湿度。相比于电阻与电容传感器，声波谐振系统提供的频率信息可以由更高精度的数字系统测量，因此受到更大的关注。
[0003]薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR)是最近研宄和应用发展很快的一种采用薄膜和微纳加工技术制作的甚高频谐振器。现有的基于FBAR的湿度传感器，一般只包含FBAR的主体薄膜结构。图1为现有技术基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件的剖面示意图。如图1所示，在硅衬底上制备绝缘层，以湿度敏感材料ZnO作为压电薄膜，其上下分别制备有顶电极与底电极，最后从背面除去有效工作区域的硅衬底层，释放薄膜。此谐振式传感器工作时，空气中的水分子吸附在ZnO晶体表面，微小的变化都会引起其谐振特性的改变，然后通过上下两个电极输入激励信号并检测其谐振状态的改变，以此表征环境湿度。
[0004]在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件存在如下几方面技术缺陷:
[0005](I)灵敏度:致密的金属电极覆盖压电薄膜的有效工作区域，不利于ZnO与环境中水汽的相互作用，削弱了器件对湿度的感应能力；
[0006]目前，已有设计中有针对这点的改进(见参考文献I)，使用石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance，简称QCM)作为谐振单元，在上电极表面覆盖生长ZnO纳米线作为湿度敏感层。但此种方法由于在声波路径上附加了一层不均匀材料，不仅增加了声损耗，还引入了更大的噪声，不利于后期的信号检测。
[0007](2)高湿度测试恢复:在高湿环境下，过多的水分在敏感表面凝结，会影响传感器的重复测量。同时，长期处在高湿环境下，会使湿度敏感材料与水分子形成更加稳定的结合，出现“中毒”现象，影响测量的可靠性。已有基于FBAR的湿度传感器设计中，基本未涉及这一方面。
[0008](3)温度补偿:温度的变化对压电结构的谐振特性影响很大，已有的常用方法(见参考文献2)，是在一个器件中安装两个湿度传感器，一个与测试环境接触，另一个密封，只感应温度变化，然后通过后端差频电路，提取出测试信息。这样不仅需要多使用一个测试芯片，占用器件空间，同时还增大了后期信号处理的难度，并引入更多的噪声与误差。
[0009]参考文献1:N.Asar，A.EroI, S.0kur, M.C.Arikan.Morphology-dependenthumidity adsorpt1n kinetics of ZnO nanostructures[J].Sensors and Actuators A,2012，187:37-42.
[0010]参考文献2:Igor Paprotny, Frederick Doering, Paul A.Solomon, RichardM.White, Lara A.Gundel.Microfabricated air-microfluidic sensor for personalmonitoring of airborne particulate matter:Design，fabricat1n, and experimentalresults[J].Sensors and Actuators A 2013，201:506-516.
【发明内容】
[0011](一)要解决的技术问题
[0012]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件，以提高湿度传感器件对湿度的感应能力。
[0013](二)技术方案
[0014]根据本发明的一个方面，提供了一种基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件。该湿度传感器件包括:支撑结构10 ;以及湿度测量结构20，形成于支撑结构10上。该湿度测量结构20包括:底电极21，形成于支撑结构10上；湿度感测薄膜22，形成于底电极21上；以及顶电极23，形成于湿度敏感薄膜上，其上方分布多个微孔，以使湿度敏感薄膜22的部分区域与外界环境相连通；其中，底电极21、湿度感测薄膜22和顶电极23构成谐振单元。
[0015](三)有益效果
[0016]从上述技术方案可以看出，本发明基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件具有以下有益效果:
[0017](I)在顶电极上分布微孔，环境气氛中的水分子通过微孔到达湿度敏感薄膜表面，器件对湿度的感应能力不会受到太大影响，同时不会增加声损耗，不增加噪声；
[0018](2)采用ZnO薄膜同时作为湿度敏感薄膜和谐振薄膜，利用了 ZnO薄膜的纳米结构，增强了吸附作用，提高了湿度传感器件的灵敏度；
[0019](3)在谐振单元周边集成加热单元，并结合温度传感器，监控敏感元件工作温度，使敏感元件在设定的恒定温度下工作，以减小环境温度对测量结果的影响，以及改善某些特殊条件(如低温或高湿)下的测量；
[0020](4)在一次湿度测量完成后，供电加热敏感区域，使吸附的水分子脱附，快速恢复测量初始状态，准备下一次测量。用于高湿度测量，可大大减小滞后时间，提高测量准确性，实现实时监测。同时可以消除湿度敏感材料由于长期处于高湿环境，与水分子形成稳定结合的“中毒”现象；
[0021](5)将加热电阻放置在悬空的衬底薄膜上，可以最大程度地减小加热电阻产生的热量向硅基底的传导耗散，提高加热效率，加快升温速度；
[0022](6)将有效谐振区域下方的支撑膜腐蚀除去，可进一步减少声波的声量损耗。且将温度传感器电阻分布在有效谐振区域周围，即可获得更准确的工作温度信息，又可抑制声波能量的横向损耗。
【附图说明】
[0023]图1为现有技术基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件的剖面示意图；
[0024]图2A和图2B分别为根据本发明实施例湿度传感器件的剖视图和俯视图；
[0025]图3为加热过程与自然冷却过程中芯片表面的温度变化曲线；
[0026]图4为本实施例湿度传感器件输出频移随湿度变化的对数曲线；
[0027]图5A和图5B分别为根据本发明第二实施例湿度传感器件的剖视图和俯视图。
[0028]【符号说明】
[0029]10-支撑结构；
[0030]11-基底；12-衬底薄膜；
[0031]20-湿度测量结构；
[0032]21底电极；22-湿度感测薄膜；23-顶电极；
[0033]30-加热组件；
[0034]31-加热电阻薄膜；
[0035]40-温度测量组件；
[0036]41-钼薄膜；42-绝缘材料薄膜；43-电极。
【具体实施方式】
[0037]本发明基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器件通过在顶电极的设计、湿度敏感薄膜的选择、加热元件和温度传感器的增加等方面的改进，避免了外界因素对湿度传感器精度的不利影响，提高了湿度传感器的感应能力。<