一種無線無源mems濕度傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統)濕度傳感器，尤其涉及一種無線無源MEMS濕度傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]濕度傳感器在航空航天、氣象監測、工農業生產以及醫療診斷等國計民生領域應用廣泛。MEMS濕度傳感器采用微電子和微機械加工技術制造，與傳統的濕度傳感器(如干濕球)相比，它具有體積小、功耗低、一致性好以及易于集成和實現智能化的特點，因此是濕度傳感器發展的主流方向之一。無線MEMS濕度傳感器不需要連線即可與外部進行信號傳輸，具有使用靈活、操作方便的特點，此外在一些無法連線的環境(如密封環境)中，必須使用無線傳感器。因此，無線MEMS濕度傳感器是MEMS濕度傳感器的一個重要分支。
[0003]對于無線傳感器，傳感器信號傳輸的方式包括有源和無源等兩種傳輸方式，有源傳輸是指傳感系統中帶有電源，這種傳輸方式可以雙向長距離傳輸傳感器信號，但是體積大、系統復雜且需要更換電池；無源傳輸是指傳感系統中無需使用電源，利用電感耦合或射頻反射調制等機制進行信號傳輸，這種方式的信號傳輸距離較短，但是體積小、系統簡單且不需要更換電池，理論上可以無限期工作，特別適合在密封容器等密閉環境以及高溫等惡劣環境中應用。
[0004]無線無源MEMS濕度傳感器主要由電容及電感(LC)連接組成:目前通常使用電容作為傳感器的濕敏元件，環境中濕度變化會引起電容值發生變化，進而引起LC回路的諧振頻率等電學參數發生變化，通過外部讀出電路中的電感與傳感器中的電感進行耦合獲取傳感器LC回路的諧振頻率等電學參數，即可實現濕度測量。對于現有的LC式無線無源濕度傳感器，需要通過增加濕敏元件的尺寸來獲得可接受的傳感器靈敏度，因此，傳感器的尺寸往往較大，且存在著靈敏度與微型化的矛盾；此外，目前這種傳感器需要使用不同的工藝步驟分別進行電容及電感的制作以及形成電容和電感的回路連接，因此加工較為復雜，制作成本較高。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種尺寸小、結構簡單、加工方便、制作成本低、靈敏度高、線性度高且可靠性高的無線無源MEMS濕度傳感器，并同時給出一種無線無源MEMS濕度傳感器的制備方法。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0007]一種無線無源MEMS濕度傳感器，包括襯底，在襯底下方正中位置設空腔，將襯底正對空腔的區域稱為空腔區域，周側的其他區域稱為側壁區域；在襯底的上表面由下至上依次設置下介質層、第一中間介質層、第二中間介質層、上介質層和吸濕層，下介質層、第一中間介質層、第二中間介質層和上介質層均覆蓋空腔區域和側壁區域，吸濕層僅覆蓋空腔區域，增強吸濕層吸濕后發生膨脹所引起的變形以提高整個傳感器的靈敏度；在下介質層和第一中間介質層之間設置第一敏感電感和電容下級板，第一敏感電感位于空腔區域，電容下級板位于側壁區域，第一敏感電感為矩形螺旋面結構，電容下級板與第一敏感電感的外側端連接；在第一中間介質層和第二中間介質層之間設置鐵磁材料層，鐵磁材料層位于空腔區域；在第二中間介質層與上介質層之間設置有第二敏感電感和電容上極板，第二敏感電感位于空腔區域，電容上極板位于側壁區域并位于電容下極板正上方，第二敏感電感為矩形螺旋面結構，電容上極板與第二敏感電感的外側端連接；在下介質層上表面的中心位置設置連接柱，連接柱貫穿第一中間介質層和第二中間介質層并深入到上介質層內，第一敏感電感的內側端和第二敏感電感的內側端均與連接柱連接，實現第一敏感電感和第二敏感電感的串聯，最終構成傳感器LC回路中的敏感電感；所述電容上極板、電容下級板以及電容上極板與電容下極板之間的第一中間介質層和第二中間介質層共同構成傳感器LC回路中的電容。
[0008]優選的，所述襯底為娃襯底，所述下介質層和上介質層均為S12層、Si 3N4層或Si02/Si3N4復合層，厚度在10nm?100nm范圍內，下介質層和上介質層的材料、厚度及形成工藝相同。通過下介質層可以抑制襯底引入的寄生電容，通過上介質層可以防止濕氣擴散進入傳感器的LC回路，惡化傳感器的滯回特性，提高傳感器的可靠性。下介質層和上介質層的材料、厚度及形成工藝相同，可以抵消傳感器制作過程中這兩層引起的殘余應力對鐵磁材料層的影響，增強傳感器結構的抗疲勞強度，提高傳感器的可靠性；此外，消除殘余應力還增強了傳感器中的鐵磁材料層對外界載荷的響應強度，提高了傳感器的靈敏度。
[0009]所述第一中間介質層和第二中間介質層均為S1Jl，第一中間介質層和第二中間介質層的材料、厚度及形成工藝相同。S12層所具有的大禁帶寬度有利于抑制第一敏感電感/第二敏感電感與鐵磁材料層之間的漏電以及發生短路。第一中間介質層和第二中間介質層的材料、厚度及形成工藝相同，可以抵消傳感器制作過程中這兩層引起的殘余應力對鐵磁材料層的影響，增強傳感器結構的抗疲勞強度，提高傳感器的可靠性；此外，消除殘余應力還增強了傳感器中的鐵磁材料層對外界載荷的響應強度，提高了傳感器的靈敏度。
[0010]優選的，所述第一敏感電感為由Cu構成的矩形螺旋面結構，通過Ti提高第一敏感電感與下介質層之間的粘附性；所述第二敏感電感為由Cu構成的矩形螺旋面結構，通過Ti提高第二敏感電感與第二中間介質層之間的粘附性。使用Cu可以降低第一敏感電感/第二敏感電感的寄生電阻，提高第一敏感電感/第二敏感電感的品質因數，Ti用于提高Cu與下介質層/第二中間介質層的粘附性，防止方形膜形變時造成Cu脫落，提高整個傳感器的可靠性。
[0011 ] 優選的，所述電容下級板為Cu結構，通過Ti提高電容下級板與下介質層之間的粘附性；所述電容上極板為Cu結構，通過Ti提高電容上極板與第二中間介質層之間的粘附性。
[0012]優選的，所述鐵磁材料層為具有逆磁滯伸縮效應的CoFeB層、CoFeSiB層或NiFeSiB層。根據逆磁滯伸縮效應，該鐵磁材料層在形變后產生的應變會造成該層的磁導率發生變化。
[0013]優選的，所述吸濕層為具有強吸濕能力的介質層，優選為聚酰亞胺層。
[0014]本發明的無線無源MEMS濕度傳感器的工作原理如下:利用吸濕層在吸濕后發生膨脹使得吸濕層下方的各層薄膜發生形變，鐵磁材料層形變后所產生的應變在逆磁滯伸縮效應的作用下，使得鐵磁材料層的磁導率發生變化，由于敏感電感的值與鐵磁材料層的磁導率呈線性關系，鐵磁材料層的磁導率變化引起第一敏感電感以及第二敏感電感的值均發生相似的變化，由于第一敏感電感和第二敏感電感為串聯連接，第一敏感電感和第二敏感電感的變化量疊加構成總的敏感電感變化量，進而引起LC回路的諧振頻率等電學參數發生變化，并利用讀出電路中的電感與傳感器中的電感進行耦合實現傳感器信號的無線輸出。該無線無源濕度傳感器可以完全由MEMS加工工藝制作。
[0015]一種無線無源MEMS濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0016](I)選用N型(100)娃制作襯底，通過化學氣相沉積在襯底的上表面形成200nm厚度的Si3N4作為下介質層；
[0017](2)通過化學氣相沉積在襯底的下表面形成200nm厚度的Si3N4做掩膜，在襯底的下表面進行光刻并進行各向異性濕法刻蝕，形成空腔；
[0018](3)在下介質層的上表面濺射Ti及Cu并光刻形成第一敏感電感以及電容下極板，并形成電容下極板與第一敏感電感的外側端部的連接；
[0019](4)通過在第一敏感電感及電容下級板上濺射一層10nm厚度的S12，形成第一中間介質層；
[0020](5)在第一中間介質層上派射NiFeSiB并光刻形成鐵磁材料層；
[0021](6)在鐵磁材料層上派射一層10nm厚度的S12，形成第二中間介質層；
[0022](7)對第二中間介質層及第一中間介質層進行光刻，去除位于第一敏感電感內側端部正上方的介質，形成用于設置連接柱的通孔，在第二中間介質層上濺射Ti及Cu并光刻形成第二敏感電感、電容上極板、以及形成電容上極板與第二敏感電感的外側端部的連接、以及形成用于連接第一敏感電感和第二敏感電感的連接柱；
[0023](8)在第二敏感電感、電容上級板及連接柱上通過化學氣相沉積形成200nm厚度的Si3N4作為上介質層；
[0024](9)通過旋涂法在上介質層上制作一層聚酰亞胺，光刻并亞胺化，形成吸濕層。
[0025]有益效果:本發明提供的無線無源MEMS濕度傳感器及其制備方法，與現有技術相比，具有以下優點:1、與現有的LC式無線無源濕度傳感器相比，本發明的傳感器的電感既用于傳感器信號的無線傳輸，同時還作為濕度敏感元件，結構緊湊；此外，本發明的傳感器，由于鐵磁材料層在形變后磁導率發生變化，引起敏感電感的值發生變化，由于鐵磁材料層的磁導率與敏感電感的值之間呈線性關系，因此本發明的傳感器具有高線性度；2、本發明采用疊層分布的雙層電感來響應濕度變化，既減少了電感所占用的面積，又提高傳感器靈敏度，在實現高靈敏度的同時并易于傳感器的微型化；此外，本發明的傳感器可抑制殘余應力對其性能的負面影響，進一步提高傳感器的靈敏度及可靠性；3、本發明的傳感器中的電容可以和電感一并制作，在形成電容和電感的同時無需額外工藝步驟即可形成LC回路，因此加工工藝簡單，制作成本低；4、本發明采用MEMS技術制備，傳感器具有體積小、功耗低、一致性好、以及易于實現智能化的優點。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的剖面結構示意圖；
[0027]圖2為第一敏感電感的平面結構示意圖；
[0028]圖3為本發明的傳感器的等效電路圖；
[0029]圖中有:襯底1、空腔11、下介質層2、第一敏感電感31、電容下級板41、第一中間介質層5、鐵磁材料層6、第二中間介質層7、第二敏感電感32、電容上極板42、連接柱8、上介質層9、吸濕層10。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0031]如圖1所示為一種無線無源M