MEMS壓阻型濕度傳感器的設(shè)計(jì)及工藝研究.pdf

1、本研究根據(jù)國(guó)家863項(xiàng)目中對(duì)溫濕度傳感器的要求,設(shè)計(jì)和制造了MEMS壓阻型濕度傳感器,并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試和分析。著重對(duì)此種壓阻型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了研究,并對(duì)MEMS后處理工藝中正面腐蝕時(shí)的芯片正面保護(hù)提出了一種新的方法。本傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是壓阻與聚酰亞胺是分開(kāi)的,這就從根本上阻止了吸濕部件與電子部件之間的耦合,因而所提出的傳感器能用于易燃易爆等惡劣環(huán)境下的濕度測(cè)量。利用軟件ANSYS對(duì)雙膜結(jié)構(gòu)吸濕膨脹的模型

2、進(jìn)行了模擬,驗(yàn)證了隨著上層聚酰亞胺膜吸濕膨脹下層硅膜發(fā)生向上彎曲的形變,通過(guò)比較不同厚度和大小的雙層膜應(yīng)力分布圖以及考慮到工藝的可實(shí)現(xiàn)性,確定了膜的大小比例及制作壓阻的位置。本壓阻型濕度傳感器的工藝設(shè)計(jì)方面涉及多種單步IC和MEMS工藝,力求與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容。詳細(xì)介紹了主要的加工工藝--鍵合、氧化、擴(kuò)散、光刻、腐蝕和聚酰亞胺的相關(guān)工藝以及具體的操作方法。另外在對(duì)MEMS后處理工藝的研究中提出一種新的正面腐蝕時(shí)正面芯片保護(hù)的方法。

3、本方法將一種新型的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的TMAH腐蝕液相結(jié)合,可以保證長(zhǎng)時(shí)間高溫腐蝕時(shí)腐蝕液不會(huì)滲透到鈍化層下,同時(shí)完成正面MEMS結(jié)構(gòu)釋放。具有與CMOS工藝兼容,工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 本研究通過(guò)三次實(shí)際工藝流水制作了壓阻型濕度傳感器的樣品。通過(guò)幾次性能測(cè)試后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,由測(cè)試結(jié)果反饋的信息對(duì)工藝制作進(jìn)行了多次改進(jìn),最終制作出了達(dá)到性能要求的壓阻型濕度傳感器。在測(cè)試中按膜的薄厚和大小將傳感器分為厚大膜、厚小膜、薄大膜、薄

4、小膜四種類型。給出了除了薄大膜外的三種樣品的測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行了分析比較。測(cè)試過(guò)程中相對(duì)濕度從10％RH到90％RH的變化大約需要10s,即響應(yīng)時(shí)間約為10s。通過(guò)計(jì)算得到薄小膜的靈敏度約為0.5mV/2％RH,厚大膜的靈敏度約為0.19mV/2％RH,厚小膜的靈敏度約為0.17mV/2％RH。靈敏度從大到小的排列順序與ANSYS模擬的應(yīng)力云圖所反映的順序一致。經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大50倍后,輸出電壓可以滿足后續(xù)微系統(tǒng)中單片機(jī)最小分辨1mV電壓