CN103018289A

CN103018289A - 一种电容式湿度传感器

Info

Publication number: CN103018289A
Application number: CN2013100022326A
Authority: CN
Inventors: 黄见秋; 任青颖; 黄庆安
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: CN103018289B

Abstract

本发明公开了一种电容式湿度传感器，包括由衬底、介质层和金属电极层构成的检测电容；检测电容呈悬臂梁结构状，其中，介质层设在衬底上，金属电极层位于介质层上；金属电极层上还设有湿度敏感应变层。本发明提供的电容式湿度传感器，其结构简单，加工方便，并且还具有线性度好、温度漂移小、响应速度快、敏感电容损耗小、寄生电容小以及易与CMOS工艺兼容等优点。

Description

一种电容式湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于标准CMOS工艺的微电子机械系统电容式湿度传感器，尤其涉及一种具有悬臂梁结构的电容式湿度传感器。

背景技术

湿度传感器在汽车工业、航空航天、医学、军事、气象检测、环境卫生、生物科学、信息技术等领域有着广泛的应用潜力。其发展由最初的干湿球湿度计、毛发湿度计等传统的湿度传感器到目前可以采用标准CMOS工艺制造的微型湿度传感器（包括电容式、电阻式、压阻式、光学式等类型）。无论是电阻式湿度传感器还是基于硅基集成湿度传感器，其自加热效应常会影响测量精度，如在室温下，当工作电流超过300uA时就应该考虑自加热效应。这些都制约了它们在微型化高端电子产品中的应用，如硅基IC电路中可用于实现湿度传感器的集成电阻器，但一般线性度较差，很难满足高精度应用的需求。

在商用领域中，电容式湿度传感器应用最为广泛，这是因为电容式湿度传感器灵敏度高、制造成本低、动态响应时间短、热损耗极小等特点。目前，主要的电容式湿度传感器有两种，一种是叉指电容式湿度传感器，这种传感器可以和CMOS工艺兼容，但是，由于敏感电容较小，且寄生电容大，不利于测量，另一种是三明治结构的湿度传感器，这种传感器将感湿材料至于敏感电容极板之间作为感湿介质，虽然灵敏度高，寄生电容小，但是响应速度慢，不易与CMOS工艺兼容。上述的电容式湿度传感器利用感湿材料（如聚酰亚胺）吸收水份后介电常数变化引起敏感电容变化进而表征湿度变化。由于感湿材料介电常数随湿度的非线性变化特性使得传感器的具有较强的非线性，此外，在高湿区感湿材料漏电现象严重，因此呈现出较大的损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中电容式传感器非线性强、高湿区损耗大以及不易与CMOS工艺兼容等上述缺陷，提供一种结构简单、加工方便、线性度好、温度漂移小、响应速度快、敏感电容损耗小、寄生电容小以及易与CMOS工艺兼容的电容式湿度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电容式湿度传感器，包括由衬底、介质层和金属电极层组成的检测电容；检测电容呈悬臂梁结构状，其中，介质层设在衬底上，金属电极层位于介质层上；金属电极层上还设有湿度敏感应变层。

本发明所述具有悬臂梁结构的电容式湿度传感器的工作原理为：在本发明所述技术方案中，所述电容式湿度传感器包括呈悬臂梁结构状的检测电容，该检测电容是由衬底、介质层和金属电极层组成的三明治结构的固态电容器，其中，介质层设在衬底上，金属电极层设在介质层上，除此之外，金属电极层上还设有湿度敏感应变层。当湿度敏感应变层吸湿后，其形状会发生变化，进而引起悬臂梁结构状的检测电容发生形变，此时，介质层也会产生形变，由于电致伸缩增强效应，介质层的介电常数也会发生相应变化，导致所述电容式湿度传感器的电容值改变，从而实现湿度测量功能。

本发明利用聚酰亚胺吸水后膨胀使得敏感电容发生形变，敏感电容中弹性固体敏感介质形变后，面积和厚度都将发生变化，此外，在应力作用下介电常数也发生变化，因此敏感电容变化，由于感湿材料不直接作为敏感介质材料，因此所述电容式湿度传感器的线性度更好，敏感电容损耗更小，且相比于叉指电容式湿度传感器，本发明的敏感电容更大，寄生电容更小，有利于测量；相比于传统三明治结构的电容式湿度传感器，本发明具有较好的CMOS工艺兼容性，并且由于感湿材料直接和空气接触，因此响应速度更快。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，介质层为固体弹性电介质层。本发明所述技术方案采用固体弹性电介质层代替了传统电容式传感器极板之间的空腔，形成了导体极板/固体弹性电介质/导体极板结构的三明治结构的固态电容器，这样有助于提高所述电容式湿度传感器的线性度，并且保证比较小的温度漂移。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，固体弹性电介质层为二氧化硅层、氮化硅层或二氧化硅与氮化硅的复合介质层。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，湿度敏感应变层为聚酰亚胺感湿层。在本发明所述技术方案中，感湿材料为淀积于金属电极层上的聚酰亚胺，它具有灵敏度高、线性度、滞回特性好以及长期可靠等优点；且在本发明所述技术方案中，聚酰亚胺感湿层不是作为敏感电容介质层，而是作为形变材料，故可提高线性度，还能大大降低敏感电容的损耗，并有助于减小寄生电容。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，金属电极层为铝电极层。综合所选取金属中的成本、制作工艺的实现方式以及与CMOS工艺的兼容性来说，铝都是优选的金属种类，成本低廉，且可以简化制作工艺，更为重要的是选用铝金属，有益于加强所述电容式湿度传感器与CMOS工艺的兼容性；除此之外，在所述电容式湿度传感器的制作工艺过程中，其他电极，比如说下极板压焊块和上极板压焊块等均采用铝金属制作，这样可以简化所述电容式湿度传感器的结构，且加工更加方便。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，衬底为N型重掺杂硅衬底。

另外，在本发明所述技术方案中，凡未作特别说明的，均为本技术领域中的现有技术。

因此，本发明的有益效果是提供了一种具有悬臂梁结构的电容式湿度传感器，其结构简单，加工方便，并且还具有线性度好、温度漂移小、响应速度快、敏感电容损耗小、寄生电容小以及易与CMOS工艺兼容等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所述电容式湿度传感器的结构示意图；

现将附图中的标号说明如下：1为衬底，2为介质层，3为金属电极层，4为湿度敏感应变层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明优选实施例如下：

如图1所示，本实施例所述电容式湿度传感器包括呈悬臂梁结构状的检测电容，该检测电容由衬底1、介质层2、金属电极层3和湿度敏感应变层4构成；其中，介质层2设在衬底1上，金属电极层3位于介质层2上，而湿度敏感应变层4设在金属电极层3表面。

在本实施例中，衬底1选用N型重掺杂硅衬底，介质层2采用由二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅的复合介质制成的固体弹性电介质层，湿度敏感应变层4为聚酰亚胺感湿层，金属电极层3为铝电极层。

本实施例所述电容式湿度传感器的制作过程如下：首先，选用低阻硅作为衬底1，在其上热生长氧化硅

作为介质层2，通过光刻工艺刻蚀成形出检测电容的金属电极层3。通过双面对准光刻，刻蚀背面氧化硅，以氧化硅为掩模材料由TMAH进行体硅各型异性腐蚀，PN结自停止，为形成空腔做准备。在正面利用旋涂法旋涂一层聚酰亚胺，光刻聚酰亚胺，亚胺化，形成聚酰亚胺感湿层，最后对正面光刻，以光刻胶为掩模材料干法刻蚀释放悬臂梁结构，得到空腔以及悬臂结构状的检测电容。

在本实施例中，衬底1、金属电极层3以及介质层2构成悬臂梁结构状的检测电容，当湿度敏感应变层4吸湿后形状会发生变化，则会引起电容发生形变，而介质层2由于电致伸缩增强效应，使得其介电常数发生变化，进而引起所述电容式湿度传感器的电容值改变，实现湿度测量功能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种电容式湿度传感器，其特征在于，包括由衬底（1）、介质层（2）和金属电极层（3）构成的检测电容；所述检测电容呈悬臂梁结构状，其中，所述介质层（2）设在衬底（1）上，金属电极层（3）位于介质层（2）上；所述金属电极层（3）上还设有湿度敏感应变层（4）。

2.根据权利要求1所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述介质层（2）为固体弹性电介质层。

3.根据权利要求2所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述固体弹性电介质层为二氧化硅层、氮化硅层或二氧化硅与氮化硅的复合介质层。

4.根据权利要求1所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感应变层（4）为聚酰亚胺感湿层。

5.根据权利要求1所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述金属电极层（3）为铝电极层。

6.根据权利要求1所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述衬底（1）为N型重掺杂硅衬底。