CN102043000B - 湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种湿度传感器，该湿度传感器在衬底(2)上具有至少一个带有传感器区域(5、5′)的电位传感器和至少一个控制电极(7)。所述控制电极(7)与被构型成可对所述控制电极(7)施加可变控制电压的信号源相连接。在所述传感器区域(5、5′)上设置透湿性的、介电常数与湿度有关的传感器层(12)。所述控制电极(7)如此邻近所述传感器层(12)，使得所述电位传感器的电位测量信号与所述控制电压和所述湿度有关。所述电位传感器与分析处理装置相连接以便基于所述电位测量信号来求得所述湿度。所述控制电极(7)在所述衬底(2)的延伸平面的俯视图中设置在所述传感器区域(5)侧旁。

Description

湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种湿度传感器，该湿度传感器在衬底上具有至少一个带有传感器区域的电位传感器和至少一个控制电极，所述控制电极与被构型成可对所述控制电极施加可变控制电压的信号源相连接，其中，在所述传感器区域上邻近所述控制电极设置透湿性的、其介电常数与湿度有关的传感器层，其中，所述控制电极如此邻近所述传感器层，使得所述电位传感器的电位测量信号与所述控制电压和所述湿度有关，并且，所述电位传感器与分析处理装置相连接以便基于所述电位测量信号来确定湿度。
背景技术
由EP 1176418A2公开了一种这种类型的湿度传感器。该湿度传感器具有半导体芯片，该半导体芯片中集成有场效应晶体管作为电位传感器。该场效应晶体管在半导体衬底中具有漏极和源极，在该漏极与源极之间形成通道区域作为对电位敏感的传感器区域。在通道区域上设置对气体敏感的、与湿度无关地可极化并且其介电常数与湿度有关的传感器层。该传感器层由多孔的透气的材料制成。在该传感器层上设置控制电极，该控制电极同样是多孔的和透气的并且完全覆盖该传感器层和侧向邻接该传感器层的钝化层。为了测量湿度，首先对该控制电极施加电压，以便确定相对介电常数的与湿度有关的变化。随后，根据测得的变化来确定湿度。该湿度传感器具有缺点：在其生产过程中，在将传感器层施加到通道区域上之后需要另一生产步骤，在该生产步骤中将多孔的金属化施加到该传感器层和侧向邻接该传感器层的钝化层上作为控制电极。该金属化必须保持附着在该传感器层和钝化层上。由此，在选择用于金属化和传感器层的材料时会产生一定的限制。此外还不利的是，仅能够使用多孔的、透气的层作为金属化。
发明内容
因此，产生该任务：提供一种开头部分所述类型的、可成本有利地生产的湿度传感器。
该任务由此实现：控制电极在衬底延伸平面的俯视图中在侧面安置在传感器区域旁边。
即，在衬底延伸平面的垂直投影中，控制电极设置在传感器层侧旁和/或在该传感器层下方、该传感器层与衬底之间，而不覆盖该传感器层。有利地，由此在湿度传感器的生产过程中在施加了传感器层之后不需要将其他层施加到该传感器层上。即，传感器层可被构型为直接与环绕湿度传感器的大气相接触的覆盖层。因此，控制电极也可以由不能或者仅能困难地透湿的材料制成。因此，根据本发明的湿度传感器在湿度发生变化时能够实现湿度测量信号的快速响应。
有利地，控制电极环形地环绕传感器区域。由此，可变的控制电压或可变的电位能够更好且更均匀地对传感器层起作用，例如其方式在于，位于传感器层中的偶极子通过电位变化来定向或者通过电荷移动来感应。也与湿度有关的该电荷移动可以借助电位传感器来电容性地检测。
在本发明的一个优选的实施方式中，传感器层完全覆盖控制电极。那么，电位传感器的电位测量信号在很大程度上对湿度传感器上出现的脏污是不敏感的。这种类型的脏污主要在湿度传感器较长工作时间之后很难避免。此外，可以更容易且更成本有利地生产湿度传感器。
在控制电极与传感器层之间可以设置电绝缘层。在此情况下，如此选择该绝缘层的厚度或者控制电极与传感器层之间的距离，使得由控制电压产生的电场穿过该绝缘层电容性地对该传感器层起作用。此传感器层又电容性地与电位传感器的传感器区域相耦合。通过该绝缘层，电位测量信号对湿度传感器上的脏污更不敏感。该绝缘层可以是在湿度传感器的生产过程中通过控制电极与空气中的氧气相接触所产生的天然绝缘层。
在本发明的一个有利的构型中，传感器层由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成或者包含聚甲基丙烯酸甲酯。那么，湿度传感器能够实现特别高的测量灵敏度。
有利地，电位传感器是场效应晶体管，该场效应晶体管具有第一载流子类型的半导体衬底，在该半导体衬底上设置第二载流子类型的漏极和源极，并且，在漏极与源极之间设有形成传感器区域的通道区域。借助该场效应晶体管可以高欧姆地测量可变电位。该场效应晶体管的通道区域优选直接设置在传感器层的下方并且由此能够实现在很大程度上对EMV作用不敏感的测量信号获取以及紧凑的湿度传感器尺寸。
在本发明的另一个构型中，传感器区域由优选面状的测量电极形成，该测量电极通过印制导线与场效应晶体管的栅电极和/或高欧姆测量放大器的输入端相连接。该场效应晶体管的通道区域或者该测量放大器也可以设置在传感器区域侧旁。
在一个优选的实施方式中，如此构型信号源，使得该信号源能够产生具有至少一个跃变点的控制电压，尤其是产生矩形电压。那么，就可以以简单的方式在分析处理装置中分析处理电位传感器的电位测量信号。但是，本发明并不限于使用具有跃变点的控制电压。原则上，控制电压可以具有任意的、不同于直流电压信号的信号变化曲线。那么在分析处理装置中，必须相应地用电位测量信号例如通过使电位测量信号与控制电压相关来计算出控制电压的信号变化曲线对电位测量信号的影响。
有利地，该信号源和分析处理装置被集成在衬底中。那么，湿度传感器还可以更成本有利地生产并且此外能够实现非常紧凑的尺寸。
附图说明
下面根据附图来进一步说明本发明的实施例。附图示出：
图1：湿度传感器的第一实施例的横截面，
图2：湿度传感器的俯视图，
图3：在对控制电极施加控制电压期间，湿度传感器的两个在不同的相对湿度情况下绘出的电位测量信号的图解示图，其中在横坐标上示出时间t并且在纵坐标上示出电位测量信号S或控制电压，以及
图4：湿度传感器的第二实施例的横截面。
具体实施方式
湿度传感器具有半导体芯片1，该半导体芯片具有第一载流子类型的衬底2。在衬底2中集成有构型为场效应晶体管的电位传感器。如图1中可见：该电位传感器具有第二载流子类型的漏极3和源极4，该漏极和源极作为沟槽被置入衬底2中。在漏极3与源极4之间设置通道区域，该通道区域用作用于测量电位变化的传感器区域5。在衬底2上设置电绝缘层6，该电绝缘层6除了设置有电连接触点的位置外一直延伸经过漏极3、源极4和传感器区域5。绝缘层6可以例如是氧化层。
在绝缘层6上设有由导电材料制成的控制电极7，该控制电极在图2中所示的、衬底2的延伸平面的俯视图中设置在传感器区域5侧旁。清晰可见的是：控制电极7被构型为环绕传感器区域5的环形电极。该控制电极7在其背离衬底2的表面8上以及在其内周面9和外周面10上以电绝缘层11涂覆，该电绝缘层可以例如是天然的氧化层。
在传感器区域5的上方，在绝缘层6上设置透湿性的、介电常数与湿度有关的传感器层12。该传感器层12优选由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
传感器层12不中断地延伸经过绝缘层6的由控制电极7环绕的第一表面区域、经过控制电极7以及经过绝缘层6的在外侧环绕控制电极7的大致环形的第二表面区域。图1中可见：控制电极7在其背离衬底2的表面8上以及其内周面9和外周面10上完全由传感器层12覆盖。在此情况下，控制电极7通过绝缘层11与传感器层12电绝缘。
控制电极7通过集成在半导体芯片1中的印制导线与图中未详细示出的信号源相连接。借助该信号源可以在衬底2与控制电极7之间施加可变的控制电压，优选施加具有预定频率和预定振幅的矩形电压。控制电极7如此与传感器层12邻近，使得由控制电压产生的电场穿过绝缘层11延伸至传感器层12中并且使位于传感器层中的载流子极化。
借助该电位传感器来电容性地以电位测量信号13a、13b的形式测量该与控制电压和湿度有关的极化(图3)。为了根据电位测量信号13来确定湿度，电位传感器与在图中未详细示出的分析处理装置相连接。该分析处理装置可以集成在半导体芯片1中。
在图3中可见：在控制电压中出现跃变点之后，电位测量信号13a、13b也具有相应的跃变点。此外可见：当相对湿度变化时，电位测量信号13a、13b在控制电压保持相同变化曲线14的情况下移动了一个偏移量15。当湿度增大时，电位测量信号13a、13b的量值增大，并且当湿度减小时，电位测量信号13a、13b的量值减小。
对于偏移量15，可以根据相对湿度例如以特征曲线的形式或者以特征曲线族的形式提供参考值，为该特征曲线族存储样本。然后可以根据电位测量信号13a、13b以及这些参考值来确定相对湿度，以便例如在分析处理装置中产生与相对湿度成比例的模拟信号和/或相应的数字信号。
在图4中所示的实施例中，传感器区域5′由面状的测量电极形成，该测量电极与控制电极7隔开间距地设置在传感器层12的下方并且通过印制导线16与一栅电极18相连接，该栅电极设置在场效应晶体管的、位于漏极3′与源极4′之间的通道区域17的上方。清晰可见的是：该场效应晶体管在由传感器区域5′、控制电极7、绝缘层11和传感器层12构成的组件的侧旁集成在半导体芯片1的衬底2中。

Claims (13)

1.湿度传感器，该湿度传感器在衬底(2)上具有至少一个带有传感器区域(5、5')的电位传感器和至少一个控制电极(7)，所述控制电极(7)与被构型成可对所述控制电极(7)施加可变控制电压的信号源相连接，在所述传感器区域(5、5')上设置传感器层(12)，其中，所述控制电极(7)如此邻近所述传感器层(12)，使得所述电位传感器的电位测量信号与所述控制电压和所述湿度有关，并且，所述电位传感器与分析处理装置相连接以便基于所述电位测量信号来求得所述湿度，其特征在于，所述控制电极(7)在所述衬底(2)的延伸平面的俯视图中设置在所述传感器区域(5)侧旁，其特征在于，所述传感器层是透湿性的并且其介电常数是与湿度有关的，并且所述传感器层(12)完全覆盖所述控制电极(7)。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述控制电极(7)环形地环绕所述传感器区域。
3.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述传感器层(12)不中断地延伸经过绝缘层(6)的由控制电极(7)环绕的第一表面区域。
4.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，在所述控制电极(7)与所述传感器层(12)之间设置电绝缘层(11)。
5.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述传感器层(12)由聚甲基丙烯酸甲酯制成或者包含聚甲基丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述电位传感器是场效应晶体管，该场效应晶体管具有第一载流子类型的半导体衬底(2)，在所述半导体衬底(2)上设置第二载流子类型的漏极(3)和源极(4)，并且，在所述漏极(3)与所述源极(4)之间设置形成所述传感器区域(5)的通道区域。
7.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述传感器区域(5')通过测量电极形成，所述测量电极通过印制导线(16)与场效应晶体管的栅电极(18)和/或高欧姆测量放大器的输入端相连接，其中，所述场效应晶体管的通道区域或者所述测量放大器被设置在该传感器区域侧旁。
8.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述信号源被如此构型，使得所述信号源能够产生具有至少一个跃变点的控制电压。
9.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述信号源与所述分析处理装置集成在所述衬底(2)中。
10.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，位于传感器区域(5、5')的所述传感器层(12)与控制电极(7)相比具有更大的高度。
11.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述传感器层(12)覆盖绝缘层(6)的在外侧环绕控制电极(7)的大致环形的第二表面区域。
12.根据权利要求7所述的湿度传感器，其特征在于，所述测量电极被面状地构造成。
13.根据权利要求8所述的湿度传感器，其特征在于，所述控制电压是矩形电压。
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