專利名稱：Mems薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)及其集成制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)及其集成制造方法，屬于MEMS傳感器制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需要大量的傳感器對不同類型的數(shù)據(jù)進行采集，因此采用批量微納制造技術(shù)進行MEMS傳感器的生產(chǎn)在提升傳感器性能一致性，降低傳感系統(tǒng)能耗及傳感器成本方面有著重要的意義。特別的，在生產(chǎn)生活中，一方面，人們通常同時關(guān)注被測環(huán)境中的多個參數(shù)(如壓力、溫度、濕度、化學成分等)，因此，需要使用不同的傳感器分別對敏感參數(shù)進行采集，為了實現(xiàn)工藝的一致性、系統(tǒng)的小型化與成本的最小化，多種MEMS傳感器需要被集成制造并且統(tǒng)一封裝。例如，中科院電子學研究所的趙湛等人于2004年和2006年先后提出了基于體硅加工技術(shù)和薄膜加工技術(shù)的壓力、溫度、濕度三參 數(shù)傳感器，其中壓力和濕度傳感器采用了電容式的結(jié)構(gòu)，溫度傳感器則采用了傳統(tǒng)的薄膜溫度計結(jié)構(gòu)；2006年，西安交通大學的趙玉龍等人提出了一種集成了壓力、溫度、濕度和三軸加速度計的多參數(shù)傳感器，其加速度計和壓力傳感器采用了體硅加工工藝，溫度和濕度傳感器則采用了薄膜制造方案；2009年，愛爾蘭Tyndall國家微電子研究院的MathieuHautefeuille等人采用薄膜制造工藝和體硅工藝結(jié)合的方法，集成了溫度、濕度、腐蝕度、化學氣體和氣流傳感器，傳感器的工作原理包含了電阻式和電容式兩種。另一方面，在某些特殊環(huán)境中，傳感器系統(tǒng)由于環(huán)境或空間的原因無法設(shè)置電源，而且參數(shù)的檢測無法通過常規(guī)的有線連接進行，需要采用無線無源的方式進行檢測數(shù)據(jù)的傳輸。無線無源的MEMS傳感器系統(tǒng)通?；趦煞N原理，一是基于電感耦合的LC回路，檢測其諧振頻率相對于被測參數(shù)的改變；二是基于表面聲波的原理。其中，前者通過環(huán)境參數(shù)改變MEMS電容結(jié)構(gòu)中某些關(guān)鍵參數(shù)(如基板間距、介質(zhì)介電常數(shù)等)來改變電容值，進而改變回路的諧振頻率，所以選用電容式傳感器是進行測量的優(yōu)選方案。2005年，密歇根大學的A. D. DeHennis和K.D. Wise將電容式的壓力、溫度和濕度傳感器進行集成，用于無源無線的傳感器系統(tǒng)，但三種傳感器為分別制造，工藝繁瑣，而且使用的是體硅加工技術(shù)，以及晶圓鍵合的方法，所制得的傳感器產(chǎn)品體積較大；最近的2011年，飛思卡爾半導體公司的A. C. McNeil等人成功的將使用薄膜工藝制造的電容式壓力與溫度傳感器進行集成，但其傳感器制造也較繁瑣。分析上述研究背景可知，目前MEMS多參數(shù)傳感器的制造已有較多的報道，其中不乏全電容式的結(jié)構(gòu)以用于電感耦合的無線無源傳感器系統(tǒng)，但總的來說，使用體硅加工工藝制造的產(chǎn)品體積較大，而且多種傳感器未能實現(xiàn)集成化制造，繁瑣的制造工藝也在一定程度上增加了最終產(chǎn)品的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)及其集成制造方法，能夠用來進行壓力、溫度和濕度這三種環(huán)境參數(shù)的檢測，而且該傳感器的結(jié)構(gòu)采用了集成化的薄膜加工制造工藝，減小了器件的體積，簡化了工藝步驟，另外，其全電容的結(jié)構(gòu)增加了其在基于電感耦合的無源無線傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述的MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)包括MEMS器件的承載襯底、MEMS薄膜電容式壓力傳感器、MEMS薄膜電容式溫度傳感器、MEMS薄膜電容式濕度傳感器；所述MEMS薄膜電容式壓力傳感器、MEMS薄膜電容式溫度傳感器和MEMS薄膜電容式濕度傳感器并列設(shè)置于承載襯底之上。所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器中設(shè)有上電極和下電極，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；上電極和下電極之間為釋放犧牲層之后產(chǎn)生的壓力傳感器的腔體；所述腔體由密封層進行薄膜密封，使腔體內(nèi)的氣壓值維持恒定；所述下電極設(shè)置在腔體的底部的承載襯底上；上電極設(shè)置在腔體密封層的頂部的內(nèi)側(cè)，且上電極中設(shè)有用于腐蝕釋放犧牲層的釋放孔結(jié)構(gòu)；上電極和下電極均與外界相連，在承載襯底上形成電學互連。所述的MEMS薄膜電容式溫度傳感器中設(shè)有上電極和下電極，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；所述下電極設(shè)置在承載襯底上；所述上電極設(shè)置在雙材料懸臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)偵牝為內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)；雙材料懸臂的外側(cè)結(jié)構(gòu)通過錨點與承載襯底接觸；上電極和下電極之間 為釋放犧牲層之后產(chǎn)生的溫度傳感器電極間的間隙；所述電極間的間隙為開放式結(jié)構(gòu)；上電極和下電極均與外界相連，在承載襯底上形成電學互連。所述的MEMS薄膜電容式濕度傳感器中設(shè)有上電極和下電極，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；上電極和下電極之間為濕度敏感層；所述下電極設(shè)置在濕度敏感層的底部的承載襯底上；上電極設(shè)置在濕度敏感層的頂部，上電極外側(cè)設(shè)有保護層結(jié)構(gòu)；貫穿上電極和保護層結(jié)構(gòu)設(shè)有使?jié)穸让舾袑优c外部環(huán)境接觸的濕度探測孔結(jié)構(gòu)；上電極和下電極均與外界相連，在承載襯底上形成電學互連。所述上電極和下電極為同種材料且具有相同的厚度，材料可以為鈦、鉻、金、銅、鋁、鎢、鉬或其組合，厚度為20納米至200納米。所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器和MEMS薄膜電容式溫度傳感器制作過程中的犧牲層與MEMS薄膜電容式濕度傳感器中的濕度敏感層為同種材料且具有相同的厚度，材料可以為聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、環(huán)氧樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度為100納米至50微米。所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器的密封層、MEMS薄膜電容式溫度傳感器的雙材料懸臂的外側(cè)結(jié)構(gòu)與MEMS薄膜電容式濕度傳感器的保護層為同種材料且具有相同的厚度，材料可以為多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氮化鋁或其組合，厚度為2微米至15微米。一種MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的集成制造方法，其步驟如下
(1)在承載襯底(I)上使用物理氣相沉積法沉積金屬薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述金屬薄膜進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式傳感器的下電極(5)和器件外部的電學互連(6);
(2)在步驟I形成的結(jié)構(gòu)上使用旋涂的方法涂覆一層濕度敏感材料，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述濕度敏感材料進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)和MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)的犧牲層(19)以及MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的濕度敏感層(10)，所述犧牲層(19)與濕度敏感層(10)的部分邊緣延伸至下電極(5)的邊緣以夕卜，以便在后續(xù)流程中實現(xiàn)上電極(7)和下電極(5)的電學隔離；(3)在步驟2形成的結(jié)構(gòu)上使用物理氣相沉積法沉積金屬薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述金薄膜進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)和MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的上電極(7)以及上電極(7)與器件外部連接的電學互連，其中MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)的上電極(7)中制作有用于釋放犧牲層(19)的釋放孔結(jié)構(gòu)(11)；
(4)在步驟3形 成的結(jié)構(gòu)上使用化學氣相沉積或物理氣相沉積的方法沉積絕緣薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述絕緣薄膜進行圖形化，形成帶有犧牲層釋放孔
(18)的MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)的密封層(20)、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)雙材料懸臂結(jié)構(gòu)的外側(cè)結(jié)構(gòu)(15)及其與承載襯底(I)連接的錨點(14)、帶有濕度探測孔結(jié)構(gòu)(16)的MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的保護層(17);
(5)使用干法腐蝕或濕法腐蝕的方法，通過犧牲層釋放孔(18)、上電極(7)中的釋放孔結(jié)構(gòu)(11)以及MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)電極間的間隙(9)，對MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2 )和MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3 )中的犧牲層(19 )進行腐蝕，從而釋放MEMS結(jié)構(gòu)；
(6)使用化學氣相沉積的方法，再次沉積絕緣層薄膜，通過紫外線光刻和腐蝕的方法對帶有犧牲層釋放孔(18)的密封層(20)進行密封，形成密閉的密封層(13)；
(7)使用紫外線光刻圖形化和腐蝕的方法，在MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的上電極(7)中制作出濕度探測孔結(jié)構(gòu)(16);最終完成MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)的集成制造。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是
I.本發(fā)明提出的MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)能夠同時對壓力、溫度和濕度參數(shù)進行檢測，電容式的結(jié)構(gòu)使其能夠應(yīng)用于基于電感耦合的無線無源傳感器系統(tǒng)中。2. 本發(fā)明提出的MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)采用集成的薄膜加工工藝進行制造，傳感器產(chǎn)品體積較小，而且集成工藝相對簡單，能夠在一定程度上降低傳感器產(chǎn)品的成本。


圖I至7為本發(fā)明具體實施工藝步驟剖視圖，其中
圖I為承載襯底，并且設(shè)有MEMS電容式傳感器的下電極與傳感器外部電互連；
圖2為犧牲層、濕度敏感層的制作；
圖3為MEMS電容式傳感器的上電極及其他電互連的制作；
圖4為壓力傳感器密封層、溫度傳感器懸臂梁以及濕度傳感器保護層的制作；
圖5為犧牲層的腐蝕，釋放壓力傳感器和溫度傳感器的薄膜敏感結(jié)構(gòu)，形成腔體；
圖6為壓力傳感器密封層的密閉；
圖7為濕度傳感器探測孔的打開，最終器件完成的結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖7所示，本實施例中采用了上述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)，包括MEMS器件的承載襯底I、MEMS薄膜電容式壓力傳感器2、MEMS薄膜電容式溫度傳感器3、MEMS薄膜電容式濕度傳感器4 ;上述三種傳感器并列設(shè)置于承載襯底I之上。如圖7所示，所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器2中設(shè)有上電極7和下電極5，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；上、下電極之間為釋放犧牲層19之后產(chǎn)生的壓力傳感器2的腔體8 ;上述腔體8由密封層13進行薄膜密封，使腔體8內(nèi)的氣壓值維持恒定；所述下電極5設(shè)置在上述腔體8的底部的承載襯底I上；所述上電極7設(shè)置在上述腔體密封層13的頂部的內(nèi)側(cè)且設(shè)有用于腐蝕釋放犧牲層19的釋放孔結(jié)構(gòu)11 ;上電極7和下電極5均與外界相連，在承載襯底I上形成電學互連6。所述的MEMS薄膜電容式溫度傳感器3中設(shè)有上電極7和下電極5，上、下兩個電極 形成平行板電容結(jié)構(gòu)；所述下電極5設(shè)置在承載襯底I上；所述上電極7設(shè)置在雙材料懸臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)偵彳，為內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)；雙材料懸臂的外側(cè)結(jié)構(gòu)15通過錨點14與承載襯底I接觸；上、下電極之間為釋放犧牲層19之后產(chǎn)生的溫度傳感器3電極間的間隙9 ;上述電極間的間隙9為開放式結(jié)構(gòu)；上電極7和下電極5均與外界相連，在承載襯底I上形成電學互連6。所述的MEMS薄膜電容式濕度傳感器4中設(shè)有上電極7和下電極5，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；上、下電極之間為濕度敏感層10 ;所述下電極5設(shè)置在上述濕度敏感層10的底部的承載襯底I上；上電極7設(shè)置在濕度敏感層10的頂部，上電極7外側(cè)設(shè)有保護層結(jié)構(gòu)17 ;貫穿上電極7和保護層結(jié)構(gòu)17設(shè)有使?jié)穸让舾袑?0與外部環(huán)境接觸的濕度探測孔結(jié)構(gòu)16 ;上電極7和下電極5均與外界相連，在承載襯底I上形成電學互連6。所述的MEMS薄膜電容式壓力、溫度和濕度傳感器的上電極7為30至200納米金，下電極5與傳感器外部電學互連6為5至20納米鉻及其上方的30至200納米金；所述的MEMS薄膜電容式壓力和溫度傳感器制作過程中的犧牲層19與MEMS薄膜電容式濕度傳感器4中的濕度敏感層10為聚酰亞胺PI2727 (也可以用苯并環(huán)丁烯、環(huán)氧樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯等材料)，其厚度為100納米至50微米；所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器2的密封層13、MEMS薄膜電容式溫度傳感器3的雙材料懸臂的外側(cè)結(jié)構(gòu)15與MEMS薄膜電容式濕度傳感器4的保護層17為氮化硅，其厚度為2至15微米。如圖I至圖7所示，上述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)可以通過下述工藝步驟實現(xiàn)，具體地
(1)如圖I所示，提供用來承載MEMS結(jié)構(gòu)的承載襯底1，并且在所述承載襯底I上使用磁控濺射法依次沉積5至20納米鉻與30至200納米金薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述金薄膜進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式傳感器的下電極5和器件外部的電學互連6 ;使用10. 9%的硝酸鈰銨溶液在21攝氏度條件下腐蝕鉻(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)溶液濃度和溫度以調(diào)節(jié)腐蝕速率)，使用50%的碘化鉀-碘(質(zhì)量比為4:1)的水溶液在21攝氏度條件下腐蝕金(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)溶液濃度和溫度以調(diào)節(jié)腐蝕速率);
(2)如圖2所示，在上述結(jié)構(gòu)上使用旋涂的方法涂覆一層濕度敏感材料聚酰亞胺PI2727 (由HD Microsystems公司提供)，厚度為100納米至50微米使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述聚酰亞胺材料進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式壓力和溫度傳感器2、3的犧牲層19以及MEMS薄膜電容式濕度傳感器4的濕度敏感層10，所述犧牲層19與濕度敏感層10的部分邊緣延伸至傳感器下電極5的邊緣以外2至20微米，以便在后續(xù)流程中實現(xiàn)上、下電極7、5的電學隔尚；使用功率為100瓦，體積流量為200標況暈升每分(sccm,即O攝氏度，I個標準大氣壓條件下每分鐘的流體流量)的氧氣等離子體在13. 3帕的壓力條件下對聚酰亞胺PI2727進行腐蝕(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣體流量、功率、壓力、溫度等參數(shù)來調(diào)節(jié)腐蝕速率);
(3)如圖3所示，在上述結(jié)構(gòu)上使用磁控濺射法沉積20納米至200納米金薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述金薄膜進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式傳感器2、3、4的上電極7以及上電極7與器件外部連接的電學互連，其中MEMS薄膜電容式壓力傳感器2的上電極中制作有用于釋放犧牲層19的釋放孔結(jié)構(gòu)11 ;使用50%的碘化鉀-碘(質(zhì)量比為4:1)的水溶液在21攝氏度條件下腐蝕金(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)溶液濃度和溫度以調(diào)節(jié)腐蝕速率)；
(4)如圖4所示，在上述結(jié)構(gòu)上使用磁控濺射法沉積5至20納米鉻，再使用等離子體化學氣相沉積的方法沉積2至15微米氮化硅薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述鉻薄膜和氮化硅薄膜進行圖形化，形成帶有犧牲層釋放孔18的MEMS薄膜電容式壓力傳感 器2的密封層20、MEMS薄膜電容式溫度傳感器3雙材料懸臂結(jié)構(gòu)的外側(cè)結(jié)構(gòu)15及其與承載襯底I連接的錨點14、帶有濕度探測孔結(jié)構(gòu)16的MEMS薄膜電容式濕度傳感器4的保護層17 ;使用10. 9%的硝酸鈰銨溶液在21攝氏度條件下腐蝕鉻(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)溶液濃度和溫度以調(diào)節(jié)腐蝕速率)，使用功率為60瓦，體積流量分別為7. 5和42. 5標況毫升每分的三氟甲烷和氮氣混合氣體在5帕的壓力條件下對氮化硅進行腐蝕(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣體流量、功率、壓力、溫度等參數(shù)來調(diào)節(jié)腐蝕速率);
(5)如圖5所不,使用功率為100瓦,體積流量為200標況暈升每分的氧氣等尚子體在13. 3帕的壓力條件下，通過MEMS薄膜電容式壓力傳感器2的密封層20中的犧牲層釋放孔18、上電極7中的釋放孔結(jié)構(gòu)11以及MEMS薄膜電容式溫度傳感器3電極間的間隙9，對壓力和溫度傳感器2、3中的犧牲層19進行腐蝕，從而釋放MEMS結(jié)構(gòu)(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣體流量、功率、壓力、溫度等參數(shù)來調(diào)節(jié)腐蝕速率);
(6)如圖6所示，使用等離子體增強型化學氣相沉積的方法，在壓力為30帕，溫度為300攝氏度的反應(yīng)腔體中，再次沉積2至15微米氮化硅薄膜(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣體流量、功率、壓力、溫度等參數(shù)來調(diào)節(jié)沉積速率)，通過紫外線光刻和腐蝕的方法對犧牲層釋放孔18進行密封，形成密閉的壓力傳感器2的密封層13 ;使用功率為60瓦，體積流量分別為7. 5和42. 5標況毫升每分的三氟甲烷和氮氣混合氣體在5帕的壓力條件下對氮化硅進行腐蝕(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣體流量、功率、壓力、溫度等參數(shù)來調(diào)節(jié)腐蝕速率)；
(7)如圖7所示，使用紫外線光刻圖形化和腐蝕的方法，在MEMS薄膜電容式濕度傳感器4的上電極7結(jié)構(gòu)中制作出濕度探測孔結(jié)構(gòu)16 ;使用50%的碘化鉀-碘的水溶液在21攝氏度條件下腐蝕上電極7的金材料(也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)溶液濃度和溫度以調(diào)節(jié)腐蝕速率)；從而完成MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)的集成制造。
權(quán)利要求
1.一種MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)，其特征是包括MEMS器件的承載襯底(I)、MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)、MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4);所述MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)和MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)并列設(shè)置于承載襯底(I)之上。
2.如權(quán)利要求I所述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)中設(shè)有上電極(7)和下電極(5)，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；上電極(7)和下電極(5)之間為釋放犧牲層之后產(chǎn)生的壓力傳感器的腔體(8);所述腔體(8)由密封層(13)進行薄膜密封，使腔體(8)內(nèi)的氣壓值維持恒定；所述下電極(5)設(shè)置在腔體(8)的底部的承載襯底(I)上；上電極(7)設(shè)置在腔體密封層(13)的頂部的內(nèi)側(cè)，且上電極(7)中設(shè)有用于腐蝕釋放犧牲層的釋放孔結(jié)構(gòu)(11);上電極(7)和下電極(5)均與外界相連，在承載襯底(I)上形成電學互連(6 )。
3.如權(quán)利要求I所述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)中設(shè)有上電極(7)和下電極(5)，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；所述下電極(5)設(shè)置在承載襯底(I)上；所述上電極(7)設(shè)置在雙材料懸臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)偵牝為內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)；雙材料懸臂的外側(cè)結(jié)構(gòu)(15)通過錨點(14)與承載襯底(I)接觸；上電極(7)和下電極(5)之間為釋放犧牲層之后產(chǎn)生的溫度傳感器電極間的間隙(9);所述電極間的間隙(9)為開放式結(jié)構(gòu)；上電極(7)和下電極(5)均與外界相連，在承載襯底(I)上形成電學互連(6)。
4.如權(quán)利要求I所述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)中設(shè)有上電極(7)和下電極(5)，上、下兩個電極形成平行板電容結(jié)構(gòu)；上電極(7)和下電極(5)之間為濕度敏感層(10);所述下電極(5)設(shè)置在濕度敏感層(10)的底部的承載襯底(I)上；上電極(7)設(shè)置在濕度敏感層(10)的頂部，上電極(7)外側(cè)設(shè)有保護層結(jié)構(gòu)(17);貫穿上電極(7)和保護層結(jié)構(gòu)(17)設(shè)有使?jié)穸让舾袑?10)與外部環(huán)境接觸的濕度探測孔結(jié)構(gòu)(16);上電極(7)和下電極(5)均與外界相連，在承載襯底(I)上形成電學互連(6)。
5.如權(quán)利要求2，3或4所述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)，其特征是，所述上電極(7)和下電極(5)為同種材料且具有相同的厚度，材料為鈦、鉻、金、銅、鋁、鎢、鉬或其組合，厚度為20納米至200納米。
6.MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的集成制造方法，其特征是步驟如下 (1)在承載襯底(I)上使用物理氣相沉積法沉積金屬薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述金屬薄膜進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式傳感器的下電極(5)和器件外部的電學互連(6)； (2)在步驟I形成的結(jié)構(gòu)上使用旋涂的方法涂覆一層濕度敏感材料，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述濕度敏感材料進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)和MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)的犧牲層(19)以及MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的濕度敏感層(10)，所述犧牲層(19)與濕度敏感層(10)的部分邊緣延伸至下電極(5)的邊緣以夕卜，以便在后續(xù)流程中實現(xiàn)上電極(7)和下電極(5)的電學隔離； (3)在步驟2形成的結(jié)構(gòu)上使用物理氣相沉積法沉積金屬薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述金薄膜進行圖形化，形成MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)和MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的上電極(7)以及上電極(7)與器件外部連接的電學互連，其中MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)的上電極(7)中制作有用于釋放犧牲層(19)的釋放孔結(jié)構(gòu)(11)； (4)在步驟3形成的結(jié)構(gòu)上使用化學氣相沉積或物理氣相沉積的方法沉積絕緣薄膜，使用紫外線光刻和腐蝕的方法對所述絕緣薄膜進行圖形化，形成帶有犧牲層釋放孔(18)的MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2 )的密封層(20 )、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3 )雙材料懸臂結(jié)構(gòu)的外側(cè)結(jié)構(gòu)(15)及其與承載襯底(I)連接的錨點(14)、帶有濕度探測孔結(jié)構(gòu)(16)的MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的保護層(17); (5)使用干法腐蝕或濕法腐蝕的方法，通過犧牲層釋放孔(18)、上電極(7)中的釋放孔結(jié)構(gòu)(11)以及MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)電極間的間隙(9)，對MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)和MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)中的犧牲層(19)進行腐蝕，從而釋放MEMS結(jié)構(gòu)； (6)使用化學氣相沉積的方法，再次沉積絕緣層薄膜，通過紫外線光刻和腐蝕的方法對帶有犧牲層釋放孔(18)的密封層(20)進行密封，形成密閉的密封層(13)； (7)使用紫外線光刻圖形化和腐蝕的方法，在MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的上電極(7)中制作出濕度探測孔結(jié)構(gòu)(16);最終完成MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)的集成制造。
7.如權(quán)利要求6所述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的集成制造方法，其特征是，所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)和MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)制作過程中的犧牲層(19 )與MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)中的濕度敏感層(10 )為同種材料且具有相同的厚度，材料為聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、環(huán)氧樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度為100納米至50微米。
8.如權(quán)利要求6所述MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的集成制造方法，其特征是，所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器(2)的密封層(13)、MEMS薄膜電容式溫度傳感器(3)的雙材料懸臂的外側(cè)結(jié)構(gòu)(15)與MEMS薄膜電容式濕度傳感器(4)的保護層(17)為同種材料且具有相同的厚度，材料為多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氮化鋁或其組合，厚度為2微米至15微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MEMS薄膜電容式多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)及其集成制造方法。在MEMS承載襯底上并列設(shè)有MEMS薄膜電容式壓力、溫度和濕度傳感器。三種傳感器的電極、犧牲層、敏感層、敏感膜以及保護層均采用互相匹配的結(jié)構(gòu)與材料，從而能夠通過集成的表面微加工技術(shù)制造而成。優(yōu)點是本發(fā)明所提出的多參數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)及集成制造方法減小了器件的體積，簡化了工藝步驟，能夠在一定程度上降低傳感器產(chǎn)品的成本。另外，全電容的結(jié)構(gòu)增加了其在基于電感耦合的無源無線傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
文檔編號B81C1/00GK102798403SQ201210297768
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者秦毅恒, 歐文 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心