專利名稱：基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器的結(jié)構(gòu)和制作方法，具體地說涉及一種進(jìn)行環(huán)境溫度、濕度和壓力測量的多傳感器單片集成芯片的結(jié)構(gòu)和制作方法。
背景技術(shù)：
微型集成多傳感器是傳感器技術(shù)研究發(fā)展的重要方向之一。溫度、濕度和壓力是生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及到的重要物理量。通常對這些物理量的測量采用的是分離的傳感器；溫度采用的是熱敏電阻或鉑電阻；濕度測量目前廣泛采用的如電容法、吸濕法、比重法、光學(xué)法等；壓力測量采用的是硅壓組傳感器等。分離傳感器特點是體積較大，功耗大，不能滿足目前快速發(fā)展的微系統(tǒng)對傳感器的小體積、低功耗、集成度等方面的要求。
MEMS(micro electronic mechanical system-微機械電子系統(tǒng))是近十多年來發(fā)展起來的新技術(shù)，它是指可以用微電子微機械等批量加工工藝制造的集微執(zhí)行器、微傳感器、集成電路等部件于一體的微機電系統(tǒng)。其特點是體積小，性能穩(wěn)定，可批量生產(chǎn)，因而成本低，性能一致性好。對濕度的測量是設(shè)計制作中的難點，濕度是指單位體積內(nèi)水蒸氣的相對含量，對它的測量要受到許多其他因素的干擾和制約。為了制作微型的集成傳感器，傳統(tǒng)測量中廣泛采用的如吸濕法、比重法、光學(xué)法等與微機械電子系統(tǒng)(MEMS)工藝兼容較差，難以實現(xiàn)，因此這些方法一般要在換能器上涂敷吸濕的敏感材料。傳統(tǒng)的絕對濕度測量采用兩個熱敏電阻，也有利用微電子技術(shù)使用陶瓷等復(fù)合材料制作電阻進(jìn)行濕度測量的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片以及該芯片的制作方法。本發(fā)明提供的芯片具有體積小，功耗低，響應(yīng)快，一致性好等特點。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片，其是在玻璃上表面固接一面積相同的基片，基片右端適當(dāng)位置設(shè)一空腔，空腔周圓四角上有四個接線點e、f、g、h；在空腔上方懸空設(shè)有第二電阻，第一電阻位于空腔側(cè)面，第一電阻和第二電阻按常規(guī)與三個接線點e、f、g電連接，串連組成惠斯通電橋的一個橋臂；基片左端適當(dāng)位置，于基片上表面設(shè)有上下相對的兩塊平行極板電容的下極板，兩下極板與左側(cè)接線點a和b電連接，在兩下極板之間有一間隙，間隙內(nèi)，于基片上表面容置一U形電阻，U形電阻的開口向右方，其端頭上、下分別電連接有接線點c、d；在兩下極板上方覆蓋有一層聚合物材料薄膜，聚合物材料薄膜的上表面，與兩下極板相對的位置，設(shè)有平行電容的上極板；在空腔、電阻和電阻上方也覆蓋有另一層聚合物材料薄膜，另一層聚合物材料薄膜的上表面，與第二電阻相對應(yīng)的固設(shè)有第四電阻，第三電阻位于空腔的另一側(cè)面，與第一電阻相對設(shè)置，第三電阻和第四電阻按常規(guī)與四個接線點e、f、h電連接，串連組成惠斯通電橋的另一個橋臂；e、f、g、h組成惠斯通電橋的四個接線點；在惠斯通電橋所對應(yīng)的另一層聚合物材料薄膜上固設(shè)有一層絕緣薄膜；四個接線點a、b、c、d位于兩下極板和上極板周圓接近四角的位置。
所述的傳感器芯片，其所述基片，為硅片或玻璃片。
所述的傳感器芯片，其所述兩下極板和上極板，為金或鉑金薄膜，上極板做成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)；上下電極板為方形、長方形或圓形。
所述的傳感器芯片，其所述U形電阻、第一、第二、第三和第四電阻，為鉑金薄膜，形狀為蛇形或螺旋形。
所述的傳感器芯片，其所述另一層聚合物材料薄膜的上表面，還固接有一層絕緣薄膜。
所述的傳感器芯片，其所述絕緣薄膜，為氧化硅薄膜。
所述的傳感器芯片，其所述聚合物材料薄膜，為聚酰亞胺薄膜。
所述的傳感器芯片，其工作過程如下給U形測溫電阻通一微電流，隨著外界溫度不同電阻值也不同，導(dǎo)致電阻兩端電壓的變化；標(biāo)定計算出溫度電壓的相關(guān)曲線，根據(jù)測量的電阻兩端的電壓確定其對應(yīng)的溫度值；電介質(zhì)聚合物材料薄膜通過上極板的網(wǎng)格狀窗口與外界氣體接觸，當(dāng)外界氣體濕度變化時，聚酰亞胺電介質(zhì)薄膜吸收的水分也就不同，導(dǎo)致了電介質(zhì)常數(shù)的變化，從而改變了電容的值；標(biāo)定計算出濕度電容相關(guān)曲線，根據(jù)測量的電容值確定其對應(yīng)的濕度值；在外界壓力的作用下，空腔上的另一層聚合物材料薄膜產(chǎn)生形變，附著在膜上的第二、第四應(yīng)變電阻的阻值也隨之改變，這就導(dǎo)致了電橋的失衡，從而產(chǎn)生橋路不平衡輸出電壓；標(biāo)定出電壓壓力的相關(guān)曲線，根據(jù)測量出的電壓值確定其對應(yīng)的壓力值。


圖1為本發(fā)明基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方案本發(fā)明采用微機械電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在硅片上制作一個微型的鉑電阻，既用來進(jìn)行溫度測量，也可用來對感濕聚合物進(jìn)行加熱使之快速揮發(fā)水分。
本發(fā)明利用電容法的原理進(jìn)行濕度傳感器的設(shè)計，可以進(jìn)行相對濕度測量。
本發(fā)明利用應(yīng)變電阻法的原理進(jìn)行壓力傳感器的設(shè)計，真空封裝后可以進(jìn)行絕對壓力的測量。
本發(fā)明的一種單片集成溫度、濕度和壓力傳感器的芯片，是在一個基片(硅或其他材料)上利用微電子制造技術(shù)制作出電阻和平板電極，其中的兩個電阻串聯(lián)構(gòu)成電橋的一個臂，是壓力測量的一部分；另外一個電阻單獨引線，用于測量溫度。平板電極是測濕電容的下極板。在平板電極和電阻上制作一層聚合物薄膜，平板電極上的聚合物薄膜是可測濕度電容的電介質(zhì)，測壓電阻上的聚合物薄膜作為壓力敏感膜。在平板電極上對應(yīng)的位置再沉積金電極，光刻為網(wǎng)格狀的濕度電容上極板。在壓力敏感膜上面制作出和敏感膜下面形狀與結(jié)構(gòu)完全相同的兩個電阻，構(gòu)成電橋的另外一個臂。再在壓力敏感膜和電極上濺射一薄層的氧化硅用來保護(hù)壓力敏感膜。從背面把壓力敏感膜對應(yīng)的基片刻蝕透，形成微腔。然后在真空的環(huán)境下使基片與玻璃密封(鍵合)。
本發(fā)明溫度傳感器的測量原理鉑電阻的阻值隨溫度變化而發(fā)生變化，其變化關(guān)系是Rt＝Ro(1+αT+βT2+...)后面的高次項可以省去。α，β當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)的變化，其值是固定不變的，這樣我們通過測量Rt就可以得出相對應(yīng)的溫度的值。
本發(fā)明濕度測量的原理在基片上制作出平行極板電容，電容的電介質(zhì)采用的是感濕的聚合物。感濕聚合物是通過上極板的網(wǎng)狀小孔與外界氣體接觸，吸收其中的水分，從而改變聚合物本身的介電常數(shù)，改變了電容的大小。因此通過測量電容的改變就可以確定相應(yīng)的濕度值。
在通常情況下，空氣中含有水汽，而水汽是一種機型電介質(zhì)，水分子為強權(quán)性分子，當(dāng)水被聚合物吸附后引入了強極性分子，在外電場的作用下，就發(fā)生極化，使感濕膜的偶極矩增加，宏觀上表現(xiàn)出介電常數(shù)的增加。所以以有機高分子薄膜為介質(zhì)的平行板電容器實際上是以聚合物與水的復(fù)合物為介質(zhì)。當(dāng)水分子濃度在空間變化時，該膜吸附水分子數(shù)量也跟著相應(yīng)變化，從而引起介電常數(shù)的變化。聚合物本身的介電常數(shù)很小，而水的介電常數(shù)在室溫時是80。已經(jīng)有很多理論和經(jīng)驗公式來描述聚合物和水復(fù)合物的介電性，并與試驗結(jié)構(gòu)作詳細(xì)比較，根據(jù)Looyenga的半經(jīng)驗關(guān)系式ϵ=[V(ϵ21/3-ϵ11/3)+ϵ11/3]3]]>式中的ε、ε1和ε2分別為復(fù)合物、聚合物和水的介電常數(shù)，V為PI溪水的體積百分?jǐn)?shù)，濕度越大，聚合物薄膜吸附的水分子越多，V越大，復(fù)合物介電常數(shù)ε就越大。平行極板電容的計算公式為C=ωd]]>其中ε是復(fù)合物介電常數(shù)，S是平行極板的有效正對面積，d為極板間距。
本發(fā)明大氣壓力測量的原理在基片上有聚合物壓力敏感膜，在敏感膜的上下都分布有應(yīng)變電阻，上下的電阻構(gòu)成全橋。敏感膜的下面是一個真空微腔。在外界氣壓的作用下，薄膜產(chǎn)生彎曲，從而導(dǎo)致電阻的形狀改變，進(jìn)而改變電阻的大小。這樣橋路的平衡遭到破壞，產(chǎn)生不平衡電壓。通過測量不平衡電壓的大小，就可以確定其對應(yīng)的絕對大氣壓力。
金屬導(dǎo)體的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象，就是電阻應(yīng)變效應(yīng)。這就是電阻應(yīng)變法依賴的物理基礎(chǔ)。
設(shè)有一根長l，截面為S，電阻系數(shù)ρ，則有R=ρlS]]>設(shè)金屬絲在軸向外力F作用下，長度l變化dl，截面S變化dS，半徑r變化dr，電阻系數(shù)ρ變化dρ，引起R變化dR。微分(1)式可以得dRR=dll-dSS+dρρ=dll-2drr+dρρ≈(1+2μ)dll=(1+2μ)ϵ=kϵ]]>其中μ為材料泊松比，ε為軸向應(yīng)變，r為截面半徑，其中忽略了ρ的變化?？梢钥闯鼋饘俳z電阻相對變化與軸向應(yīng)變成線性關(guān)系，系數(shù)為k。
下面描述本發(fā)明的一個具體實施方案。
請參見圖1、圖2，本發(fā)明的基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片，其結(jié)構(gòu)是在玻璃11上表面固接一面積相同的基片1，基片1可以是硅片或玻璃片。基片1右端適當(dāng)位置設(shè)一空腔5，空腔5周圓四角上有四個接線點e、f、g、h。在空腔5上方懸空設(shè)有電阻8，電阻7位于空腔5側(cè)面，電阻7和電阻8按常規(guī)與三個接線點e、f、g電連接，串連組成惠斯通電橋的一個橋臂?；?左端適當(dāng)位置，于基片1上表面設(shè)有上下相對的兩塊平行極板電容的下極板2、3，下極板2和下極板3分別與左側(cè)接線點a和b電連接，在下極板2和下極板3之間有一間隙，間隙內(nèi)，于基片1上表面容置一U形電阻4，U形電阻4的開口向右方，其端頭上、下分別電連接有接線點c、d。
在下極板2和下極板3上方覆蓋有一層聚酰亞胺薄膜12，聚酰亞胺薄膜12的上表面，與下極板2和下極板3相對的位置，設(shè)有平行電容的上極板13，上極板13為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。在空腔5、電阻7和電阻8上方覆蓋有一層聚酰亞胺薄膜6，聚酰亞胺薄膜6的上表面，與電阻8相對應(yīng)的固設(shè)有電阻10，電阻9位于空腔5的另一側(cè)面，與電阻7相對設(shè)置，電阻9和電阻10按常規(guī)與四個接線點e、f、h電連接，串連組成惠斯通電橋的另一個橋臂。在聚酰亞胺薄膜6和電阻9、10上面固接有一層氧化硅層14。四個接線點a、b、c、d位于下極板2、下極板3和上極板13周圓接近四角的位置。
本發(fā)明基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片的接線點a、b、c、d、e、f、g、h，按常規(guī)電連接于各自的檢測電路。
本發(fā)明的基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片，其制作方法如下在8.5×5.5mm2的硅基片1上表面左端，利用微電子技術(shù)射頻濺射金薄膜2、3，作為測量濕度的平行極板電容的下極板，下極板分為兩塊，每塊的大小約為2.5×1.5mm2。再濺射鉑金薄膜，采用剝離工藝(lift-off)制作出三個電阻，每個電阻的大小約為1kΩ，電阻4作為測量溫度的電阻，位于下極板2和下極板3之間，呈U形；另外兩個電阻7、8串連組成惠斯通電橋的兩個橋臂，位于硅基片1上表面右端。再在制作好電極的硅基片1上甩上一層厚度為5個μ的聚酰亞胺薄膜，采用光刻的技術(shù)把聚酰亞胺做成分別覆蓋在金薄膜2、3和惠斯通電橋上的兩塊薄膜12、6，大小分別為2.6×3.3mm2、3.6×4.2mm2。然后采用濺射、剝離工藝(lift-off)在薄膜6上面制作出和薄膜6下面一樣的電阻9、10組成惠斯通電橋的另外兩個橋臂，上下四個電阻7、8、9、10組成惠斯通電橋測量壓力。在聚酰亞胺薄膜12上采用射頻濺射的技術(shù)制作出金薄膜，然后采用光刻、腐蝕的方法做成網(wǎng)格狀的平行電容上極板13，網(wǎng)格的線條寬度為10μ。在聚酰亞胺薄膜6的上面還要蒸發(fā)一層氧化硅層14用來隔離承壓聚酰亞胺薄膜6與空氣的接觸。在硅基片1的背面右端，采用深刻蝕的方法把硅基片1刻蝕出一個2×2mm2的洞，刻蝕至曝露出電阻和聚酰亞胺薄膜，最后在真空的條件下把硅基片1與玻璃11鍵合形成測量壓力的真空腔5。
權(quán)利要求
1.一種基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力傳感器芯片，其特征在于在玻璃上表面固接一面積相同的基片，基片右端適當(dāng)位置設(shè)一空腔，空腔周圓四角上有四個接線點e、f、g、h；在空腔上方懸空設(shè)有第二電阻，第一電阻位于空腔側(cè)面，第一電阻和第二電阻按常規(guī)與三個接線點e、f、g電連接，串連組成惠斯通電橋的一個橋臂；基片左端適當(dāng)位置，于基片上表面設(shè)有上下相對的兩塊平行極板電容的下極板，兩下極板與左側(cè)接線點a和b電連接，在兩下極板之間有一間隙，間隙內(nèi)，于基片上表面容置一U形電阻，U形電阻的開口向右方，其端頭上、下分別電連接有接線點c、d；在兩下極板上方覆蓋有一層聚合物材料薄膜，聚合物材料薄膜的上表面，與兩下極板相對的位置，設(shè)有平行電容的上極板；在空腔、第一電阻和第二電阻上方也覆蓋有另一層聚合物材料薄膜，另一層聚合物材料薄膜的上表面，與第二電阻相對應(yīng)的固設(shè)有第四電阻，第三電阻位于空腔的另一側(cè)面，與第一電阻相對設(shè)置，第三電阻和第四電阻按常規(guī)與三個接線點e、f、h電連接，串連組成惠斯通電橋的另一個橋臂；e、f、g、h組成惠斯通電橋的四個接線點；在惠斯通電橋所對應(yīng)的另一層聚合物材料薄膜上固設(shè)有一層絕緣薄膜；四個接線點a、b、c、d位于兩下極板和上極板周圓接近四角的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于，所述基片，為硅片或玻璃片。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于，所述兩下極板和上極板，為金或鉑金薄膜，上極板做成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)；上下電極板為方形、長方形或圓形。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于，所述U形電阻、第一、第二、第三和第四電阻，為鉑金薄膜，形狀為蛇形或螺旋形。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于，所述另一層聚合物材料薄膜的上表面，還固接有一層絕緣薄膜。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器芯片，其特征在于，所述絕緣薄膜，為氧化硅薄膜。
7.如權(quán)利要求1或5所述的傳感器芯片，其特征在于，所述聚合物材料薄膜，為聚酰亞胺薄膜。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的傳感器芯片，其特征在于，工作過程如下給U形測溫電阻通一微電流，隨著外界溫度不同電阻值也不同，導(dǎo)致電阻兩端電壓的變化；標(biāo)定計算出溫度電壓的相關(guān)曲線，根據(jù)測量的電阻兩端的電壓確定其對應(yīng)的溫度值；電介質(zhì)聚合物材料薄膜通過上極板的網(wǎng)格狀窗口與外界氣體接觸，當(dāng)外界氣體濕度變化時，聚合物材料電介質(zhì)薄膜吸收的水分也就不同，導(dǎo)致了電介質(zhì)常數(shù)的變化，從而改變了電容的值；標(biāo)定計算出濕度電容相關(guān)曲線，根據(jù)測量的電容值確定其對應(yīng)的濕度值；在外界壓力的作用下，空腔上的另一層聚合物材料薄膜產(chǎn)生形變，附著在膜上的第二、第四應(yīng)變電阻的阻值也隨之改變，這就導(dǎo)致了電橋的失衡，從而產(chǎn)生橋路不平衡輸出電壓；標(biāo)定出電壓壓力的相關(guān)曲線，根據(jù)測量出的電壓值確定其對應(yīng)的壓力值。
全文摘要
一種基于聚合物材料的單片集成溫度、濕度、壓力的傳感器芯片。在基片上制作出平行極板和三個電阻，其中平行極板是測量濕度的電容的一個電極，電阻作為測量壓力的應(yīng)變電阻和測量溫度的熱敏電阻。在平行極板上和電阻上制作一層聚合物，分別作為電容電介質(zhì)感濕和彈性膜感知壓力。在感濕電介質(zhì)聚合物上有網(wǎng)格狀極板，作為電容的另一個電極。在壓力敏感膜上有和基片上制作的應(yīng)變電阻結(jié)構(gòu)相同電阻，上下電阻構(gòu)成測壓電橋。在壓力敏感膜下面為空腔，可以真空密封，測量絕對壓力。集成芯片上的單個電阻測量溫度，平行極板電容測量濕度，壓力敏感膜上下面的應(yīng)變電阻測量壓力。
文檔編號B81B7/00GK1845327SQ20051006380
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月7日
發(fā)明者趙湛, 王奇, 曾歡歡, 方震, 張博軍 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所