專利名稱：一種電容式濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的微電子機械系統(tǒng)電容式濕度傳感器，尤其涉及一種具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器。
背景技術(shù)：
濕度傳感器在汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)學(xué)、軍事、氣象檢測、環(huán)境衛(wèi)生、生物科學(xué)、信息技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。其發(fā)展由最初的干濕球濕度計、毛發(fā)濕度計等傳統(tǒng)的濕度傳感器到目前可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的微型濕度傳感器(包括電容式、電阻式、壓阻式、光學(xué)式等類型)。無論是電阻式濕度傳感器還是基于硅基集成濕度傳感器，其自加熱效應(yīng)常會影響測量精度，如在室溫下，當(dāng)工作電流超過300uA時就應(yīng)該考慮自加熱效應(yīng)。這些都制約了它們在微型化高端電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，如硅基IC電路中可用于實現(xiàn)濕度傳感器的集成電阻器，但一般線性度較差，很難滿足高精度應(yīng)用的需求。在商用領(lǐng)域中，電容式濕度傳感器應(yīng)用最為廣泛，這是因為電容式濕度傳感器靈敏度高、制造成本低、動態(tài)響應(yīng)時間短、熱損耗極小等特點。目前，主要的電容式濕度傳感器有兩種，一種是叉指電容式濕度傳感器，這種傳感器可以和CMOS工藝兼容，但是，由于敏感電容較小，且寄生電容大，不利于測量，另一種是三明治結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，這種傳感器將感濕材料至于敏感電容極板之間作為感濕介質(zhì)，雖然靈敏度高，寄生電容小，但是響應(yīng)速度慢，不易與CMOS工藝兼容。上述的電容式濕度傳感器利用感濕材料(如聚酰亞胺)吸收水份后介電常數(shù)變化引起敏感電容變化進而表征濕度變化。由于感濕材料介電常數(shù)隨濕度的非線性變化特性使得傳感器的具有較強的非線性，此外，在高濕區(qū)感濕材料漏電現(xiàn)象嚴重，因此呈現(xiàn)出較大的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中電容式傳感器非線性強、高濕區(qū)損耗大以及不易與CMOS工藝兼容等上述缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、線性度好、溫度漂移小、響應(yīng)速度快、敏感電容損耗小、寄生電容小以及易與CMOS工藝兼容的電容式濕度傳感器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種電容式濕度傳感器，包括由襯底、介質(zhì)層和金屬電極層組成的檢測電容；檢測電容呈懸臂梁結(jié)構(gòu)狀，其中，介質(zhì)層設(shè)在襯底上，金屬電極層位于介質(zhì)層上；金屬電極層上還設(shè)有濕度敏感應(yīng)變層。本發(fā)明所述具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器的工作原理為在本發(fā)明所述技術(shù)方案中，所述電容式濕度傳感器包括呈懸臂梁結(jié)構(gòu)狀的檢測電容，該檢測電容是由襯底、介質(zhì)層和金屬電極層組成的三明治結(jié)構(gòu)的固態(tài)電容器，其中，介質(zhì)層設(shè)在襯底上，金屬電極層設(shè)在介質(zhì)層上，除此之外，金屬電極層上還設(shè)有濕度敏感應(yīng)變層。當(dāng)濕度敏感應(yīng)變層吸濕后，其形狀會發(fā)生變化，進而引起懸臂梁結(jié)構(gòu)狀的檢測電容發(fā)生形變，此時，介質(zhì)層也會產(chǎn)生形變，由于電致伸縮增強效應(yīng)，介質(zhì)層的介電常數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致所述電容式濕度傳感器的電容值改變，從而實現(xiàn)濕度測量功能。本發(fā)明利用聚酰亞胺吸水后膨脹使得敏感電容發(fā)生形變，敏感電容中彈性固體敏感介質(zhì)形變后，面積和厚度都將發(fā)生變化，此外，在應(yīng)力作用下介電常數(shù)也發(fā)生變化，因此敏感電容變化，由于感濕材料不直接作為敏感介質(zhì)材料，因此所述電容式濕度傳感器的線性度更好，敏感電容損耗更小，且相比于叉指電容式濕度傳感器，本發(fā)明的敏感電容更大，寄生電容更小，有利于測量；相比于傳統(tǒng)三明治結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器，本發(fā)明具有較好的CMOS工藝兼容性，并且由于感濕材料直接和空氣接觸，因此響應(yīng)速度更快。作為對本發(fā)明所述技術(shù)方案的一種改進，介質(zhì)層為固體彈性電介質(zhì)層。本發(fā)明所述技術(shù)方案采用固體彈性電介質(zhì)層代替了傳統(tǒng)電容式傳感器極板之間的空腔，形成了導(dǎo)體極板/固體彈性電介質(zhì)/導(dǎo)體極板結(jié)構(gòu)的三明治結(jié)構(gòu)的固態(tài)電容器，這樣有助于提高所述電容式濕度傳感器的線性度，并且保證比較小的溫度漂移。作為對本發(fā)明所述技術(shù)方案的一種改進，固體彈性電介質(zhì)層為二氧化硅層、氮化硅層或二氧化硅與氮化硅的復(fù)合介質(zhì)層。作為對本發(fā)明所述技術(shù)方案的一種改進，濕度敏感應(yīng)變層為聚酰亞胺感濕層。在本發(fā)明所述技術(shù)方案中，感濕材料為淀積于金屬電極層上的聚酰亞胺，它具有靈敏度高、線性度、滯回特性好以及長期可靠等優(yōu)點；且在本發(fā)明所述技術(shù)方案中，聚酰亞胺感濕層不是作為敏感電容介質(zhì)層，而是作為形變材料，故可提高線性度，還能大大降低敏感電容的損耗，并有助于減小寄生電容。作為對本發(fā)明所述技術(shù)方案的一種改進，金屬電極層為鋁電極層。綜合所選取金屬中的成本、制作工藝的實現(xiàn)方式以及與CMOS工藝的兼容性來說，鋁都是優(yōu)選的金屬種類，成本低廉，且可以簡化制作工藝，更為重要的是選用鋁金屬，有益于加強所述電容式濕度傳感器與CMOS工藝的兼容性；除此之外，在所述電容式濕度傳感器的制作工藝過程中，其他電極，比如說下極板壓焊塊和上極板壓焊塊等均采用鋁金屬制作，這樣可以簡化所述電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)，且加工更加方便。作為對本發(fā)明所述技術(shù)方案的一種改進，襯底為N型重摻雜硅襯底。另外，在本發(fā)明所述技術(shù)方案中，凡未作特別說明的，均為本技術(shù)領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)。因此，本發(fā)明的有益效果是提供了一種具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，并且還具有線性度好、溫度漂移小、響應(yīng)速度快、敏感電容損耗小、寄生電容小以及易與CMOS工藝兼容等優(yōu)點。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1是本發(fā)明所述電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；現(xiàn)將附圖中的標(biāo)號說明如下1為襯底，2為介質(zhì)層，3為金屬電極層，4為濕度敏感
應(yīng)變層。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明優(yōu)選實施例如下如圖1所示，本實施例所述電容式濕度傳感器包括呈懸臂梁結(jié)構(gòu)狀的檢測電容，該檢測電容由襯底1、介質(zhì)層2、金屬電極層3和濕度敏感應(yīng)變層4構(gòu)成；其中，介質(zhì)層2設(shè)在襯底I上，金屬電極層3位于介質(zhì)層2上,而濕度敏感應(yīng)變層4設(shè)在金屬電極層3表面。在本實施例中，襯底I選用N型重摻雜硅襯底，介質(zhì)層2采用由二氧化硅、氮化硅或二氧化硅與氮化硅的復(fù)合介質(zhì)制成的固體彈性電介質(zhì)層，濕度敏感應(yīng)變層4為聚酰亞胺感濕層，金屬電極層3為鋁電極層。本實施例所述電容式濕度傳感器的制作過程如下首先，選用低阻硅作為襯底1，在其上熱生長氧化硅4000A作為介質(zhì)層2，通過光刻工藝刻蝕成形出檢測電容的金屬電極層3。通過雙面對準(zhǔn)光刻，刻蝕背面氧化硅，以氧化硅為掩模材料由TMAH進行體硅各型異性腐蝕，PN結(jié)自停止，為形成空腔做準(zhǔn)備。在正面利用旋涂法旋涂一層聚酰亞胺，光刻聚酰亞胺，亞胺化，形成聚酰亞胺感濕層，最后對正面光刻，以光刻膠為掩模材料干法刻蝕釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，得到空腔以及懸臂結(jié)構(gòu)狀的檢測電容。在本實施例中，襯底1、金屬電極層3以及介質(zhì)層2構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)狀的檢測電容，當(dāng)濕度敏感應(yīng)變層4吸濕后形狀會發(fā)生變化，則會引起電容發(fā)生形變，而介質(zhì)層2由于電致伸縮增強效應(yīng)，使得其介電常數(shù)發(fā)生變化，進而引起所述電容式濕度傳感器的電容值改變，實現(xiàn)濕度測量功能。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種電容式濕度傳感器，其特征在于，包括由襯底(I)、介質(zhì)層(2)和金屬電極層(3)構(gòu)成的檢測電容；所述檢測電容呈懸臂梁結(jié)構(gòu)狀，其中，所述介質(zhì)層(2)設(shè)在襯底(I)上，金屬電極層(3 )位于介質(zhì)層(2 )上；所述金屬電極層(3 )上還設(shè)有濕度敏感應(yīng)變層(4 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式濕度傳感器，其特征在于，所述介質(zhì)層(2)為固體彈性電介質(zhì)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容式濕度傳感器，其特征在于，所述固體彈性電介質(zhì)層為二氧化硅層、氮化硅層或二氧化硅與氮化硅的復(fù)合介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式濕度傳感器，其特征在于，所述濕度敏感應(yīng)變層(4)為聚酰亞胺感濕層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式濕度傳感器，其特征在于，所述金屬電極層(3)為鋁電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式濕度傳感器，其特征在于，所述襯底(I)SN型重摻雜硅襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式濕度傳感器，包括由襯底、介質(zhì)層和金屬電極層構(gòu)成的檢測電容；檢測電容呈懸臂梁結(jié)構(gòu)狀，其中，介質(zhì)層設(shè)在襯底上，金屬電極層位于介質(zhì)層上；金屬電極層上還設(shè)有濕度敏感應(yīng)變層。本發(fā)明提供的電容式濕度傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，并且還具有線性度好、溫度漂移小、響應(yīng)速度快、敏感電容損耗小、寄生電容小以及易與CMOS工藝兼容等優(yōu)點。
文檔編號B81B3/00GK103018289SQ20131000223
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者黃見秋, 任青穎, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)