Mems電容式相對濕度傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種MEMS電容式相對濕度傳感器及其制備方法，屬于半導體芯片技術。
【背景技術】
[0002]濕度傳感器廣泛應用于國防航空、氣象檢測、工業控制、農業生產等多個領域。近年來，微型化的濕度傳感器已逐漸成為市場的主流。現有的微型濕度傳感器主要有電容式、電阻式、壓阻式等類型。電容式濕度傳感器因具有功耗小、成本低等優點，已被商用領域普遍應用。MEMS技術的發展則對一些高性能濕度傳感器的設計、制造提供了平臺，這些高性能的濕度傳感器包括快速響應，低溫漂，高靈敏度等類型，可滿足相應需求。另外，遲滯誤差也是衡量濕度傳感器性能優劣的重要參數，是研宄的熱點。
[0003]中國專利申請第CN 103076372A號中提到一種電容式濕度傳感器，從下到上依次包括下部硅片、下加熱器、下金屬層、下鈍化層、下感濕材料層、上感濕材料層、上鈍化層、上金屬層和上部硅片；下部硅片上設有下硅片絕緣層，下加熱器設在下硅片絕緣層上，且在下加熱器之間及其上方設有下加熱器絕緣層；下加熱器絕緣層、下金屬層、下鈍化層和下干濕材料層從下至上依次相連；上部硅片上設有上硅片絕緣層，且上硅片絕緣層、上金屬層、上鈍化層和上干濕材料層從上至下依次相連；下感濕材料層和上感濕材料層之間設有空氣間隙；下金屬層和上金屬層之間有銦凸點鍵合。該發明提供了一種電容式濕度傳感器，其加熱均勻，能克服縱向溫度梯度帶來的溫度不均勻性，溫度分布易控制，響應速度快。
[0004]中國專利申請第CN 103698367A號中提到一種加熱式濕度傳感器，包括:襯底
(I)，還包括:濕度敏感電容和加熱電路。襯底(I)為方形薄片，作為支撐結構置于最底層。加熱電路環繞于濕度敏感電容的周圍。兩只加熱式濕度傳感器同時使用，一只加熱除濕以及降溫的過程中，另一只進行濕度測量；一個工作周期后兩只互換工作方式。加熱式濕度傳感器的制造方法具體步驟為:選擇襯底(I);制作加熱電路；制作電容下電極(7);制作電容感濕介質層(12);制作電容上電極(13)。該發明在50°C?_90°C的環境溫度范圍內，濕度測量范圍為0%?100% RH，濕度測量誤差小于±3%，濕度分辨率小于0.1%，常溫環境響應時間低于Is。
[0005]中國專利第CN 1327215C號中提到一種用于檢測濕度的CMOS工藝兼容的相對濕度傳感器，由襯底，氧化層，電容下極板，電容上極板組成，氧化層設在襯底上，電容下極板平鋪于氧化層上，電容上極板位于襯底和氧化層的上方；該發明具有制作方法和結構簡單，溫度漂移小，抗干擾能力強，有效降低生產成本，具有響應迅速，有利于后續電子電路的檢出等優點。
[0006]與梳齒狀電容式濕度傳感器相比，三明治結構的濕度傳感器具有高靈敏度的優點，被廣泛應用，但由于其響應速度較慢，很難應用到要求快速響應的場合。典型的如專利CN 103698367A中涉及的一種加熱式濕度傳感器，傳感器部分為三明治結構，上電極直接覆蓋在濕度敏感介質上，雖然上電極上分布透氣孔，水汽分子需要先縱向擴散再橫向擴散，繼而均勻分布在濕度敏感介質中，這種先縱向再橫向擴散的方式限制了響應時間的縮短。為了加快三明治結構濕度傳感器的響應時間，專利CN 1327215C中設計了一種用于檢測濕度的CMOS工藝兼容的相對濕度傳感器，直接采用空氣作為濕度敏感介質，但由于空氣的相對介電常數隨濕度變化很小，所以傳感器的靈敏度會很小，不便于檢測。為了在確保高靈敏度的同時，縮短響應時間，專利CN 103076372A中設計了一種電容式濕度傳感器，濕度敏感介質一側表面直接與空氣接觸，水汽分子擴散距離短，響應速度快，但由于采用凸點鍵合技術，電容上下極板的間距難以精確控制，另外，該器件的整體厚度很難做小，限制其在超薄場合的應用。所以，本發明需要解決的主要問題是，在不增加器件整體厚度及確保高靈敏度的同時，縮短響應時間。
[0007]專利CN 103698367A中涉及的一種加熱式濕度傳感器，其加熱電路分布在濕度敏感單元周圍，犧牲了一部分芯片面積。所以，本發明一并要解決的問題是在不增加芯片面積的情況下，同時利用電容下電極作為加熱模塊，減小遲滯誤差。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種MEMS電容式相對濕度傳感器，其靈敏度高，響應速度快，遲滯誤差小。
[0009]為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案:一種MEMS電容式相對濕度傳感器，包括具有正面和背面的襯底、設置于所述襯底正面的電容下極板及設置在所述電容下極板上方的電容上極板，還包括支撐所述電容上極板的絕緣支撐體和淀積在電容下極板上的濕度敏感層，所述電容上極板位于所述濕度敏感層上方，且電容上極板與濕度敏感層之間形成有空氣間隙，所述電容上極板上開設有若干將所述空氣間隙與外部連通的通孔。
[0010]進一步的，所述MEMS電容式相對濕度傳感器還包括設置在所述絕緣支撐體上的鈍化總層，所述鈍化總層包裹所述電容上極板。
[0011]進一步的，所述鈍化總層包括設置在絕緣支撐體上的第一鈍化層和設置在第一鈍化層上的第二鈍化層，所述電容上極板夾持在第一鈍化層和第二鈍化層之間。
[0012]進一步的，所述襯底正面與電容下極板之間設置有第一絕緣層。
[0013]進一步的，所述電容下極板為多晶硅電極，所述多晶硅電極具有電阻引出端，所述電容上極板為鋁電極，所述鋁電極具有電極引出端。
[0014]進一步的，所述絕緣支撐體設置在濕度敏感層的外側。
[0015]本發明還提供了一種MEMS電容式相對濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0016]S1:提供具有正面和背面的襯底；
[0017]S2:在所述襯底的正面形成電容下極板，所形成的電容下極板具有電阻引出端；
[0018]S3:在所述電容下極板上形成濕度敏感層；
[0019]S4:淀積形成絕緣層，光刻并刻蝕露出電容下極板的電阻引出端，所述絕緣層的正投影面積大于所述濕度敏感層的正投影面積，且所述絕緣層將所述濕度敏感層覆蓋；
[0020]S5:在絕緣層上形成電容上極板，光刻并刻蝕形成電容上極板和電容下極板的電阻引出端，及在電容上極板上光刻并刻蝕形成若干通孔，所形成的電容上極板具有電極引出端，所述電容上極板位于所述濕度敏感層的正上方；
[0021]S6:旋涂一層光刻膠，光刻露出濕度敏感層上方的通孔，利用化學試劑沿通孔腐蝕電容上極板與濕度敏感層之間的絕緣層，去除光刻膠。
[0022]進一步的，所述電容下極板為多晶硅電極，所述電容上極板為鋁電極，所述步驟S4和步驟S5之間還包括:在所述絕緣層上形成第一鈍化層，光刻并刻蝕露出電容下極板的電阻引出端；在所述步驟S5中，所述電容上極板形成在第一鈍化層上；所述步驟S5和步驟S6之間還包括:在所述電容上極板上形成第二鈍化層，光刻并刻蝕露出電容上極板的通孔所對應的氧化層和電極引出端，電容上極板的通孔的側壁上的第二鈍化層保留；在所述步驟S6中，所述光刻膠旋涂在第二鈍化層上。
[0023]進一步的，所述步驟SI還包括，在所述襯底的正面上生長一層氧化層以形成第一絕緣層；在所述步驟S2中，所述電容下極板形成在第一絕緣層上。
[0024]進一步的，在所述步驟S3中，所述電容下極板未全覆蓋第一絕緣層。
[0025]借由上述方案，本發明至少具有以下優點:本發明的MEMS電容式相對濕度傳感器由于通過絕緣支撐體支撐電容上極板，減小了電容上極板與濕度敏感層之間的距離，又電容上極板與濕度敏感層之間形成有空氣間隙，且在電容上極板上開設若干將空氣間隙與外部連通的通孔，使濕度敏感層的上表面完全與空氣接觸，水汽分子擴散距離短，因此，濕度敏感層退濕均勻，且退濕速度快，可以有效減少自然退濕時所產生的遲滯誤差。本發明的MEMS電容式相對濕度傳感器的制備方法通過在形成濕度敏感層后再形成絕緣層，最后形成電容上極板后通過化學試劑沿電容上極板的通孔腐蝕掉電容上極板與濕度敏感層之間的絕緣層，從而使所制成的MEMS電容式相對濕度傳感器在使用時，濕度敏感層的上表面完全與空氣接觸，水汽分子擴散距離短，實現濕度敏感層退濕均勻，且退濕速度快，可以有效減少自然退濕時所產生的遲滯誤差。
[0026]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明MEMS電容式相對濕度傳感器的截面圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0029]參見圖1，本發明一較佳實施例所述的一種MEMS電容式相對濕度傳感器包括具有正面11和背面12的襯底1、設置于所述襯底I正面11的電容下極板2及設置在所述電容下極板2上方的電容上極板3、支撐所述電容上極板3的絕緣支撐體4和淀積在電容下極板2上的濕度敏感層5、設置在襯底I正面11和電容下極板2之間的第一絕緣層6及設置在所述絕緣支撐體4上的鈍化總層7。在本實施例中，所述襯底I為硅襯底摻雜。由于采用此種襯底1，所以，需要在襯底I正面11和電容下極板2之間設置第一絕緣層6，以起到絕緣作用，當然，在其他實施方式中，該襯底I可以采用非導電性材料，如玻璃襯底或不含摻雜的硅襯底，此時，可以不設置第一絕緣層6。在本實施例中，所述絕緣支撐體4設置在濕度敏感層5的外側。所述第一絕緣層6和支撐體4