一種無(wú)線無(wú)源mems溫度傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))溫度傳感器，尤其涉及一種無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度傳感器在航空航天、氣象監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及民眾日常生活中應(yīng)用廣泛。無(wú)線溫度傳感器是溫度傳感器的一個(gè)重要分支，它無(wú)需連線就可以與外部進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有使用靈活、操作方便的特點(diǎn)，此外，在一些無(wú)法連線的環(huán)境(如密封環(huán)境)中，必須使用無(wú)線傳感器。因此，無(wú)線溫度傳感器具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003]對(duì)于無(wú)線傳感器，傳感器信號(hào)傳輸?shù)姆绞桨ㄓ性春蜔o(wú)源等兩種傳輸方式，有源傳輸是指?jìng)鞲邢到y(tǒng)中帶有電源，這種傳輸方式可以雙向長(zhǎng)距離傳輸傳感器信號(hào)，但是體積大、系統(tǒng)復(fù)雜且需要更換電池；無(wú)源傳輸是指?jìng)鞲邢到y(tǒng)中無(wú)需使用電源，利用電感耦合或射頻反射調(diào)制等機(jī)制進(jìn)行信號(hào)傳輸，這種方式的信號(hào)傳輸距離較短，但是體積小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單且不需要更換電池，理論上可以無(wú)限期工作，特別適合在密封容器等密閉環(huán)境以及高溫等惡劣環(huán)境中應(yīng)用。
[0004]目前，無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器主要由電容及電感(LC)連接組成:電容作為傳感器的溫度敏感元件，溫度變化會(huì)引起電容的介電常數(shù)或極板間距改變，導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，進(jìn)而引起LC回路的諧振頻率等電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，通過(guò)外部讀出電路中的耦合電感獲取傳感器的諧振頻率等電學(xué)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。對(duì)于這種LC式無(wú)線無(wú)源溫度傳感器，需要通過(guò)增加溫敏元件尺寸來(lái)獲得可接受的傳感器靈敏度，因此，傳感器的尺寸往往較大，且存在靈敏度與微型化的矛盾；此外，目前這種傳感器需要使用不同的工藝步驟分別進(jìn)行電容及電感的制作以及形成電容和電感的回路連接，因此加工較為復(fù)雜，制作成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊、加工方便、制作成本低、靈敏度高及線性度高的無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器，并同時(shí)給出一種無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器的制備方法。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器，包括襯底，在襯底下方正中位置設(shè)空腔，將襯底正對(duì)空腔的區(qū)域稱為空腔區(qū)域，周側(cè)的其他區(qū)域稱為側(cè)壁區(qū)域；在襯底的上表面由下至上依次設(shè)置下介質(zhì)層、第一中間介質(zhì)層、第二中間介質(zhì)層、第三中間介質(zhì)層和上介質(zhì)層，下介質(zhì)層、第一中間介質(zhì)層、第二中間介質(zhì)層、第三中間介質(zhì)層和上介質(zhì)層均覆蓋空腔區(qū)域和側(cè)壁區(qū)域；在下介質(zhì)層和第一中間介質(zhì)層之間設(shè)置第一鐵磁材料層，第一鐵磁材料層位于空腔區(qū)域；在第一中間介質(zhì)層和第二中間介質(zhì)層之間設(shè)置第一敏感電感和電容下級(jí)板，第一敏感電感位于空腔區(qū)域(增強(qiáng)溫度變化時(shí)敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所引起的變形以提高整個(gè)傳感器的靈敏度)，電容下級(jí)板位于側(cè)壁區(qū)域，第一敏感電感為矩形螺旋面結(jié)構(gòu)，電容下級(jí)板與第一敏感電感的外側(cè)端連接；在第二中間介質(zhì)層和第三中間介質(zhì)層之間設(shè)置第二敏感電感和電容上級(jí)板，第二敏感電感位于空腔區(qū)域并位于第一敏感電感正上方(增強(qiáng)溫度變化時(shí)敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所引起的變形以提高整個(gè)傳感器的靈敏度，并且使得第一敏感與第二敏感電感之間形成大的互感，進(jìn)一步增強(qiáng)敏感電感的值及對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)變化，提高傳感器靈敏度)，電容上級(jí)板位于側(cè)壁區(qū)域并位于電容下極板正上方，第二敏感電感為矩形螺旋面結(jié)構(gòu)，電容上級(jí)板與第二敏感電感的外側(cè)端連接；在第三中間介質(zhì)層和上介質(zhì)層之間設(shè)置第二鐵磁材料層，第二鐵磁材料層位于空腔區(qū)域；在第一中間介質(zhì)層上表面的中心位置設(shè)置連接柱，連接柱貫穿第二中間介質(zhì)層并深入到第三中間介質(zhì)層內(nèi)，第一敏感電感的內(nèi)側(cè)端和第二敏感電感的內(nèi)側(cè)端均與連接柱連接，實(shí)現(xiàn)第一敏感電感和第二敏感電感的串聯(lián)，最終構(gòu)成傳感器LC回路中的敏感電感；所述電容上極板、電容下級(jí)板以及電容上極板與電容下極板之間的第二中間介質(zhì)層共同構(gòu)成傳感器LC回路中的電容。
[0008]優(yōu)選的，所述襯底為硅襯底。
[0009]優(yōu)選的，所述下介質(zhì)層為S1jlI，厚度在10nm?100nm范圍內(nèi)。具有的低介電常數(shù)可以抑制襯底所引入的寄生電容；此外，S1Jl所具有的小的熱膨脹系數(shù)可以增加溫度變化時(shí)由于敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的形變，提高傳感器靈敏度。
[0010]優(yōu)選的，所述第一鐵磁材料層和第二鐵磁材料層為具有逆磁滯伸縮效應(yīng)的CoFeB層、CoFeSiB層或NiFeSiB層。根據(jù)逆磁滯伸縮效應(yīng)，鐵磁材料層在形變后產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)造成所屬層的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，進(jìn)而引起敏感電感的值發(fā)生變化。
[0011]優(yōu)選的，所述第一敏感電感和第二敏感電感均為由Al構(gòu)成的矩形螺旋面結(jié)構(gòu)。Al所具有的大熱膨脹系數(shù)可以增加溫度變化時(shí)由于敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的形變，提高傳感器靈敏度；此外，Al所具有的低電阻率可以降低第一敏感電感/第二敏感電感的寄生電阻，提高第一敏感電感/第二敏感電感的品質(zhì)因數(shù)。此外，由于敏感電感與介質(zhì)層之間的熱膨脹系數(shù)失配，在溫度變化時(shí)第一敏感電感和第二敏感電感均會(huì)引起傳感器的方形膜發(fā)生相似的形變，從而有效增強(qiáng)了傳感器對(duì)環(huán)境溫度的機(jī)械響應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了傳感器靈敏度。
[0012]優(yōu)選的，所述第一中間介質(zhì)層為S1jl。S1Jl所具有的小的熱膨脹系數(shù)可以增加溫度變化時(shí)由于敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的形變，提高傳感器靈敏度；此外，S1Jl所具有的低介電常數(shù)有利于抑制第一敏感電感與第一鐵磁材料層之間的寄生電容，提高第一敏感電感的品質(zhì)因數(shù)。
[0013]優(yōu)選的，所述第二中間介質(zhì)層為S1jl。S1Jl所具有的小的熱膨脹系數(shù)可以增加溫度變化時(shí)由于敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的形變，提高傳感器靈敏度；此外，S1Jl所具有的大的禁帶寬度有利于防止第一敏感電感與第二敏感電感之間的漏電及發(fā)生短路。第二中間介質(zhì)層的厚度在50nm?200nm范圍內(nèi)，該層厚度過(guò)小，將造成第一敏感電感與第二敏感電感之間的漏電甚至發(fā)生短路，該層厚度過(guò)大，將減小第一敏感電感與第二敏感電感之間形成的互感。
[0014]優(yōu)選的，所述第三中間介質(zhì)層為S1jl。S1Jl所具有的小的熱膨脹系數(shù)可以增加溫度變化時(shí)由于敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的形變，提高傳感器靈敏度；此外，S1Jl所具有的低介電常數(shù)有利于抑制第二敏感電感與第二鐵磁材料層之間的寄生電容，提高第二敏感電感的品質(zhì)因數(shù)。
[0015]優(yōu)選的，所述上介質(zhì)層為具有防濕氣滲透能力的介質(zhì)層，優(yōu)選為Si3N4層；上介質(zhì)層用于阻止由于傳感器的材料吸濕所引起的方形膜彎曲，從而抑制環(huán)境濕度對(duì)于傳感器性能的影響，提高傳感器對(duì)溫度測(cè)量的選擇性和靈敏度。
[0016]本發(fā)明的無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器的工作原理如下:利用在溫度變化時(shí)敏感電感與傳感器其他各層材料因熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得傳感器的方形膜發(fā)生形變，鐵磁材料層形變后所產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)谀娲艤炜s效應(yīng)的作用下，使得鐵磁材料層的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，由于敏感電感的值與鐵磁材料層的磁導(dǎo)率呈線性關(guān)系，第一鐵磁材料層和第二鐵磁材料層的磁導(dǎo)率變化引起第一敏感電感以及第二敏感電感的值均發(fā)生相似的變化，由于第一敏感電感和第二敏感電感為串聯(lián)連接，第一敏感電感和第二敏感電感的變化量疊加構(gòu)成總的敏感電感變化量，進(jìn)而引起LC回路的諧振頻率等電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，并利用讀出電路中的電感與傳感器中的電感進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的無(wú)線輸出。該無(wú)線無(wú)源溫度傳感器可以完全由MEMS加工工藝制作。
[0017]一種無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0018](I)選用N型(100)硅制作襯底，通過(guò)濕氧熱氧化在襯底的上表面生長(zhǎng)500nm厚度的S1Jt為下介質(zhì)層，同時(shí)在所述襯底背面熱生長(zhǎng)S1 2層；
[0019](2)刻蝕所述襯底背面的S12,以S12做掩膜使用TMAH試劑對(duì)硅襯底進(jìn)行濕法刻蝕，形成空腔；
[0020](3)在下介質(zhì)層上濺射NiFeSiB并光刻形成第一鐵磁材料層；
[0021](4)通過(guò)增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法在第一鐵磁材料層上制作一層200nm厚度S12,形成第一中間介質(zhì)層；
[0022](5)在第一中間介質(zhì)層的上表面濺射Al并光刻形成第一敏感電感以及電容下極板，并形成電容下極板與第一敏感電感的外側(cè)端部的連接；
[0023](6)通過(guò)增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法在第一敏感電感上制作一層10nm厚度S12，形成第二中間介質(zhì)層；
[0024](7)對(duì)第二中間介質(zhì)層進(jìn)行光刻，去除位于第一敏感電感內(nèi)側(cè)端部正上方的介質(zhì)，形成用于設(shè)置連接柱的通孔，在第二中間介質(zhì)層上濺射Al并光刻形成第二敏感電感、電容上極板、以及形成電容上極板與第二敏感電感的外側(cè)端部的連接、以及形成用于連接第一敏感電感和第二敏感電感的連接柱；
[0025](8)在第二敏感電感、電容上級(jí)板及連接柱上通過(guò)化學(xué)氣相沉積形成200nm厚度的S12作為第三中間介質(zhì)層；
[0026](9)在第三中間介質(zhì)層上濺射NiFeSiB并光刻形成第二鐵磁材料層；
[0027](10)在第二鐵磁材料層上通過(guò)增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法制作一層200nm厚度Si3N4,形成上介質(zhì)層。
[0028]有益效果:本發(fā)明提供的無(wú)線無(wú)源MEMS溫度傳感器及其制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):1、與現(xiàn)有的LC式無(wú)線無(wú)源溫度傳感器相比，本發(fā)明的傳感器的電感既用于傳感器信號(hào)的無(wú)線傳輸，同時(shí)還作為溫度敏感元件，通過(guò)敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配直接響應(yīng)溫度的變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；2、本發(fā)明采用疊層分布的雙層電感來(lái)響應(yīng)溫度變化，既減少傳感器的面積，又提高傳感器靈敏度，在實(shí)現(xiàn)高靈敏度的同時(shí)并易于傳感器的微型化；此外，本發(fā)明的雙層電感之間所形成的互感可進(jìn)一步增強(qiáng)敏感電感的值及對(duì)溫度的響應(yīng)，提高傳感器的靈敏度；進(jìn)一步地，在溫度變化時(shí)本發(fā)明的雙層電感共同作用使得傳感器方形膜發(fā)生形變，增強(qiáng)了傳感器對(duì)溫度的響應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高傳感器靈敏度；3、本發(fā)明的傳感器中的電容可以和電感一并制作，在形成電容和電感的同時(shí)無(wú)需額外工藝步驟即可形成LC回路，因此加工工藝簡(jiǎn)單，制作成本低；此外，本發(fā)明使用結(jié)構(gòu)中現(xiàn)成的敏感電感與介質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)失配來(lái)響應(yīng)溫度變化，無(wú)需額外的溫度敏感層(或結(jié)構(gòu))即可響應(yīng)溫度變化，進(jìn)一步降低了工藝步驟和制作難度；4、本發(fā)明的傳感器，由于鐵磁材料層在形變后磁導(dǎo)率發(fā)生變化，引起敏感電感的值發(fā)生變化，由于鐵磁材料層的磁導(dǎo)率與敏感電感的值之間呈線性關(guān)系，因此本發(fā)明的傳感器具有高線性度；5、本發(fā)明采用MEMS技術(shù)制備，傳感器具有體積小、功耗低、一致性好、以及易于實(shí)現(xiàn)智能化的優(yōu)