[發明專利]MEMS薄膜電容式多參數傳感器結構及其集成制造方法

有效

• 申請號: 201210297768.0
• 申請日: 2012-08-21
• 公開（公告）號: CN102798403A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 秦毅恒;歐文
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種MEMS薄膜電容式多參數傳感器結構及其集成制造方法，屬于MEMS傳感器制造領域。

背景技術

隨著物聯網技術的發展，需要大量的傳感器對不同類型的數據進行采集，因此采用批量微納制造技術進行MEMS傳感器的生產在提升傳感器性能一致性，降低傳感系統能耗及傳感器成本方面有著重要的意義。特別的，在生產生活中，一方面，人們通常同時關注被測環境中的多個參數（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進行采集，為了實現工藝的一致性、系統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和薄膜加工技術的壓力、溫度、濕度三參數傳感器，其中壓力和濕度傳感器采用了電容式的結構，溫度傳感器則采用了傳統的薄膜溫度計結構；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Mathieu?Hautefeuille等人采用薄膜制造工藝和體硅工藝結合的方法，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，在某些特殊環境中，傳感器系統由于環境或空間的原因無法設置電源，而且參數的檢測無法通過常規的有線連接進行，需要采用無線無源的方式進行檢測數據的傳輸。無線無源的MEMS傳感器系統通常基于兩種原理，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的改變；二是基于表面聲波的原理。其中，前者通過環境參數改變MEMS電容結構中某些關鍵參數（如：基板間距、介質介電常數等）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，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，以及晶圓鍵合的方法，所制得的傳感器產品體積較大；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多參數傳感器的制造已有較多的報道，其中不乏全電容式的結構以用于電感耦合的無線無源傳感器系統，但總的來說，使用體硅加工工藝制造的產品體積較大，而且多種傳感器未能實現集成化制造，繁瑣的制造工藝也在一定程度上增加了最終產品的成本。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種MEMS薄膜電容式多參數傳感器的結構及其集成制造方法，能夠用來進行壓力、溫度和濕度這三種環境參數的檢測，而且該傳感器的結構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，其全電容的結構增加了其在基于電感耦合的無源無線傳感系統中的應用潛力。

按照本發明提供的技術方案，所述的MEMS薄膜電容式多參數傳感器結構包括：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置于承載襯底之上。

所述的MEMS薄膜電容式壓力傳感器中設有上電極和下電極，上、下兩個電極形成平行板電容結構；上電極和下電極之間為釋放犧牲層之后產生的壓力傳感器的腔體；所述腔體由密封層進行薄膜密封，使腔體內的氣壓值維持恒定；所述下電極設置在腔體的底部的承載襯底上；上電極設置在腔體密封層的頂部的內側，且上電極中設有用于腐蝕釋放犧牲層的釋放孔結構；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有上電極和下電極，上、下兩個電極形成平行板電容結構；所述下電極設置在承載襯底上；所述上電極設置在雙材料懸臂結構的內側，為內側結構；雙材料懸臂的外側結構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構；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。