CN101932928B - 集成的相对湿度传感器的电容平衡的改进结构 - Google Patents
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Abstract
一种改进的相对湿度传感器装置，其在水冷凝存在下提供更精确的湿度测量。串联电容传感器包括半导体衬底上的薄多孔铂顶板、湿敏聚酰亚胺电介质、和两个金属底板。所述两个电容器可用导线串联，使得所述金属底板形成独立的电驱动连接。所述薄顶层可形成顶板。湿度变化影响湿敏电介质，从而引起电容值的变化。P阱层和P+层被添加到衬底周边以形成由水冷凝引起的寄生电容的连接到一个或多个连接节点的通道，从而避免在水冷凝存在下错误的湿度测量。
Description
技术领域
实施例涉及基于半导体晶片的器件。实施例还涉及相对湿度传感器。实施例另外涉及精确测量湿度的相对湿度传感器结构。
背景技术
湿度在各种工业和商业应用中具有非常重要的作用。监测和控制湿度对各种系统的可靠操作是非常重要的。例如，固态半导体器件在当今电大多数电子部件中获得应用。利用半导体工艺制作基于半导体的传感器。湿度传感器仅代表一类获得有用的工业应用的基于半导体的传感器。例如，现代的制作工艺通常需要测量对应于露点在-40℃和180℃之间或相对湿度在1％和100％之间的湿气含量。同时还需要可用于在这些工艺中有效测量气态环境中非常少的湿气含量的耐久、紧凑高效的湿气检测器。
多种技术可用于测量湿度。在基于半导体的系统中，例如，基于聚合材料的可逆水吸收特性测量湿度。水吸收进传感器结构中引起活性聚合物的许多物理变化。这些物理变化可转换成电信号，该电信号与聚合物中水浓度相关，进而与包围聚合物的空气中的相对湿度相关。两个最常见的物理变化是电阻变化和介电常数变化，其可分别转换成电阻变化和电容变化。然而，已经发现，用作电阻部件的元件具有如下缺点，即由于进行电阻测量所需的元件中的电流的原因，存在由热耗散引起的固有耗散效应。结果包括错误读数及其它问题。
构造成近似纯电容的元件避免了电阻元件的缺陷。然而在该电容元件的结构中重要的是避免这样的元件的某些结构产生的问题。另外，还存在在高相对湿度值下引起的不准确性，其中高水含量由于过压力和产生的元件的部件中的机械移位导致了问题。通过使元件的部件部分变薄，可以发现上述问题可以避免，并且电容型元件可提供对最大可能的湿度范围以及最大可能的温度、压力和其他环境变量的范围内的相对湿度含量的快速、精确测量。
一般地，传统的电容湿度传感器可包括半导体衬底和一对形成在半导体衬底表面上并面对面隔开特定距离的电极。湿敏膜还可以置于电极之间，并形成于半导体衬底表面。膜的电容响应于湿度而变化。传感器通过检测该对电极之间的电容响应于周围湿度变化的变化来检测湿度。膜电容响应于湿度而变化，传感器通过检测电极间的电容相对于周围湿度变化的变化来检测湿度。
电容感测型的湿度感测元件通常包括非湿敏和非导电结构，适当电极元件安装或沉积在所述结构上，同时还有介电的高湿敏材料层或涂层覆盖所述电极并且设置为能够从周围气氛中吸收水并且短时间内达到平衡。电容湿度传感器通常通过在衬底材料上沉积几层材料来制备。
参照图1，图示为现有技术的基于半导体的湿度传感器100的基本部件的透视图。半导体湿度传感器100一般制作在硅衬底110上。活性(active)传感器部件包括各自的底和顶导电板120、140，夹有湿度感测介质130，例如聚合物。聚合物材料对湿度敏感，其导电性质(如电阻和/或电容)随其吸收湿气或随其干燥而变化。底板和顶板120、140可电连接至传感器电路(即，图1中未示出)。保护层150用于保护传感器活性(active)部件(如，顶板140和感测介质130)免遭碎片160影响。顶板140可设计为多孔的，从而使得湿气能从关注的外部环境170(也就是，所关注的监测环境)中进入感测介质。
参照图2，图示为现有技术的相对湿度传感器200的剖面侧视图。图2中所示实例湿度传感器200包括衬底210。绝缘材料220可作为衬底210和各自第一与第二底部电容器板240，245之间的缓冲区。第一底部电容器板240电连接至第一连接器230。第二底部电容器板245电连接至第二连接器235。感测介质260通常设置在第一和第二底部电容器板240、245的顶部。然后将多孔铂顶部电容器板250设置在感测介质260顶部。保护层255也可设置于顶板250上面用于保护顶板250和感测介质层260。两个电容器Cx1和Cx2示意地示出在第一底部电容器板240和顶部电容器板250和第二底部电容器板245和顶部电容器板250之间的感测介质260中的各自的位置。间隔/阻挡部265可在第一和第二底部连接板240，245之间以形成Cx1和Cx2的串联电容器配置。
如在图2所示的现有技术中，电容器Cx1可包括共用的顶板250(对Cx1和Cx2共用)，并且第一底部电容器板240进一步与第一电触头270电接触。电容器Cx2通常包括作为其第一触头的共用的顶板250和第二底部电容器板245，第二底部电容器板245进一步与第二电触头275电接触。还图示了寄生电容器Cct，其可位于顶板250和硅衬底210之间。响应于周围湿度的变化的电极对之间的总电容可通过如下等式(1)表达：
CTotal＝(CX1×CX2)/(CX1+CX2+Cct) (1)
当传感器的活性区的表面温度降到环境气体的周围露点以下时，会发生冷凝。即使表面温度暂时降到周围露点下，在传感器或任何表面上就可形成水的冷凝。当在湿度水平95％以上操作时，传感器附近小的温度波动都可不知不觉的引起冷凝。由于这个原因，传感器从冷凝或湿润的恢复期比其正常的时间响应要长得多。
如图2所示，与现有技术的电容湿度传感器例如诸如传感器200相关联的问题在于传感器上液体水的冷凝形成了相对于衬底210的具有寄生电容CW的电容通道225。这种影响使得总电容值Ctotal降低，因此产生一个错误的低湿度值。在水冷凝的情况下，总电容值可用等式(2)表示如下：
CTotal＝(CX1×CX2)/(CX1+CX2+Cct+CW) (2)
如等式(2)所示，总电容值CTotal由于水冷凝的存在而降低，这导致不准确的湿度测量。
存在各种被设计来防止感测表面上的冷凝的封装技术。这些是有用的，但是成本和封装上的限制不能总考虑这些解决方案。因此，需要另外的避免冷凝的不利影响而不需要对封装进行修改的解决方案。现有发明通过在电路中实施该解决方案而不需要增加成本实现的。这通过修改电路以使得由水冷凝产生的寄生电容被改道到电路的不同部分而实现的。
基于前述，可以相信存在对使由于冷凝所致的寄生电容通道改道以提供更精确的湿度测量的改进的相对湿度传感器的需要。
发明内容
提供如下的概述以便于理解对于公开的实施例来说是独特的一些创新性特征，但如下的概述并不意图于是完全描述。可通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体来获得对本发明各个方面的充分认识。
因此，本发明一方面提供了改进的传感器方法和系统。
本发明另一方面提供了一种在水和/或湿气冷凝存在下相对湿度传感器的电容平衡的改进结构。
如本文所描述的那样，现在可实现上述各方面和其他目的和优势。公开了一种在水冷凝存在下更精确测量湿度的改进的相对湿度传感器。所述相对湿度传感器一般包括一对间隔插入其间的电极以在硅衬底上形成串联感测电容器，氧化硅膜配置在表面上。可提供湿敏结构以便覆盖氮化硅膜插入其间的该对电容器板。P阱和P+层可被添加到衬底周边以形成由水冷凝引起的寄生电容的连接到感测电容器的一个节点的通道。由于P阱和P+层已经包含在在普通的制备步骤中，所以不需要产生来包括在传感器裸芯周边附近的这些层的额外的成本。
所述两个电极之间形成的电容根据周围的湿度而变化。本文公开的所述湿度感测电容器结构设计因此可提高感测元件上水冷凝存在情况下的总电容值，因此给出更准确的湿度测量。所述结构和P阱和P+层可利用在现有相对湿度传感器中通常使用的标准硅晶片处理技术来制备。本发明提出的改进结构在晶片制备工艺流程中仅使用光掩膜的变化来实现，因此不产生额外的处理费用。
附图概述
附图进一步说明实施例，并且结合具体实施方式用来解释本文所公开的实施例，在附图中遍及各个单独的视图类似的参考标号指代相同的或功能类似的元件，附图并入说明书中并且构成其一部分。
图1所示为现有技术湿度传感器；
图2所示为现有技术湿度传感器的剖面侧视图；和
图3所示为根据优选实施例的改进的相对湿度传感器装置的剖面侧视图。
具体实施方式
在这些非限制性的实例中讨论的典型值和配置可变化并且被引用仅用于说明至少一个实施例而并不意图于限制实施例的范围。
参照图3，根据优选实施例，图示为改进的相对湿度传感器装置300的剖面侧视图。应当理解存在未在图中描述的传感器的其他集成部件。图3所示湿度传感器装置300可用于空调中的湿度控制或出于天气观测目的而用于检测湿度。然而，可以理解，取决于设计目标和考虑，也可以实现湿度传感器装置300的大量其他应用。如图3所示，N-型硅衬底310可用作半导体衬底310。可在半导体衬底310上形成氧化硅膜320作为第一绝缘膜。第一和第二电极330和335配置在氧化硅膜320的同一面上，以便彼此相对并且间隔365插入在它们之间。
可使用能够在普通半导体制备设备中采用的材料形成第一和第二电极330和335。这样的材料可以是，例如，Al、Ti、Au、Cu、多晶硅和类似物。在一典型实施例中，氮化硅膜336可形成在第一绝缘膜320上并且在电极330和335周围作为第二绝缘层。然而，可以认为，在其他实施例中除氮化硅外的其他材料可用于实现膜336。氮化硅膜336可通过等离子CVD法或其他类似方法形成，使其在半导体衬底310上整个区域具有相同的厚度。
如图3所示，电极对330和335配备有第一电触头370和第二电触头375，通过它们电极330和335分别连接到用于检测电极对330和335之间的感测电容的变化的信号处理电路(图3未示出)。另外，根据这样的实施例，电容型湿度传感器装置300可形成在半导体衬底310上，这样，用于检测电容型湿度传感器装置300的变化的信号处理电路可形成在半导体衬底310的主表面上。
具有根据湿度变化的介电常数的感测介质360可形成在电容器板340，345和氮化硅层336上。可形成允许水透过的多孔铂顶板350以便覆盖湿度感测介质360。当水渗透到湿度感测介质360时，湿度感测介质360的介电常数根据水量而变化。
结果，该对板340、345和顶部多孔板350以及作为介电材料部分的湿度感测介质360构造了由CX1和CX2表示的串联感测电容器。湿度可基于电极对330和335之间的感测电容进行检测，这是由于湿度感测介质360中包含的水量对应于电容型湿度传感器装置300周围的环境湿度。
如上所述，根据湿度感测介质360的湿度变化的电极对330和335之间的电容变化可随相对湿度增加而增加。
P阱层390(即，第二半导体衬底的实例)可形成在硅半导体衬底310的表面上。P+层380分散在P阱层上。P阱层390和P+层380可通过在掩埋氧化层320的下面注入合适的掺杂剂制备。所述层也可通过使用硅晶片制备中常用的标准硅晶片处理技术制备。
P阱层390和P+层380形成由水冷凝引起的寄生电容CW的连接到感测电容器CX1(即，感测介质360的感测电容器CX1)的一个节点的通道325。相对湿度感测电容器CX1和CX2可使用常用于配置现有相对湿度传感器的标准硅晶片处理技术制备。P阱层390和P+层380的形成可通过在晶片制备工艺流程中利用光掩膜变化来实现。
吸湿性大分子有机材料可用作湿度感测介质360。典型的，可使用聚酰亚胺或丁酸乙酰纤维素(butyric acetyl cellulose)或类似物。在这样的实施例中，感测介质360可由聚酰亚胺组成。当分子水吸收进膜360中时，膜360的介电常数根据吸收的水分子的量而变化，由于水分子具有高的介电常数，这因此引起检测电极330和335之间的电容变化。湿敏膜360位于半导体衬底310上之处的区域构成湿度感测部360。也就是，环境湿度可基于检测电极330和335之间形成的电容经由湿度感测部360检测。
响应于周围湿度的变化的电极对330和335之间的总电容可通过等式(3)的形式表达如下：
CTotal＝(CX1×CX2)/(CX1+CX2+Cct) (3)
由于水冷凝的存在总电容值通过等式(4)给出：
CTotal＝((CX1+CW)×CX2)/((CX1+CW)+CX2+Cct) (4)
如等式(4)所示，由于寄生电容CW通道被改道到感测电容器CX1，传感器上存在水冷凝时的总电容值CTotal增加，这提供了更准确的湿度测量。
大体上，形成传感器装置300的方法可按如下所述实现。半导体衬底，第一绝缘体层可形成在半导体衬底上，连同形成在第一绝缘体层上的第二绝缘体层。然后在半导体衬底周边上形成P+层和P阱，其中P+层和P阱层形成由水冷凝引起的寄生电容的连接到感测电容器的至少一个节点的通道。一对触头可与形成在第一绝缘体层上的电容器板连同形成在第二绝缘体层上的一对电容器板相关联，其中所述电容器板对用形成在它们之间的间隔彼此隔离。
湿敏电介质层可形成在第二绝缘体层和该电容器板对上，其中湿敏层的相对介电常数根据湿度而变化，从而一对串联电容根据湿度而另外地变化，因此提供了对湿度的提高精确的测量。另外，多孔导电板可配置在湿敏电介质层上，其中所述多孔导电板包括相对于该电容板对的公用顶板。在多孔导电板上形成保护层，其中所述保护层保护所述公用顶板和湿敏层。第一绝缘体层可构成氧化硅，第二绝缘体层可以是氮化硅。P+层和P阱层可利用标准的硅晶片处理技术制备。
所公开器件可用于感测传感器附近的周围环境中的相对湿度。操作过程中，可以感检测相对湿度水平，然后所述传感器产生与相对湿度成比例的电压输出。然后可由其他电路使用该电压来实现如下功能，例如，相对湿度控制，建筑物HVAC、天气感测仪器中焓控制，用于干燥的过程控制，成批或任何连续生产中的过程控制，其中相对湿度是控制过程输出的参数或与将受控的某些过程变量、干燥应用和其他应用中循环的长度或终止相关。
将认识到上述公开的变体和其他的特征和功能或其替代方案可以按需要地结合进许多其他不同的系统或应用中。各种当前未预知或为预期的替代方案、修改、变体或改进也可以由本领域技术人员在以后作出，其也意图于由下面的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种改进的相对湿度传感器装置，包括：
半导体衬底和形成在所述半导体衬底上的第一绝缘体层连同形成在所述第一绝缘体层上的第二绝缘体层；
形成在所述半导体衬底周边上的P+层和P阱层，其中所述P+层和所述P阱层形成由水冷凝引起的寄生电容的连接到感测电容器的至少一个节点的通道；
一对触头，其与形成在所述第一绝缘体层上方的电容器板连同形成在所述第二绝缘体层上的电容器板对相关联，其中所述电容器板对用它们之间形成的间隔彼此隔离；和形成在所述第二绝缘体层和所述电容器板对上的湿敏电介质层，其中所述湿敏电介质层的相对介电常数根据湿度而变化，以致一对串联电容根据所述湿度而另外地变化，从而提供对所述湿度的提高的精确测量。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括形成在所述湿敏电介质层上的多孔导电板，其中所述多孔导电板形成相对于所述电容器板对的公用顶板。
3.如权利要求2所述的装置，进一步包括：
位于所述多孔导电板上的保护层，其中所述保护层保护所述公用顶板和所述湿敏电介质层。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一绝缘体层包含氧化硅。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第二绝缘体层包含氮化硅。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述第一绝缘体层包含氧化硅并且所述第二绝缘体层包含氮化硅。
7.一种改进的相对湿度传感器装置，包括：
半导体衬底和形成在所述半导体衬底上的第一绝缘体层连同形成在所述第一绝缘体层上的第二绝缘体层；
形成在所述半导体衬底周边的P+层和P阱层，其中所述P+层和所述P阱层形成由水冷凝引起的寄生电容的连接到感测电容器的至少一个节点的通道；
一对触头，其与形成在所述第一绝缘体层上方的电容器板连同形成在所述第二绝缘体层上的电容器板对相关联，其中所述电容器板对用它们之间形成的间隔彼此隔离；
形成在所述第二绝缘体层和所述电容器板对上的湿敏电介质层；
形成在所述湿敏电介质层上的多孔导电板，其中所述多孔导电板包括相对于所述电容器板对的公用顶板；和
位于所述多孔导电板上的保护层，其中所述保护层保护所述公用顶板和所述湿敏电介质层，其中所述湿敏电介质层的相对介电常数根据湿度而变化，以致一对串联电容根据所述湿度而另外地变化，从而提供对所述湿度的提高的精确测量。
8.一种形成改进的相对湿度传感器装置的方法，包括：
提供半导体衬底和在所述半导体衬底上形成的第一绝缘体层连同在所述第一绝缘体层上形成的第二绝缘体层；
在所述半导体衬底周边形成P+层和P阱，其中所述P+层和所述P阱层形成由水冷凝引起的寄生电容的连接到感测电容器的至少一个节点的通道；
将一对触头与形成在所述第一绝缘体层上方的电容器板连同形成在所述第二绝缘体层上的电容器板对相关联，其中所述电容器板对用它们之间形成的间隔彼此隔离；和
在所述第二绝缘体层和所述电容器板对上形成湿敏电介质层，其中所述湿敏电介质层的相对介电常数根据湿度而变化，以致一对串联电容根据所述湿度而另外地变化，从而提供对所述湿度的提高的精确测量。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
在所述湿敏电介质层上配置多孔导电板，其中所述多孔导电板包含相对于所述电容器板对的公用顶板；和
在所述多孔导电板上设置保护层，其中所述保护层保护所述公用顶板和所述湿敏电介质层。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一绝缘体层包含氧化硅并且第二绝缘体层包含氮化硅。
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