[發明專利]一種具有真空腔的微機電系統露點傳感器及其制造方法

有效

• 申請號: 201410014636.1
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103754818A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 劉清惓;高振翔;劉恒;葛益嫻
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明屬于傳感器領域，特別涉及了一種具有真空腔的微機電系統露點傳感器及其制造方法。

背景技術

露點儀的測量原理為：用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸氣冷卻至凝聚相出現，或通過控制冷面的溫度，使氣體中的水蒸氣與水的平展表面呈熱力學平衡狀態，準確測出此時的溫度，即為該氣體的露點溫度。

?MEMS是微機電系統的縮寫。MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。MEMS器件具有集成度高、功能強、重量輕、功耗小、成本低、可靠性高、熱常數低等優點。

論文Silicon?Dew?Point?Hygrometer?Model，Proceedings?of?the?18th?IEEE?Instrumentation?and?Measurement?Technology?Conference,Volume?3,2001中介紹了一種基于MEMS技術的露點儀方案。該方案利用MEMS工藝，在膜片上形成溫度傳感器和加熱電阻，溫度傳感器與反射鏡面連接更緊密，可提高溫度測量精度。冷鏡式露點儀在工作時，經常需要加熱其反射鏡面。加熱電阻用來加熱反射鏡面。比如當氣體濕度突然升高時，需要迅速升高鏡面溫度。與傳統的冷鏡式露點儀相比，基于MEMS技術的冷鏡式露點儀反射鏡面下方的膜片很薄，其厚度可低至微米數量級，因此可以降低所需加熱電阻的功率。

但是這種設計也有一定的局限性。一般地，光斑中心在膜片上反射鏡面的中心。膜片上可能有應力，其應力可能來自膜片的材料缺陷，反射鏡面材料與膜片熱膨脹系數等物理參數的不匹配，在膜片上的溫度傳感器，加熱電阻，引線，膜片上的絕緣層，以及基片與制冷器熱膨脹系數等物理參數的不匹配也都有可能存在應力。如果膜片呈現出張應力，則膜片通常會繃緊，反射鏡面中心部分一般仍可保持與硅片表面平行，反射光總體上可以保持原來的方向，對測量影響較小。如有壓應力，則膜片的彎曲形狀通常具有一定的隨機性，反射鏡面中心部分也有較大的概率難以保持和硅片表面平行，反射光方向會變得不確定，影響光探測器的正常接收。如果基片與制冷器直接相連，基片上的壓應力和制冷器的收縮都有可能使反射鏡面發生隨機性不規則的輕微變形，導致反射光方向偏轉，影響儀器的檢測精度。這種空腔結構還可能會導致空腔內結露，從而容易吸附灰塵等污染物，不利于清洗。此外，這種結構的反射鏡面下方的空腔內有空氣，在加熱反射鏡面時，熱量會向膜片背面流失，影響熱量利用率。

發明內容

為了解決上述背景技術存在的問題，本發明旨在提供一種具有真空腔的MEMS露點傳感器及其制造方法，創造性增加了真空腔結構，避免反射鏡面的不規則變形，提高露點儀的檢測精度。

為了實現上述的技術目的，本發明的技術方案是：

一種具有真空腔的微機電系統露點傳感器，包括光源、光電探測器、測控電路和傳感器主體。傳感器主體包括第一基片、膜片、第一絕緣層、至少一個溫度傳感器、至少一個加熱電阻、第二絕緣層、反射鏡面、第二基片和制冷器。第一基片的正面刻蝕形成膜片，第一絕緣層置于膜片的正面，溫度傳感器和加熱電阻分別置于第一絕緣層的正面，第二絕緣層置于第一絕緣層的正面并能夠掩埋溫度傳感器和加熱電阻，反射鏡面形成于第二絕緣層的正面，第二基片鍵合于第一基片的背面且兩者之間形成真空腔，制冷器與第二基片的背面連接。光源和光電探測器分別置于反射鏡面的上方，使光斑處于反射鏡面中心,反射鏡面將光源發出的入射光進行反射后由光電探測器接收。測控電路分別與光源、光電傳感器、溫度傳感器、加熱電阻和制冷器連接。

上述的第二基片的材料可以是硅或者玻璃。上述的硅和玻璃利于和第一基片鍵合，而且硅和玻璃導熱性能良好，便于傳遞能量。

上述的第一絕緣層和第二絕緣層均采用二氧化硅或氮化硅制備而成。

本發明還包含一種用于制造上述露點傳感器的方法，其步驟包括：

a.????采用體加工工藝在第一基片的背面刻蝕出方形開口空腔和在第一基片的正面刻蝕出膜片；

b.????采用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積法)工藝在第一基片上的膜片上制備第一絕緣層，第一絕緣層可以是二氧化硅或者氮化硅；

c.????涂一層光刻膠覆蓋在第一絕緣層表面；

d.????制作覆蓋在光刻膠表面的，用于接下來形成溫度傳感器和加熱電阻的掩膜；

e.????通過掩模，光刻留下作為溫度傳感器和加熱電阻的圖形；