[发明专利]一种具有真空腔的微机电系统露点传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器领域，特别涉及了一种具有真空腔的微机电系统露点传感器及其制造方法。

背景技术

露点仪的测量原理为：用等压冷却的方法使气体中的水蒸气冷却至凝聚相出现，或通过控制冷面的温度，使气体中的水蒸气与水的平展表面呈热力学平衡状态，准确测出此时的温度，即为该气体的露点温度。

 MEMS是微机电系统的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS器件具有集成度高、功能强、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、热常数低等优点。

论文Silicon Dew Point Hygrometer Model，Proceedings of the 18th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference,Volume 3,2001中介绍了一种基于MEMS技术的露点仪方案。该方案利用MEMS工艺，在膜片上形成温度传感器和加热电阻，温度传感器与反射镜面连接更紧密，可提高温度测量精度。冷镜式露点仪在工作时，经常需要加热其反射镜面。加热电阻用来加热反射镜面。比如当气体湿度突然升高时，需要迅速升高镜面温度。与传统的冷镜式露点仪相比，基于MEMS技术的冷镜式露点仪反射镜面下方的膜片很薄，其厚度可低至微米数量级，因此可以降低所需加热电阻的功率。

但是这种设计也有一定的局限性。一般地，光斑中心在膜片上反射镜面的中心。膜片上可能有应力，其应力可能来自膜片的材料缺陷，反射镜面材料与膜片热膨胀系数等物理参数的不匹配，在膜片上的温度传感器，加热电阻，引线，膜片上的绝缘层，以及基片与制冷器热膨胀系数等物理参数的不匹配也都有可能存在应力。如果膜片呈现出张应力，则膜片通常会绷紧，反射镜面中心部分一般仍可保持与硅片表面平行，反射光总体上可以保持原来的方向，对测量影响较小。如有压应力，则膜片的弯曲形状通常具有一定的随机性，反射镜面中心部分也有较大的概率难以保持和硅片表面平行，反射光方向会变得不确定，影响光探测器的正常接收。如果基片与制冷器直接相连，基片上的压应力和制冷器的收缩都有可能使反射镜面发生随机性不规则的轻微变形，导致反射光方向偏转，影响仪器的检测精度。这种空腔结构还可能会导致空腔内结露，从而容易吸附灰尘等污染物，不利于清洗。此外，这种结构的反射镜面下方的空腔内有空气，在加热反射镜面时，热量会向膜片背面流失，影响热量利用率。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种具有真空腔的MEMS露点传感器及其制造方法，创造性增加了真空腔结构，避免反射镜面的不规则变形，提高露点仪的检测精度。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案是：

一种具有真空腔的微机电系统露点传感器，包括光源、光电探测器、测控电路和传感器主体。传感器主体包括第一基片、膜片、第一绝缘层、至少一个温度传感器、至少一个加热电阻、第二绝缘层、反射镜面、第二基片和制冷器。第一基片的正面刻蚀形成膜片，第一绝缘层置于膜片的正面，温度传感器和加热电阻分别置于第一绝缘层的正面，第二绝缘层置于第一绝缘层的正面并能够掩埋温度传感器和加热电阻，反射镜面形成于第二绝缘层的正面，第二基片键合于第一基片的背面且两者之间形成真空腔，制冷器与第二基片的背面连接。光源和光电探测器分别置于反射镜面的上方，使光斑处于反射镜面中心,反射镜面将光源发出的入射光进行反射后由光电探测器接收。测控电路分别与光源、光电传感器、温度传感器、加热电阻和制冷器连接。

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键合，而且硅和玻璃导热性能良好，便于传递能量。

上述的第一绝缘层和第二绝缘层均采用二氧化硅或氮化硅制备而成。

本发明还包含一种用于制造上述露点传感器的方法，其步骤包括：

a.    采用体加工工艺在第一基片的背面刻蚀出方形开口空腔和在第一基片的正面刻蚀出膜片；

b.    采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)工艺在第一基片上的膜片上制备第一绝缘层，第一绝缘层可以是二氧化硅或者氮化硅；

c.    涂一层光刻胶覆盖在第一绝缘层表面；

d.    制作覆盖在光刻胶表面的，用于接下来形成温度传感器和加热电阻的掩膜；

e.    通过掩模，光刻留下作为温度传感器和加热电阻的图形；