CMOS-MEMS湿度传感器的制作和表征外文翻译资料

 2022-03-01 20:10:48

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CMOS-MEMS湿度传感器的制作和表征

摘要：本文报道了互补金属氧化物半导体 - 微机电系统（CMOS-MEMS）器件的制造和表征，该器件具有在相对较高温度（40°C至80°C）下操作的嵌入式微加热器，用于相对湿度测量．感测原理基于由于沉积在移动板上的二氧化钛纳米颗粒的活性材料层上的湿气的吸附或解吸而导致的装置振幅的变化，这导致装置质量的变化．该传感器采用标准0.35mu;mCMOS工艺技术设计和制造，后CMOS微机械加工技术已成功实施，以释放MEMS结构．该传感器采用电热驱动在动态模式下工作，输出信号通过连接在惠斯通电桥电路中的压阻（PZR）传感器测量．当湿度从35%RH增加到60%RH时，输出电压从0.585 mV线性增加到3.250 mV，灵敏度为0.107 mV/%RH；当湿度从60％RH增加到95％RH时，再次线性地从3.250mV到30.580mV，具有0.781mV /％RH的更高灵敏度．另一方面，湿度传感器的灵敏度从0.102 mV /％RH线性增加到0.501 mV /％RH，温度从40°C增加到80°C，相对湿度为80％时，最大滞后为0.87％RH．灵敏度也取决于频率，从2Hz处的0.500mV /％RH增加到12Hz频率处达到最大值1.634mV /％RH，然后以20Hz的频率降低到1.110mV /％RH．最后，与直接测量％RH湿度的标准传感器相比，CMOS-MEMS湿度传感器在三个周期内显示出相当的响应，恢复和重复性测量．

  1. 介绍

相对湿度传感器是一种对环境中存在的水分子作出反应的化学传感器．湿度是空气中水蒸气的量与使空气在其当前温度下饱和所需的蒸汽量相比较．湿度传感器可用于医疗设备、农业、供暖、通风和空调（HVAC）系统、汽车和半导体工业、建筑物内生活环境的智能控制、湿度计和消费品以及微波炉的烹饪食品控制等许多应用[1]. Fenner et al. [2]报道室内相对湿度应在35％RH和65％RH之间，以保证居住者的舒适度．低于或高于此范围的相对湿度会导致不适以及诸如嘴唇干裂，鼻子流血和喉咙干燥等健康问题．因此，湿度传感器在我们的日常生活中非常重要．

    1. MOS和导电聚合物湿度传感器

传统的湿度传感器取决于各种材料薄膜的电性能变化; 可以通过测量薄膜的电阻[3-7]或电容[8-13]变化来估计这些变化．这些类型的湿度传感器可以分为两类：金属氧化物半导体MOS和基于聚合物的湿度传感器．近年来，已发表许多关于基于MOS的湿度传感器的研究论文[14-16]; 二氧化锡（SnO2）和二氧化钛（TiO2）是这些类型的湿度传感器非常流行的传感材料．基于聚合物的传感器也已用于湿度检测很长时间[17-19]．

    1. 基于CMOS和CMOS-MEMS的湿度传感器

这些类型的湿度传感器使用标准CMOS工艺制造，采用某种形式的后CMOS微机械加工或其他附加的后CMOS工艺来完成传感器设计．由于批量制造的可能性，这些工艺技术改善了尺寸和成本．这些类型的湿度传感器可以分为两类：基于CMOS和CMOS-MEMS的湿度传感器．

    1. 基于CMOS的湿度传感器

小型化趋势使得必须使用CMOS工艺技术和一些额外的后CMOS步骤（例如在CMOS管芯上滴涂或沉积敏感材料）来制造基于电阻或电容MOS或聚合物的湿度传感器．它们的工作原理类似于基于MOS和聚合物的传感器，因为它们将有关空气中湿度水平的信息转换为电信号[11]．传感器的操作基于空气中的水分子（吸收或吸附）与敏感材料层之间的相互作用，这引起其电特性的变化，例如电阻或电容变化． 敏感层的变化由相应的换能器检测并转换成电流或电压输出．许多研究人员已经报道了不同类型的基于CMOS的湿度传感器的设计和制造[10,20,21]．

    1. 基于CMOS-MEMS的湿度传感器

MEMS是一种将机械元件、传感器、执行器以及电气和电子元件集成在普通硅基板上的技术，其特征尺寸从毫米到微米不等．MEMS最显著的优点是它能够与半导体芯片中的电子元件轻松通信．此外，MEMS还有许多其他优点，如体积小、功耗低、成本低、易于集成到系统中以及可用于阵列制造．将微机械设备缩小为微机械设备在若干领域提供了改进，如惯性传感器、喷墨打印机、射频通信、卫星、智能手机、压力传感器、加速度计、陀螺仪、生物医疗设备、军事系统和化学传感器等应用[9,22–24]．当在MEMS器件中使用CMOS层作为结构层，并使用后CMOS微加工来释放这些结构时，所产生的器件称为CMOS-MEMS器件[17,25,26]．许多研究人员已经报道了不同类型的CMOS-MEMS湿度传感器的设计和制造[9,11,17,25]．

在CMOS-MEMS器件的开发中使用的一些主要机械元件包括微尺寸悬臂和膜或板．这种装置通常用于传感或致动技术，并且通常基于物理性质的变化，例如由于表面处的气体物质的吸收/吸附而导致的装置的质量或应力．通过监测谐振结构的频率变化或观察由于质量负载和表面应力变化引起的微机械结构的偏转（静态模式），可以检测质量变化[27]．通过检测由于质量变化引起的共振频率的变化，质量敏感（重量）传感器已用于湿度传感[28-33]．

许多当前用作湿度传感器的CMOS-MEMS谐振微结构都具有一层敏感的聚合物涂层，通常在室温下工作．然而，在许多情况下，检测过程中吸收的湿度粘附在聚合物上，不容易解吸．这些特性在湿度水平变化的实时测量中会导致问题，并且在湿度水平增加和减少的环境中进行测量时会导致滞后．许多研究都是为了研究磁滞现象，并报告在25°C环境温度下磁滞高达6.6%RH[21]，而Lee et al．〔4〕提出的另一项研究报告在56%RH下吸收和解吸为1.3%RH[9]和在40%RH到90%RH范围内为1.6%RH．因此，有必要研究和开发提高湿度传感器可逆性、稳定性和滞后性的技术．

本文报道了一种用于器件电热驱动的嵌入式微热元件CMOS-MEMS湿度传感器的制作与表征，以及将器件板维持在40°C至80°C的中温下，以提高器件在湿度检测中的可逆性、稳定性和滞后性．

  1. CMOS-MEMS湿度传感器的制备与表征
    1. 传感器的制造

该传感器装置采用标准的0.35微米CMOS工艺技术和通过多项目晶圆（MPW）进行的后CMOS微加工来制造．CMOS工艺技术由两个多晶硅、三个金属、几个介质层和两个通孔组成．所有金属层均为铝（Al），而二氧化硅（SiO2）用作介电层，钨用于通孔．图1a显示了装置俯视图的示意图，包括由四根梁支撑的板，每个梁具有两个不同宽度的部分，每个部分具有7mu;m和19mu;m，但是相同的长度各自为240mu;m．定子梳状指固定在基板上，而转子梳状指固定在400mu;mtimes;400mu;m板上，也固定在19mu;m厚梁（梁2）上．图1b显示了沿a a#39;查看的装置的示意性横截面图，以显示CMOS层和单晶硅（SCS）基板．

图1.（a）俯视图示意图；（b）沿AA#39;的横截面图，显示CMOS层和SCS基板．

在完成CMOS工艺之后，在干蚀刻步骤之前，将八英寸晶片从初始厚度750mu;m背磨至350mu;m的厚度，如图2a中的横截面图所示．然后在8英寸晶圆的背面涂上一层厚的光致抗蚀剂（pr）层，并按照图2b所示图案，以暴露需要暴露的传感器设备区域，同时保护焊盘和不需要释放的CMOS-MEMS设备的其他区域．然后使用各向异性深反应离子蚀刻（DRIE）从背面部分蚀刻SCS衬底，在CMOS层下留下15mu;m厚的SCS层以限定MEMS结构，如图2c所示．在从背面进行SCS蚀刻之后，将晶片切割成单独的芯片，然后将芯片安装在载体晶片上用于正面蚀刻．图2d展示了使用反应离子蚀刻（RIE）在SiO 2的正面蚀刻之后的沟槽的外观，而图2e展示了在使用各向同性DRIE从正面蚀刻穿过Si之后的释放的MEMS结构．最后，去除光致抗蚀剂掩模以完成后CMOS微加工工艺，如图2f所示．

图2.（a）背面研磨的示意性横截面图; （b）PR层沉积; （c）从背面各向异性蚀刻Si; （d）从正面各向异性蚀刻SiO2; （e）从正面各向同性蚀刻Si; （f）移除光刻胶掩模的释放装置.

    1. CMOS-MEMS湿度传感器的特性设置

如图3a所示，通过嵌入式微型加热器施加交流电流，以电热驱动方式在动态模式下操作CMOS-MEMS设备，以产生平面外Z方向的板振动．这些振动在四个支撑梁的锚点处产生应力，并且该应力改变了PZR的电阻，这可以使用惠斯通电桥电路来测量．在本文结果所依据的初始实验装置中，将一个纵向的PZRLR（下标LR代表装置的右下侧）连接到三个与PZR值相同的外部电阻R1、R2和R3上，构成惠斯通电桥电路结构．三个外部电阻R3中的一个是可变电阻，用于调节惠斯通电桥电路．图3b显示了PZRLR的放大视图，而图3c显示了惠斯通电桥电路配置，用于将PZRLR的电阻变化转换为电压输出Vout，并使用3 V的直流电压输入Vin进行偏置．

图3.（a）电热驱动方法和压阻传感原理图；（b）PZRLR放大图；（c）用于测量输出信号的惠斯通电桥电路.

为了理解温度的影响，器件通过施加2 Hz交流信号在动态模式下驱动，该信号具有2,3,4,5和6 Vpp的不同施加电压，分别对应于40、50、60、70和80°C的不同工作温度,根据电阻温度系数（TCR）测量结果[34]，而相对湿度在60%RH到95%RH之间变化，步幅为5%RH．为了研究在不同输入频率下操作传感器装置对其灵敏度的影响，在动态模式下，在60%RH至95%RH的相同范围内，通过施加2 Hz至20 Hz的不同输入频率,振幅为6 Vpp,以电热方式驱动该装置．

此外，还使用标准湿度传感器（PASPORT湿度/温度/露点传感器PS-2124A）测量了室内传感器的响应、恢复和重复性，该传感器用于验证结果．通过施加一个振幅为5 Vpp的2赫兹交流信号，该装置再次在动态模式下运行，并且将室内的相对湿度设定为从68%RH变化到95%RH．一旦室内湿度达到95%RH设定点，室门就会突然打开，导致湿度水平从95%相对湿度突然下降到环境湿度．接下来，再次关闭试验箱，试验箱内的湿度从环境湿度增加到95%RH．这些实验步骤重复三次，以观察传感器的响应、恢复、重复性和稳定性，并将数据连续记录在计算机中．

  1. 结果和讨论

图5a显示了器件背面的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像，表明SCS的成功蚀刻留下约15mu;m的SCS以限定MEMS结构．图5b显示了成功释放的设备的正面．

图5.CMOS-MEMS器件的FESEM图像（a）背面；（b）正面[35].

图6a显示了采用滴涂法成功沉积在其板上的具有纳米颗粒大小的二氧化钛膏体的CMOS-MEMS湿度传感器的FESEM图像；图6b是在板上的二氧化钛贴片上的FESEM显微照片的放大图，显示了二氧化钛的纳米颗粒的多孔分布；图6c显示了二氧化钛的EDX光谱．EDX光谱中观察到的碳峰来自用于形成膏体的粘合剂材料．板上二氧化钛的多孔结构增加了其表面积，因此有望提高其在水分子表面的吸附/解吸反应中的灵敏度．

图6.（a）CMOS-MEMS装置的FESEM图像，其板上沉积有二氧化钛膏体；（b）放大了二氧化钛纳米颗粒的FESEM显微照片．（c）板上二氧化钛的EDX光谱.

图7显示了设备的输出电压，当设备以4 Hz的频率在6 Vpp的电压下工作时，以5％RH的步长增加和降低湿度从35％RH到95％RH，相当于板上的温度为80°C．发现最大滞后在80％RH下为0.87％RH，表明滞后相对较低，这使得该装置在实时测量中具有很高的优势．当湿度从35％RH增加到95％RH时，湿度传感器的输出电压从0.585 mV增加到30.580 mV．观察到从0.585mV至3.250mV呈线性关系，湿度从35％RH增加到60％RH，灵敏度为0.107mV /％RH，如图8a所示，并且再次线性为3.250mV至30.580mV湿度水平从60％RH增加到95％RH，灵敏度为0.781 mV /％RH，如图8b所示．

图7.工作温度为80°C时的输出电压与相对湿度的关系，对应于4 Hz频率下施加的6 Vpp电压．

图8.CMOS-MEMS湿度传感器的输出电压与相对湿度水平的变化从（a）35%RH到60%RH；（b）60%RH到95%RH.

图9显示了当器件在2 Vpp至6 Vpp的各种施加电压下工作时，器件输出电压的测量结果与60％RH至95％RH的线性区域内相对湿度的关系（对应于不同的工作温度为40°C至80°C），频率为2 Hz．观察到，对于不同的操作温度，装置的输出电压随着湿度的增加而增加．图表的斜率表明灵敏度在较高温度下有所改善，如图10所示，其中灵敏度从0.102 mV /％RH线性增加到0.501 mV /％RH，温度从40°C增加到80°C．由于随着温度的升高，在TiO2表面上的湿度检测中气态物质（例如H２O）的解吸增强，因此预期这种灵敏度随温度的增加．在较高温度下，更多的气态物质从传感器表面解吸，导致板和TiO2的质量总体上降低，从而振动结构的振幅增加．

图9.在2 Hz的恒定频率下，在2 Vpp至6 Vpp（对应于40°C至80°C的不同工作温度）的各种施加电压下的输出电压与相对湿度的关系.

图10.CMOS-MEMS湿度传

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