基于谐振式脱附的湿度传感器的制作方法

本发明涉及一种mems湿度传感器及其制备方法，尤其涉及一种与cmos工艺兼容的基于谐振式脱附的湿度传感器。

背景技术：

湿度是表征大气中水蒸气含量的参数，一般用相对湿度(％rh)表示，其值代表空气中水蒸气的压力和相同温度下饱和水蒸气压力的比值。湿度与人类的日常生活、农作物的生长、粮食的存储、医疗设备的维护、精密电子元器件的制造以及航空航天的高空作业等密切相关，所以湿度的监测变的越来越重要。

湿度传感器用于湿度检测，其基于湿敏功能材料的湿敏特性能够与水分子发生物理吸附作用，将水分子吸附量转换为电信号来实现湿度测量。按照其转换电信号种类的不同，通常可分为电容式、电阻式、电感式、谐振式、光电式等。其中电容式湿度传感器由于其高灵敏、低功耗、结构简单等诸多优点而被广泛研究应用。

灵敏度和湿滞是影响湿度传感器性能的两个重要指标。以电容传感器为例，灵敏度s指相对于环境湿度的变化，电容量的变化程度。湿滞定义为湿敏元件升湿和降湿时，在同一湿度下电容不一致的现象，其根本原因在于感湿材料在吸湿和脱湿过程中含水分子量的不同而导致。通常，对于同一种湿敏材料，其亲水性越强则灵敏度越高，然而在脱湿过程中水分子将难以脱附，从而极大的增加了湿滞特性，为湿度检测带来不可避免的延迟和误差。所以，同时具备高灵敏度和低湿滞的湿敏传感器一直是广大学者们的研究目标。

中国专利cn104634832a设计了一种快速响应的cmos相对湿度传感器，由衬底、氧化层、电容电极、湿度敏感介质组成，其特点在于腐蚀衬底及其上方的氧化层，形成空腔，使得电容电极之间的湿度敏感介质能够直接与上下两边空气接触，有利于湿敏材料上水分子与空气水分子扩散，具有响应速度快、灵敏度高、寄生电容小等优点。但是，仅仅依靠材料自身亲疏水性，很难满足高湿度下快速湿度响应的要求，并且结构稳定性差。

中国专利cn103698367a公开了一种加热式湿度传感器，其由衬底、下电极、电容感湿介质层、上电极、加热电阻所组成，其特点是加热电路环绕于湿度敏感电容周围。两只加热式湿度传感器交替使用，一只加热除湿的过程中，另一只进行湿度测量，并在一个工作周期后进行互换。该方法利用热脱附原理进行水分子强制脱离，优点是湿度测量范围广能够达到0％-100％rh，并且可应用于50℃-90℃低温环境中。但其缺点是高成本、高功耗、加热不均匀、温度分布不易控制等缺陷。电容、电阻及电感等物理量测量受温度影响严重，高温加热不仅引入高功耗，而且还需等到恢复环境温度才能再次测量，为提高检测效率，只能提高成本采用多传感器交替式工作。

技术实现要素：

有鉴于此，为了得到高灵敏且低湿滞的湿度传感器，本发明提供一种与cmos工艺兼容的基于谐振式脱附的湿度传感器，以至少部分解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于谐振式脱附的湿度传感器，包括：

带有空腔的衬底；

进一步的，该衬底为体硅。

绝缘层，附着于该衬底上，该绝缘层具有同样的上述空腔；

进一步的，该绝缘层为氮化硅或氧化硅。

更进一步的，上述衬底和绝缘层的空腔设置于下述提到的谐振模块的谐振区域。

第一谐振电极，覆盖于衬底和绝缘层的空腔上，实现机械振荡脱湿。

压电功能层，覆盖于第一谐振电极和衬底绝缘层之上；

进一步的，该压电功能层材料为：zno、石英、氮化铝、锆钛酸铅、钛酸钡或压电聚合物。

第二谐振电极，附着于压电功能层上，结合第一谐振电极和压电功能层作为谐振模块，实现机械振荡脱湿；

进一步的，该谐振模块为声波谐振器、石英晶体振荡器、半导体材料振荡器或声表面波谐振器。

湿敏介质层，垂直堆叠于谐振模块形成的谐振区域；

进一步的，该湿敏介质层完全覆盖于第二谐振电极和压电功能层表面；

或该湿敏介质层仅覆盖于第二谐振电极表面；

更进一步的，该湿敏介质层材料为：聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂及其衍生物或多孔介质湿敏材料。

以及上电极，附着于该湿敏介质层上，该上电极结合第二谐振电极及湿敏介质层作为测湿模块，实现感湿测量；

进一步的，该上电极表面开窗设计，开窗图形包括正方形或圆形；

更进一步的，该上电极为：电容、电阻、电感、谐振或光电，由此形成电容式、电阻式、电感式、谐振式或光电式湿度传感器；

另有，上述谐振区域的形状为第一谐振电极和第二谐振电极的交叠部分；

上述第一谐振电极、第二谐振电极和上电极均通过焊盘引出；

上述第一谐振电极、第二谐振电极与上电极材料为：pt、cu、au、ag或al。

由于机械脱湿与传统的热脱附在原理上有根本不同，所以本发明提出的基于谐振式脱附的湿度传感器存在下述有益效果：

(1)本设计利用谐振式机械脱湿，避免了热脱附带来的受热不均匀、恢复室温时间长、温度场不可控等问题，可以提高湿度的响应和恢复时间；

(2)该谐振式脱附湿度传感器的脱湿环节与测湿环节可紧密衔接，无需两个传感器交替使用，这样可大程度降低成本，提高检测效率，只需对一个湿敏元件进行检测和标定；

(3)该谐振式脱附湿度传感器利用谐振式机械脱湿，属于主动脱附，拥有更宽的温度环境使用范围，根据湿度介质层的不同可应用于低、中、高湿度检测；

(4)谐振式机械脱附，产生机械振动，传感器表面有一定的自清洁能力，所以更适用于恶劣环境中；

(5)本设计通过上电极和pi内部开窗，加大空气接触面积，增加了湿度响应灵敏度，同时缩短了响应时间；

(6)本设计与cmos工艺兼容，并且制作工艺简单，可批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例提供的谐振脱湿电容湿度传感器截面示意图；

图2是图1实施例中谐振脱湿电容湿度传感器整体结构示意图；

图3是本发明实施例可替换结构的谐振脱湿电容湿度传感器截面示意图；

图4是图3可替换结构实施例的谐振脱湿电容湿度传感器整体示意图。

图中：

衬底10硅衬底空腔11绝缘层20绝缘层空腔21

第一谐振电极30第一谐振电极焊盘31压电功能层40

第二谐振电极50第二谐振电极焊盘51湿敏介质层60

湿敏介质层窗口61上电极70电容电极焊盘71

电容电极窗口72

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明一实施例提供了一种基于谐振式脱附的湿度传感器，该湿度传感器由多层结构复合而成，为了方便理解，本实施例以电容湿度传感器为例做进一步说明，请参见图1-图4，首先对传感器结构做一详细介绍，包括：

带有空腔11的衬底10；

一些实施例中，该衬底10的材料可以为体硅。

本实施例中，该衬底10使用体硅，且该衬底10作为湿度传感器整体结构的支撑骨架，以此完成该湿度传感器的后续制备。

绝缘层20，附着于该衬底10上，该绝缘层20具有同样的上述空腔，作为电信号绝缘和谐振区域的支撑模块；

一些实施例中，该绝缘层20的材料可以为氮化硅或氧化硅。

第一谐振电极30，覆盖于衬底和绝缘层的空腔上，实现机械振荡脱湿。

压电功能层40，覆盖于第一谐振电极30和衬底绝缘层20之上，实现该第一谐振电极和一第二谐振电极50彼此绝缘；

一些实施例中，该压电功能层40材料为zno，亦可采用其他压电材料如石英、氮化铝、锆钛酸铅、钛酸钡或者压电聚合物等。

第二谐振电极50，附着于压电功能层40上，结合第一谐振电极30和压电功能层40作为典型的薄膜体声波谐振模块，实现机械振荡脱湿；

一些实施例中，该第一谐振电极30与第二谐振电极50的交叠部分决定了谐振区域的形状；

该薄膜体声波谐振模块也可以是其他形式的谐振器如石英晶体振荡器、半导体材料振荡器或声表面波谐振器。

本实施例中，该谐振区域的形状对应上述衬底10和绝缘层20的空腔11和21。

湿敏介质层60，垂直堆叠于谐振模块形成的谐振区域；

一些实施例中，该湿敏介质层60完全覆盖于第二谐振电极50和压电功能层40表面，如图1和图2所示；

或该湿敏介质层60仅覆盖于第二谐振电极50表面，如图3和图4所示。

本实施例中，该湿敏介质层60厚度可选1-6um，本处选择2um；材料可为聚酰亚胺，亦可采用聚甲基丙烯酸甲脂类及其衍生物等聚合物或者多孔介质湿敏材料如多孔陶瓷基材料、多孔金属氧化物及其他多孔半导体材料等。该湿敏介质层60亦可采用开窗设计(如图3中61)。

以及上电极70，附着于该湿敏介质层上，该上电极70结合第二谐振电极50及湿敏介质层60作为测湿模块，实现感湿测量；

一些实施例中，该上电极70表面开窗设计，开窗图形包括正方形或圆形，本实施例中选择10×10um的方窗(如图3中72)，与上述湿敏介质层61窗口相契合；

本实施例中，该上电极为电容，基于此设计方案得到的可快速谐振脱湿电容湿度传感器仅仅是一种实施方案，同理可结合该谐振式脱湿手段，利用电阻、电感、谐振和光电等测量方式制作成可快速谐振脱湿的各种湿度传感器。

另外还包括，上述第一谐振电极30通过焊盘31引出；

上述第二谐振电极50附着于zno层之上，通过焊盘51引出；

上电极70通过焊盘71引出；

本实施例中，上述第一谐振电极30、第二谐振电极50与上电极70等所有电极的材料均可采用金属pt材料，亦可采用cu、au、ag、al等其它金属材料。

本发明提供的上述基于谐振式脱附的湿度传感器，其工作原理为：基于聚酰亚胺感湿功能层的湿敏电容传感器，当水分子吸附于聚酰亚胺表面时，由于不同湿度下水分子吸附浓度不同，导致电容传感器介质层介电常数的改变而发生电容变化。由于感湿介质层本身可具备多孔、多羟基等亲水基团而易于吸水，所以水分子吸附容易，脱附难。基于薄膜体声波谐振器(fbar)的脱附模块，fbar可通过外围振荡电路起振并维持等幅振荡，其振荡频率主要取决于谐振区域厚度，而振荡幅度主要取决于驱动电压强度，当驱动电压强度适当时，fbar可大幅度谐振于本身基频附近，并将其机械能转化为表面水分子的动能及内能，使水分子能够快速机械脱附。

在实际应用中，该谐振脱湿电容湿度传感器的一个完整检测周期可分为脱湿恢复和湿度检测两环节，主要表现在第二谐振电极50需分时复用，在快速脱湿过程中作为谐振模块，切换至测湿过程时，则作为电容测湿模块，根据实际湿度环境的不同，可合理配置两环节时间占比和脱失功率。

本发明另一实施例提供了一种上述基于谐振式脱附的湿度传感器的制备方法，下面同样结合图1-图4，对本发明制备方法作详细描述：

(1)薄膜体声波谐振器

通过化学气相沉积(cvd)或者低压化学气相沉积(lpcvd)的方法在硅衬底10上制备300nm的氮化硅或氧化硅绝缘层20。

(2)fbar下电极的制备

通过光刻工艺及溅射工艺在硅上绝缘层20表面溅射200nm/30nm厚的pt/ti，通过lift-off工艺形成fbar下电极即第一谐振电极30的制备。

(3)fbar压电功能层zno的制备

通过射频磁控溅射工艺在fbar下电极即第一谐振电极30表面溅射一层2um厚的氧化锌，光刻形成固定图形的光刻胶掩膜层，通过稀硝酸湿法刻蚀的方式将zno层图形化，制备压电功能层40。

(4)fbar上电极的制备

通过光刻工艺及溅射工艺在zno层表面溅射200nm/30nm厚的pt/ti，通过lift-off工艺形成fbar上电极即第二谐振电极50，此电极兼作为pi电容传感器的下电极。

(5)pi层的制备

通过溶胶凝胶的方法将聚酰胺酸均匀涂于fbar上电极即第二谐振电极50表面并通过软烘固定成膜，通过光刻形成固定图形的光刻胶掩膜层，利用等离子体刻蚀(icp)的方式对介质层图形化，并最后通过300℃高温亚胺化，制备湿敏介质层60。

(6)pi电容上电极的制备

通过光刻工艺及溅射工艺在pi层表面溅射200nm/30nm厚的pt/ti，通过lift-off工艺形成pi电容上电极70。

(7)si衬底空腔释放及芯片分离

通过光刻形成窗口及划片槽图形的厚胶掩膜层，通过icp的方式，利用三氟甲烷干法刻蚀si的背部绝缘层。通过深度离子刻蚀drie的方式，利用六氟化硫干法刻蚀si衬底10，形成空腔11，最后通过icp的方式，利用三氟甲烷干法刻蚀si正面的绝缘层20，形成空腔21，该空腔11和21例如面积可选取为500×500um。。最终实现腔体的释放和芯片自分离。

至此，完成该谐振式脱附湿度传感器的制备。

本发明提供的基于谐振式脱附的湿度传感器，不同于热脱附原理，既可保留湿敏材料本身高亲水高灵敏的特性，又无需大幅度改变传感器温度，延长恢复时间。相比于加热式湿度传感器，其拥有低功耗、长期稳定、灵敏度高、响应速度快、工作温度区间广且高湿度量程等特点。适用于复杂多变的高空气象环境中，有利于高频率湿度检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。