[发明专利]MEMS电容式相对湿度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS电容式相对湿度传感器及其制备方法，属于半导体芯片技术。

背景技术

湿度传感器广泛应用于国防航空、气象检测、工业控制、农业生产等多个领域。近年来，微型化的湿度传感器已逐渐成为市场的主流。现有的微型湿度传感器主要有电容式、电阻式、压阻式等类型。电容式湿度传感器因具有功耗小、成本低等优点，已被商用领域普遍应用。MEMS技术的发展则对一些高性能湿度传感器的设计、制造提供了平台，这些高性能的湿度传感器包括快速响应，低温漂，高灵敏度等类型，可满足相应需求。另外，迟滞误差也是衡量湿度传感器性能优劣的重要参数，是研究的热点。

中国专利申请第CN 103076372A号中提到一种电容式湿度传感器，从下到上依次包括下部硅片、下加热器、下金属层、下钝化层、下感湿材料层、上感湿材料层、上钝化层、上金属层和上部硅片；下部硅片上设有下硅片绝缘层，下加热器设在下硅片绝缘层上，且在下加热器之间及其上方设有下加热器绝缘层；下加热器绝缘层、下金属层、下钝化层和下干湿材料层从下至上依次相连；上部硅片上设有上硅片绝缘层，且上硅片绝缘层、上金属层、上钝化层和上干湿材料层从上至下依次相连；下感湿材料层和上感湿材料层之间设有空气间隙；下金属层和上金属层之间有铟凸点键合。该发明提供了一种电容式湿度传感器，其加热均匀，能克服纵向温度梯度带来的温度不均匀性，温度分布易控制，响应速度快。

中国专利申请第CN 103698367A号中提到一种加热式湿度传感器，包括：衬底(1)，还包括：湿度敏感电容和加热电路。衬底(1)为方形薄片，作为支撑结构置于最底层。加热电路环绕于湿度敏感电容的周围。两只加热式湿度传感器同时使用，一只加热除湿以及降温的过程中，另一只进行湿度测量；一个工作周期后两只互换工作方式。加热式湿度传感器的制作方法具体步骤为：选择衬底(1)；制作加热电路；制作电容下电极(7)；制作电容感湿介质层(12)；制作电容上电极(13)。该发明在50℃～-90℃的环境温度范围内，湿度测量范围为0％～100％RH，湿度测量误差小于±3％，湿度分辨率小于0.1％，常温环境响应时间低于1s。

中国专利第CN 1327215C号中提到一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容的相对湿度传感器，由衬底，氧化层，电容下极板，电容上极板组成，氧化层设在衬底上，电容下极板平铺于氧化层上，电容上极板位于衬底和氧化层的上方；该发明具有制作方法和结构简单，温度漂移小，抗干扰能力强，有效降低生产成本，具有响应迅速，有利于后续电子电路的检出等优点。

与梳齿状电容式湿度传感器相比，三明治结构的湿度传感器具有高灵敏度的优点，被广泛应用，但由于其响应速度较慢，很难应用到要求快速响应的场合。典型的如专利CN 103698367A中涉及的一种加热式湿度传感器，传感器部分为三明治结构，上电极直接覆盖在湿度敏感介质上，虽然上电极上分布透气孔，水汽分子需要先纵向扩散再横向扩散，继而均匀分布在湿度敏感介质中，这种先纵向再横向扩散的方式限制了响应时间的缩短。为了加快三明治结构湿度传感器的响应时间，专利CN 1327215C中设计了一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容的相对湿度传感器，直接采用空气作为湿度敏感介质，但由于空气的相对介电常数随湿度变化很小，所以传感器的灵敏度会很小，不便于检测。为了在确保高灵敏度的同时，缩短响应时间，专利CN 103076372A中设计了一种电容式湿度传感器，湿度敏感介质一侧表面直接与空气接触，水汽分子扩散距离短，响应速度快，但由于采用凸点键合技术，电容上下极板的间距难以精确控制，另外，该器件的整体厚度很难做小，限制其在超薄场合的应用。所以，本发明需要解决的主要问题是，在不增加器件整体厚度及确保高灵敏度的同时，缩短响应时间。

专利CN 103698367A中涉及的一种加热式湿度传感器，其加热电路分布在湿度敏感单元周围，牺牲了一部分芯片面积。所以，本发明一并要解决的问题是在不增加芯片面积的情况下，同时利用电容下电极作为加热模块，减小迟滞误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS电容式相对湿度传感器，其灵敏度高，响应速度快，迟滞误差小。