[發明專利]基于諧振式脫附的濕度傳感器

在審

• 申請號: 201910225631.6
• 申請日: 2019-03-22
• 公開（公告）號: CN111721814A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 趙湛;劉季杭;方震;杜利東
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01N27/04;G01N27/74;G01N27/00;G01N21/84
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 張宇園

本發明公開了一種基于諧振式脫附的濕度傳感器，包括：帶有空腔的襯底；襯底上附著帶有同樣空腔的絕緣層；第一諧振電極，覆蓋于襯底和絕緣層的空腔上；壓電功能層，覆蓋于第一諧振電極和襯底絕緣層之上；第二諧振電極，附著于壓電功能層上，結合第一諧振電極和壓電功能層作為諧振模塊，實現機械振蕩脫濕，該第二諧振電極結合濕敏介質層和上電極作為測濕模塊，實現感濕測量；濕敏介質層，垂直堆疊于諧振模塊形成的諧振區域，實現感濕測量；以及上電極，垂直堆疊于諧振模塊形成的諧振區域，實現感濕測量。本發明利用諧振式機械脫濕，與傳統的加熱脫濕方式相比，避免了受熱不均勻和加熱后恢復慢等問題，可以快速初始化并提高濕度響應速度。

技術領域

本發明涉及一種MEMS濕度傳感器及其制備方法，尤其涉及一種與CMOS工藝兼容的基于諧振式脫附的濕度傳感器。

背景技術

濕度是表征大氣中水蒸氣含量的參數，一般用相對濕度(％RH)表示，其值代表空氣中水蒸氣的壓力和相同溫度下飽和水蒸氣壓力的比值。濕度與人類的日常生活、農作物的生長、糧食的存儲、醫療設備的維護、精密電子元器件的制造以及航空航天的高空作業等密切相關，所以濕度的監測變的越來越重要。

濕度傳感器用于濕度檢測，其基于濕敏功能材料的濕敏特性能夠與水分子發生物理吸附作用，將水分子吸附量轉換為電信號來實現濕度測量。按照其轉換電信號種類的不同，通常可分為電容式、電阻式、電感式、諧振式、光電式等。其中電容式濕度傳感器由于其高靈敏、低功耗、結構簡單等諸多優點而被廣泛研究應用。

靈敏度和濕滯是影響濕度傳感器性能的兩個重要指標。以電容傳感器為例，靈敏度S指相對于環境濕度的變化，電容量的變化程度。濕滯定義為濕敏元件升濕和降濕時，在同一濕度下電容不一致的現象，其根本原因在于感濕材料在吸濕和脫濕過程中含水分子量的不同而導致。通常，對于同一種濕敏材料，其親水性越強則靈敏度越高，然而在脫濕過程中水分子將難以脫附，從而極大的增加了濕滯特性，為濕度檢測帶來不可避免的延遲和誤差。所以，同時具備高靈敏度和低濕滯的濕敏傳感器一直是廣大學者們的研究目標。

中國專利CN 104634832 A設計了一種快速響應的CMOS相對濕度傳感器，由襯底、氧化層、電容電極、濕度敏感介質組成，其特點在于腐蝕襯底及其上方的氧化層，形成空腔，使得電容電極之間的濕度敏感介質能夠直接與上下兩邊空氣接觸，有利于濕敏材料上水分子與空氣水分子擴散，具有響應速度快、靈敏度高、寄生電容小等優點。但是，僅僅依靠材料自身親疏水性，很難滿足高濕度下快速濕度響應的要求，并且結構穩定性差。

中國專利CN 103698367 A公開了一種加熱式濕度傳感器，其由襯底、下電極、電容感濕介質層、上電極、加熱電阻所組成，其特點是加熱電路環繞于濕度敏感電容周圍。兩只加熱式濕度傳感器交替使用，一只加熱除濕的過程中，另一只進行濕度測量，并在一個工作周期后進行互換。該方法利用熱脫附原理進行水分子強制脫離，優點是濕度測量范圍廣能夠達到0％-100％RH，并且可應用于50℃-90℃低溫環境中。但其缺點是高成本、高功耗、加熱不均勻、溫度分布不易控制等缺陷。電容、電阻及電感等物理量測量受溫度影響嚴重，高溫加熱不僅引入高功耗，而且還需等到恢復環境溫度才能再次測量，為提高檢測效率，只能提高成本采用多傳感器交替式工作。

發明內容

有鑒于此，為了得到高靈敏且低濕滯的濕度傳感器，本發明提供一種與CMOS工藝兼容的基于諧振式脫附的濕度傳感器，以至少部分解決上述問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：提供一種基于諧振式脫附的濕度傳感器，包括：

帶有空腔的襯底；

進一步的，該襯底為體硅。

絕緣層，附著于該襯底上，該絕緣層具有同樣的上述空腔；

進一步的，該絕緣層為氮化硅或氧化硅。

更進一步的，上述襯底和絕緣層的空腔設置于下述提到的諧振模塊的諧振區域。