CN103134837B - 具有集成加热器的可调湿度传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有集成加热器的可调湿度传感器。根据一个实施方式，一种电容式湿度传感器包括第一电极、湿度敏感电介质层以及第二电极。该湿度敏感电介质层位于所述第一电极和第二电极之间。该湿度敏感电介质层在选择的区域被刻蚀以在所述第一电极和所述第二电极之间形成中空区域。

Description

具有集成加热器的可调湿度传感器

技术领域

本公开涉及湿度传感器领域。本公开尤其涉及电容式湿度传感器。

背景技术

湿度感测在很多领域中都是重要的。在很多应用中，控制湿度水平是有益的。在其他应用中，简单地知道湿度水平是有益的。在很多制造环境中，相对湿度不上升高到某一水平以上是重要的，否则正在制造的产品可能受到不利地影响。在很多科学环境中，在执行实验时要考虑相对湿度。当处理某些类型的集成电路时，可以在清洁室环境中及各种沉积腔室和处理设备中，均密切监控或控制湿度水平。

湿度传感器具有各种形式。湿度传感器可以包括电阻式湿度传感器、热传导湿度传感器、电容式湿度传感器以及其他湿度传感器。也可以使用薄膜技术制造湿度传感器。薄膜技术已经减小了湿度传感器的尺寸和成本。然而，针对特定应用具有特定设计需求的湿度传感器仍可能是非常昂贵的。

发明内容

一个实施方式是一种电容式湿度传感器，其包括第一电极、第二电极以及在第一和第二电极之间的湿度敏感电介质层。湿度敏感电介质层在第一和第二电介质层之间具有不均匀厚度。湿度敏感电介质层的不均匀厚度在第一和第二电极之间留下中空部分。第二电极中的开口使得湿度敏感电介质层暴露于环绕电容式湿度传感器的环境。环境中的湿润空气进入湿度敏感电介质层。湿度敏感电介质层的介电常数随着水汽进入湿度敏感电介质层而变化。当湿度敏感电介质层的介电常数变化时，第一和第二电极之间的电容变化。第一和第二电极的电容因此指示环绕电容湿度传感器的环境中的湿度。

在一个实施方式中，第一电极包括与之连接的接触区域。接触区域配置成使得电流经过第一电极。电流在第一电极中产生热，且加热湿度敏感电介质层以将湿气从湿度敏感电介质层释放。

一个实施方式是一种用于形成电容式湿度传感器的方法。该方法包括在衬底上形成第一电极、在第一电极上形成湿度敏感电介质层以及在湿度敏感电介质层上形成第二电极。该方法还包括在第二电极中形成开口，且以选择长度的时间各向同性地刻蚀湿度敏感电介质层。各向同性刻蚀去除了第一和第二电极之间的湿度敏感电介质层的部分，在第一和第二电极之间留下中空空间。各向同性刻蚀的持续时间越长，第一和第二电极之间的中空空间越大。第一和第二电极之间的基本电容根据湿度敏感电介质层的体积与第一和第二电极之间的中空空间的体积的比例而变化。通过选择各向同性刻蚀的持续时间，可以选择电容式湿度传感器的基本电容。

环境中的湿润空气通过第二电极中的开口进入湿度敏感电介质层。湿度敏感电介质层的介电常数随着水汽进入湿度敏感电介质层而变化。当湿度敏感电介质层的介电常数变化时，第一和第二电极之间的电容变化。第一和第二电极的电容因此指示环绕电容湿度传感器的环境中的湿度。

附图说明

图1是根据一个实施方式的电容式湿度传感器的剖面图。

图2是根据一个实施方式的电子设备的框图。

图3是根据备选实施方式的电子设备的框图。

图4A是根据一个实施方式在制造的中间阶段的电容式湿度传感器的剖面图。

图4B示出图4A的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有在底部电极上形成的湿度敏感电介质。

图4C示出图4B的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有湿度敏感电介质上的钝化层。

图4D示出图4C的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有在钝化层上形成的顶部电极。

图4E示出图4D的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有在顶部电极中形成的开口。

图4F示出图4E的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有顶部电极上的钝化层。

图4G示出图4F的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有钝化层以及在钝化层中形成的开口。

图4H示出图4G的电容式湿度传感器，根据一个实施方式具有在湿度敏感电介质中形成的中空部分。

图5是根据一个实施方式的电容式湿度传感器的底部电极的顶视图。

图6是根据一个实施方式的电容式湿度传感器的顶部电极的顶视图。

图7是根据一个实施方式沿着线7-7截取的图5的电容式湿度传感器的剖面图。

图8是根据一个实施方式沿着线8-8截取的图5的参考电容器的剖面图。

图9是根据一个实施方式的电容式湿度传感器和参考电容器的顶视图。

图10是根据一个实施方式包括两个传感器电容器和两个参考电容器的电容式湿度传感器的顶视图。

图11是根据备选实施方式包括两个传感器电容器和两个参考电容器的电容式湿度传感器的顶视图。

图12是根据一个实施方式的电容式湿度传感器封装的俯视透视图。

图13示出根据一个实施方式用于形成电容式湿度传感器的过程。

图14是根据一个实施方式的电容与相对湿度的关系的图表。

具体实施方式

图1示出根据一个实施方式的电容式湿度传感器20。电容式湿度传感器20是包括底部电极22和顶部电极24的电容器。湿度敏感电介质层26布置在底部电极22和顶部电极24之间。中空空间28形成在湿度敏感电介质层26中。中空空间28的一部分正好定位在底部电极22和顶部电极24之间。开口29形成在顶部电极24中。

电容式湿度传感器20输出指示周围环境中的湿度的电容信号。电容器的电容根据以下关系变化：

C～ε×A/d

其中C是电容，ε是电容器的电极之间的电介质材料的介电常数，A是电容器的电极的重叠面积，且d是电容器的电极之间的距离。因而，电容器的电容正比于电容器的极板之间的电介质材料的介电常数ε。电容器的极板之间的电介质材料的介电常数越高，电容器的电容将越高。

每个电介质材料具有该材料特定的介电常数。一些材料的介电常数根据环境状况而变化。例如，一些电介质材料具有随着温度、压力、电场频率或湿度的波动而变化的介电常数。一些电容器在两个电极之间具有多种电介质材料。这种电容器的电容将包括来自每个电介质材料的电容分量。

图1的电容式湿度传感器20是具有底板22的电容器，该底板22通过中空袋部28中的湿度敏感电介质材料26和空气的组合而与顶板24分开。与如果底部电极22和顶部电极24之间的空间被电介质材料26完全填充时将具有的电容相比，电容器20具有更小的电容。这是因为空气的介电常数低于电介质材料26的介电常数。

顶部电极24中的开口29允许空气从环绕电容式湿度传感器20的环境进入到中空区域28并与湿度敏感电介质层26接触。湿度敏感电介质层26从空气吸收水分。当湿度敏感电介质层26从空气吸收湿度时，湿度敏感电介质层26的介电常数增加。当湿度敏感电介质层26的介电常数增加时，湿度敏感电容器20的电容也增加。当空气的湿度增加时，湿度敏感电介质材料吸收更多的湿气。因而，通过测量电容式敏感传感器20的电容，可以获得环绕电容式湿度传感器20的空气中的湿度的测量值。

因为电容式湿度传感器20的总电容依赖于湿度敏感电介质层26贡献的电容部分和空气袋部28贡献的部分二者，所以电容式湿度传感器20的电容的范围可以通过增加或减小顶板24和底板22之间的中空袋部28的尺寸来调节。如果位于顶板24和底板22之间的中空空间28的体积较大，则电容式湿度传感器20的电容较低。在一些应用中，希望针对电容式湿度传感20选择特定基本电容值(在0％湿度的电容值)。通过在底部电极22和顶部电极24之间形成较大或较小中空部分28，可以容易地在电容式湿度传感器20的制造期间调节电容式湿度传感器20的基本电容。

在一个实施方式中，使用薄膜工艺(诸如在形成集成电路中使用的工艺)形成电容式湿度传感器20。在用于形成电容式湿度传感器20的薄膜工艺中，在绝缘衬底层上形成第一薄膜导电层22且在第一薄膜导电层上沉积湿度敏感电介质层26。然后，在湿度敏感电介质层26的顶部上形成第二薄膜导电层24。在第二导电薄膜层24中形成开口29。

然后通过孔29刻蚀湿度敏感电介质层26。如果刻蚀是各向同性的，它在孔29下面的垂直方向以及薄膜金属层22、24之间的水平方向两个方向中去除湿度敏感电介质层26。如果刻蚀是各向异性的，刻蚀将是垂直的且将具有与开口29相同的宽度。通常，各向同性刻蚀是优选的，因为其将对材料26的介电常数中的变化产生大得多的影响。从刚好位于第一和第二导电膜22、24之间的湿度敏感电介质层26去除的材料的量将影响电容式湿度传感器20的电容。因而，在第二导电薄膜24中形成开口29之后，可以通过选择将要刻蚀的湿度敏感电介质层26的特定的材料量，来选择电容式湿度传感器20的电容。对于特定刻蚀化学剂，较长持续时间的刻蚀将在顶部电极24和底部电极22之间刻蚀更多的湿度敏感电介质层26。较短时间的刻蚀将在顶部电极24和底部电极22之间刻蚀较少的湿度敏感电介质层26。备选地，可以改变刻蚀参数而不是刻蚀持续时间，以便选择电容器的特定电容值。例如，沉积腔室中的压力、沉积腔室中的气体流速、沉积腔室中的温度、刻蚀化学剂或其他参数均可以改变，以选择电容式湿度传感器20的电容的特定目标值。

在一个实施方式中，湿度敏感电介质层26是聚酰亚胺。聚酰亚胺的介电常数从0％湿度时的2.9变化到100％的湿度的3.4。在形成电容器湿度传感器20时，可以使用其他合适的湿度敏感电介质层。与该申请相关的湿度敏感材料是指介电常数随着湿度变化而变化的材料。

在进行成功的湿度测量时，如果湿度减小，在湿度下降和水分离开电介质26之间存在时间滞后。在一些情况下，湿度敏感电介质层26吸收的水分含量可能需要花费一些时间离开湿度敏感电介质层26。因而，可能的情况是：湿度的测量值可能错误地高，因为湿度已经在先前被湿度敏感电介质层26吸收且仍未离开。环绕电容式湿度传感器20的空气的湿度可能在湿度敏感电介质层26的湿度仍未相应下降时已经下降，因为先前吸收的水分仍未被排出。除此之外，在电容器湿度传感器20的电容的测量时可能出现滞后效应。换句话说，当湿度敏感电介质层26从空气吸收湿气时，介电常数将沿着第一曲线增加。但是当湿度减少时，湿度敏感电介质层26的介电常数并非沿着相同的曲线减小。因此，针对环绕电容式湿度传感器20的环境中的相同的实际湿度水平，电容式湿度传感器20可能给出两个不同读数。由于该原因，希望能够在电容器湿度传感器20的电容的每次读取之后快速从湿度敏感电介质层排出湿气含量。

因此，在一个实施方式中，底部电极22也是加热元件。底部电极22配置成产生热且加热湿度敏感电介质层26。当湿度敏感电介质层26被加热时，湿气含量从湿度敏感电介质层26排出。湿度的后续测量将不会被滞后或不被湿度敏感电介质层26中剩余的过高湿度而错误地影响。在一个实施方式中，电流经过底部电极22。电流导致底部电极22产生热且加热湿度敏感电介质层26且从湿度敏感电介质层26排出湿气含量。

尽管描述了用于形成电容式湿度传感器20的特定材料、加热元件、结构和工艺，但是根据本公开的原理，可以使用其他特定结构、工艺和材料。所有这种材料、工艺和结构均落在本公开的范围内。

图2示出根据一个实施方式的电子设备30。电子设备30包括：传感器电容器20，该传感器电容器30是如结合图1所述的电容式湿度传感器20；参考电容器32；以及电接触34。传感器电容器20感应环绕电子设备30的空气中的湿度，且提供指示环绕电子设备30的空气中的湿度的电容信号。参考电容器32是类似于传感器电容器20的电容器，只不过电介质层不暴露于开放空气。该电容因此是恒定的且不随湿度变化。在一个实施方式中，并未在湿度敏感电介质层26中形成中空部分28。也未在参考电容器32的湿度敏感电介质层26中形成开口29。

参考电容器32的电容独立于湿度。控制电容式信号独立于湿度，因为在参考电容器32中并未形成开口29而是被密封以阻挡周围空气与湿度敏感电介质材料26接触。参考电容器32因此给出恒定控制电容信号。

电接触34连接到传感器电容器20和参考电容器32。电接触34从传感器电容器20和参考电容器32接收电容信号且向可以连接到电学设备30的处理电路输出这些信号。为简单起见，在图2中未示出处理电子电路。

在一个实施方式中，电子设备30是独立的集成电路封装。在集成电路管芯上形成传感器电容器20、参考电容器32和电接触34。电接触34可以包括位于集成电路管芯的顶部上的接触焊盘、连接到集成电路封装30的焊球、引线框架的引线、引脚网格阵列的引脚以及任意其他合适的电接触。包括传感器电容器20的集成电路封装30可以方便地安装在电气系统中，该电气系统可以处理传感器电容器20和参考电容器32产生的电容信号且输出环绕集成电路封装30的空气中的湿度的测量值。

图3是根据一个实施方式的电子设备的框图。电子设备30包括传感器电容器20、参考电容器32、模拟-数字转换器36和微控制器38。传感器电容器20和参考电容器32均耦合到模拟-数字转换器36。传感器电容器20输出指示环绕电子设备30的环境中的湿度的模拟湿度信号。模拟-数字转换器36从传感器电容器20接收模拟湿度信号，且将模拟湿度信号转换成数字湿度信号。模拟-数字转换器36向微控制器38输出数字湿度信号。微控制器38接收来自模拟数字转换器36的数字湿度信号且计算环绕电子设备30的环境中的湿度值。微控制器38在计算湿度值时参考在微控制器38中的存储器中存储的校准表。微控制器38可以将数字湿度与存储在校准表中的值进行比较，且基于数字湿度信号和存储在校准表中的值来计算、核算或者估算湿度信号值。

参考电容器32也向模拟-数字转换器36输出模拟参考信号。模拟参考信号是来自参考电容器32的参考电容信号。模拟-数字转换器36将模拟参考电容器信号转换成数字参考电容器信号，且向微控制器38输出数字参考电容器信号。

电容式湿度传感器20的电容可能受除了湿度外的因素影响。温度、压力或其他因素均可以影响电容式湿度传感器20的电容。参考电容器32帮助在基于电容式湿度传感器20估算湿度时维持精确性。参考电容器的电容也受温度、压力和除湿度外的因素影响。因此，如果参考电容器具有比期望值更高或低的值，则最终的湿度测量值可以考虑到电容式湿度传感器20的电容可能高于或低于单独基于湿度计算的值。

微控制器38在根据数字湿度信号计算湿度值时参考数字控制信号。在一个实施方式中，数字控制电容器信号用作微控制器38的基本参考信号。微控制器38可以在校准表中存储数字控制电容器信号的值。微控制器38然后可以在根据数字湿度信号计算湿度值时考虑数字控制电容器信号的值或该信号中的波动。微控制器38然后可以通过电接触34向显示设备或耦合到电子设备30的任意其他外围设备输出湿度值。微控制器38还可以通过接触34接收输入命令、请求以及电源电压。在一些实施方式中，湿度值被同一电子设备30上的其他电路使用。在这些情况中，信号被发送到设备30上的其他位置且不需要通过接触34离开。

在一个实施方式中，电子设备30是集成电路封装。集成电路封装包括集成电路管芯，该集成电路管芯中包括传感器电容器20、参考电容器32、模拟-数字转换器36以及微控制器38。模拟数字转换器36和微控制器38可以由在集成电路管芯中形成的晶体管形成。晶体管可以由位于集成电路管芯中的单晶半导体衬底且通过集成电路管芯中的金属互连层和电介质层形成。可以在半导体衬底上方的集成电路管芯的上部中形成传感器电容器20和参考电容器32。可以在集成电路管芯中制作开口，以使传感器电容器20暴露于环绕集成电路封装30的空气。电接触34可以是接触焊盘、引线框的引线、焊球、引脚网格阵列的引脚或任意其他合适的电接触。关于包括电容式湿度传感器、微控制器和模拟-数字转换器的集成电路封装的形成的更多细节，可以在US申请号13/285,911、13/285,894、13/285,867中找到，此处并入这些申请的全部内容以作参考。尽管结合图3描述了特定组件和连接，但是可以使用包括计算方案、转换方案、模拟信号和数字信号的很多其他特定配置而不偏离本公开的范围。用于将两个电容器的值进行相互比较且基于差值输出信号的很多电路如今在本领域中是已知的，且其中任意一个可以用在此处的感测电路中。例如，在一个实施方式中，传感器电容器20和参考电容器22耦合到比较器电路，该比较器电路输出指示两个电容器之间的电容值差值的单个信号。该单个信号然后可以用于对应于湿度值。在本实施方式中，比较器电路在A-D转换器之前直接耦合到电容器20和23。

图4A示出在中间加工阶段的电容器湿度传感器20。导电材料薄膜层22在电介质极板40上形成。薄膜层22是电容式湿度传感器20的底部电极。底部电极22被构图且刻蚀，以形成露出电介质衬底40的一部分的开口41。

在一个示例中，电介质层40是约1μm厚的二氧化硅层。在一个示例中，底部电极22是约厚的钽铝层。钽铝层22可以通过诸如溅射的物理汽相沉积工艺来沉积，或通过用于沉积导电材料薄膜的任意其他合适工艺沉积。电介质衬底40可以在半导体衬底(未示出)上形成。半导体衬底可以包括晶体管。电介质衬底40可以包括连接到晶体管的金属互连，这些晶体管是模拟-数字转换器36和微控制器38的一部分。

在图4B中，湿度敏感电介质层26在底部电极22上形成，且接触电介质衬底40的露出部分。湿度敏感电介质26具有根据湿度敏感电介质层26吸收的湿度含量而变化的介电常数。在一个示例中，湿度敏感电介质层26是约8μm厚的聚酰亚胺层。聚酰亚胺不良地附连到底部电极22的钽铝。这是在底部电极22中形成开口41以露出电介质衬底40的一个原因。聚酰亚胺26接触电介质衬底40的二氧化硅且相对强地与电介质衬底40附连。开口41和底部电极22可以介于5和10μm宽且可以是圆的、方形或其他形状。聚酰亚胺层26通过化学汽相沉积工艺沉积。聚酰亚胺层26也可以通过任意其他合适的工艺形成。用于形成聚酰亚胺层的这种工艺对于本领域技术人员而言是已知的，且所有这种合适的工艺均落在本公开的范围内。在一个实施方式中，刻蚀的聚酰亚胺26具有在0％湿度约2.9且在100％湿度约3.4的介电常数。可以使用比此处的描述具有更低或更高介电常数的不同类型的聚酰亚胺。

备选地，湿度敏感电介质层26可以是不同于聚酰亚胺的材料。可以使用任意合适的湿度敏感电介质材料。所有这种合适的湿度敏感电介质材料均落在本公开的范围内。在一些情况下，如果电介质26与电极22具有足够的粘合度，则附连开口41不是必须的。

如图4C所示，电介质层42沉积在湿度敏感电介质层26上。电介质层42例如是约厚的磷硅酸盐玻璃层。备选地，电介质层42可以是诸如二氧化硅、氮化硅或任意其他合适的电介质材料的任意其他合适的电介质层。

如图4D所示，薄膜导电层24沉积在电介质层42上。薄膜导电层24是电容式湿度传感器20的顶部电极。在一个示例中，顶部电极24是位于约厚的钛钨阻挡层上的约厚的铝层。备选地，取代铝或钛钨，可以使用其他合适的导电材料和阻挡层。所有这种合适的导电材料均落在本公开的范围内。

如图4E所示，顶部电极24被构图且刻蚀以形成露出电介质层42的开口29。在一个实施方式中，开口29正好在底部电极22中的开口41上方形成。顶板24、底板22以及顶板和底板24、22之间的电介质层42、26形成的电容器20的面积A部分地通过顶部电极24和底部电极22的重叠区域确定。在顶部电极24和底部电极22中刻蚀的开口29、41并未贡献于电容器20的电容。因此，顶部电极24中形成的开口29与底部电极22中形成的开口41对准是有利的。顶部电极24中的开口41与底部电极22中的开口29具有近似相同的尺寸。因此，在一个实施方式中开口29约为5至10μm宽。备选地，形成稍大于开口29的开口41以允许用于形成开口41和开口29的掩膜之间的一些错位可能是有利的。

在一个实施方式中，开口29中很少(如存在)将实际与孔径41对准。相反，在一个实施方式中，孔径29将超过如图1的电极表面且不超过开口41。

如图4G所示，在顶部电极24和电介质42的露出部分上形成电介质层46。在一个示例中，电介质层46是约1μm厚的磷硅酸盐玻璃层。磷硅酸盐玻璃46用作电容式湿度传感器20的钝化层。电介质层46和电介质层42被各向异性刻蚀，以露出湿度敏感电介质层26的一部分。可以通过执行适当时间长度的任意合适的工艺(包括干法刻蚀或湿法刻蚀)来刻蚀电介质46和电介质42。

如图4H所示，湿度敏感电介质层26通过开口29被各向同性刻蚀。因为湿度敏感电介质层26被各向同性刻蚀，在顶部电极24和底部电极22之间形成中空部分28。各向同性刻蚀留下基本半圆剖面的中空部分28。图4H中的电容器20的电容低于图4G中的电容器20的电容。这是因为湿度敏感电介质层26一定程度地被底部电极22和顶部电极24之间的空气替代。空气的介电常数是1且低于湿度敏感电介质层26的介电常数。因此，顶部电极24和底部电极22之间的空气的体积越大，电容器20的电容越小。

湿度敏感电介质层26可以通过干法等离子体刻蚀各向同性地刻蚀。干法等离子体刻蚀也可以通过反应离子体刻蚀补充。等离子体刻蚀的持续时间、等离子体刻蚀的压力以及执行等离子体刻蚀的温度均影响去除聚酰亚胺26的程度。通过简单地改变各向同性刻蚀聚酰亚胺26的等离子体刻蚀的时间、压力或温度，可以选择电容器20的电容值。电容式湿度传感器20的制造商因此可以以很少的成本或在没有额外的成本得的情况下提供具有客户选择的电容定制的电容式湿度传感器20，这是因为无需沉积新掩膜或层，仅改变一个或更多刻蚀参数。在一个实施方式中，各向异性刻蚀电介质层46、42的刻蚀各向同性刻蚀湿度敏感电介质层26。备选地，在与各向异性刻蚀电介质层46、42的刻蚀分开的刻蚀中，刻蚀湿度敏感电介质层26。

因为湿度敏感电介质层26通过开口29暴露于空气，湿度敏感电介质层26可以从空气吸收湿气。湿度敏感电介质层26的介电常数根据从空气吸收的湿气的量变化。电容器20的电容的测量值给出空气中湿度含量的指示。纯聚酰亚胺具有约3.2范围内的介电常数。纯水具有约80范围内的介电常数。因此，即使当少量水被电介质聚酰亚胺吸收时，此变化也是可测量的。

包括空气和聚酰亚胺二者作为电极之间的电介质的电容式湿度传感器20在70％至100％的相对湿度的频谱中提供更好的精确性。在顶部电极24和顶部电极22之间仅包括聚酰亚胺的电容式湿度传感器20在从0％到100％的相对湿度的整个范围内具有相对小的斜率变化的电容。然而，包括空气和湿度敏感电介质层26的组合的电容式湿度传感器20在70％至100％的相对湿度范围内具有增加的几乎指数的斜率。

调节聚酰亚胺的敏感区域的一个优选方法是控制中空区域28的尺寸和电极42下方的底切量。使用很少的底切或没有底切，传感器在20％至60％的湿度范围中具有更高的灵敏度，而使用剩余50％以上的聚酰亚胺的大底切，最大灵敏度处于70％至100％的湿度范围中。因此可以基于刻蚀的深度和去除的材料的量调节灵敏度的最佳点。本湿度传感器因此是有利的，因为可以在不使用附加掩膜的条件下容易地且低成本调节灵敏度。

图4H的电容式湿度传感器20对于两个极板之间的电荷变化也是高度敏感的。这允许亚pF电容变化被精确地测量。因为亚pF电容可以被精确地测量，电容式湿度传感器20的尺寸可以很小。电容器20可以足够小以具有约2pF的电容。尽管此处描述了用于底部和顶部电极22、24、湿度敏感电介质层26和电介质层42、46的特定材料，但根据本公开的原理可以使用任意合适的材料。尽管描述了各种层的特定厚度和开口的宽度，但根据本公开的原理，可以使用任意合适的厚度和宽度。尽管描述了特定结构和刻蚀的序列，但根据本公开的原理，可以使用任意合适的结构和刻蚀。

图5是传感器电容器20的底板22a和前面描述的参考电容器32的底板22b的顶视图。底板22a、22b由相同的金属层形成。金属层沉积在电介质衬底40(未示出)上且被构图和刻蚀以形成底部电极22a、22b。底部电极22a、22b例如是钽铝。在一个实施方式中，底部电极22a与底部电极22b相同。因为底部电极22b是参考电容器32的底部电极，希望参考电容器32在所有方面均与传感器电容器20相同，只不过它并未暴露于湿气且在参考电容器32中没有空气袋部28。底部电极22a具有接触区域50a、50b。接触区域50a、50b接触此处进一步描述的金属通孔。如前所述，底部电极22a可以用作加热元件，以从湿度敏感电介质层26释放湿气含量。电压可以施加在接触区域50a、50b两端，以使电流通过传感器电容器20的底部电极22a。当电流经过传感器电容器20的底部电极22a时，底部电极22a产生热且加热底部电极22a上方的湿度敏感电介质层26。当湿度敏感电介质层26被加热时，其中吸收的湿气含量被快速地释放。当湿度敏感电介质层26的湿气含量已经被释放时，在它返回到周围温度的复位时间周期之后，可以执行电容器20的电容的后续测量，且提供环境中空气的湿度的更精确的指示。

在一个实施方式中，针对其电学属性和制造的简便性选择底部电极22，诸如多晶硅或具有少量Cu和Si的合金。针对其加热属性选择的另外材料处于电极22下方。在该实施方式中，电极22仅用作电容器的极板且加热器处于极板22下方。加热器耦合到大电流源且可以快速地加热到高温。因为电容器极板22由诸如铝或多晶硅的热传导材料制成，且加热器位于其下方，热容易传输到聚酰亚胺26。

通过在电极22下方提供分开的加热器层，这些部件中的每个可以构建为分别执行其所需功能——加热和作为电极，因而改善了每个部件的特性且电路的整体操作。例如，如果使用分开的专门加热器，则与使用作为加热器和电极二者的电极22相比，可以使用较少的电流更快速地实现较高的温度。

在一些实施方式中，在加热器和服务电极之间存在薄电介质绝缘体，以确保它们完全电隔离，而在其他实施方式中，它们彼此直接电接触且在加热器工作时电极22不能用作电容器极板。

接触区域50c由与底部电极22a、22b相同的金属层形成，但是与电极22a、22b电隔离。接触区域50c与此处描述的顶层24电接触。参考电容器32的底部电极22b包括接触区域50d、50e。接触区域50f由与底部电极22a、22b相同的金属层形成，但是与电极22a、22b电隔离。因为参考电容式湿度传感器20中的湿度敏感电介质层26不从空气吸收湿气，因此无需在接触50d、50e之间传递电流。

图6是传感器电容器20的顶部电极24a和参考电容器32的顶部电极24b的顶视图。顶部电极24a、24b由相同的金属层形成。金属层沉积在电介质层42上，被构图和刻蚀以留下如图6所示的顶部电极24a、24b。传感器电容器20的顶部电极24a包括接触区域52a。接触区域52a与金属通孔电学接触，这允许从顶部电极24a读取信号。接触区域52b与金属通孔接触，且允许从参考电容器32的顶部电极24b读取信号。

图7是沿着图5的剖面线7-7截取的传感器电容器20的剖面图。在图7中，如前所述，传感器电容器20的底部电极22a与电介质层40重叠(或在备选实施方式中与分开的加热器重叠)。底部电极22a被构图且刻蚀以形成露出电介质衬底40的部分的开口41。接触区域50a是底部电极22a电接触金属轨迹54a的区域。金属轨迹54a电连接到通孔56a。在接触区域50b，用于形成底部电极22a的金属层的金属接触金属轨迹54b。在接触区域50a，金属轨迹54b接触传感器电容器20的顶部电极24a。顶部电极24a与通孔56b电接触。金属轨迹54a、54b例如是约厚的铝铜合金轨迹。金属轨迹54a、54b包含约98％的铝和约2％的铜。根据本发明的原理，可以使用其他合金和化合物形成金属轨迹54a、54b。通孔56a、56b也由铝铜合金形成。通孔56a、56b允许从电容器湿度传感器20的顶部向底板22a和顶板24a形成电接触。接触焊盘34可以在金属通孔56a、56b的顶部上形成。

如前所述，空气可以通过开口29进入以接触湿度敏感电介质层26。湿度敏感电介质层26从空气吸收湿气，且其介电常数改变。传感器电容器20的电容随着湿度敏感电介质测定层26的介电常数的变化而变化。而且，底部电极22a和顶部电极24a之间的电容部分地基于电极24a、22a之间的空气的量。根据本公开的原理，可以使用其他形状、结构和材料。

图8是沿着图5的线8-8截取的参考电容器32的剖面图。参考电容器32基本等同于图7的传感器电容器20。参考电容器32的底部电极22b在接触区域50d接触金属轨迹54c。金属轨迹54c与金属通孔56c电接触。参考电容器32的顶部电极24b在接触区域52b接触金属轨迹54d和金属轨迹56d。参考电容器32的电容可以通过通孔56c、56e测量，通孔56c、56e电连接到参考电容器32的顶部电极24b和底部电极22b。参考电容器32与传感器电容器20之间的主要差异在于并未刻蚀电介质层46、43以在其中形成开口29。仅在参考电容器32的顶部电极24b中形成开口29。湿度敏感电介质层26并未暴露于周围环境，且因此参考电容器32的电容将不随湿度的变化而变化。

图9是作为电容式湿度传感器的传感器电容器20和参考电容器32的顶视图。仅示出用于形成电容器20、32的底部电极22和顶部电极24a、24b的金属层。在图9中，单个底部电极22用作用于参考电容器32和传感器电容器20的底部电极。顶部电极24a在底部电极22的一部分上方形成。参考电容器32的顶部电极24b在底部电极22的分开的部分上方形成。如前所述，底部电极22中的开口41形成为允许湿度敏感电介质层26(未示出)附连到底部电极22下方的电介质衬底40。在传感器电容器20的顶部电极24a以及参考电容器32的顶部电极24b中已经形成开口29。传感器电容器20中的开口29将湿度敏感电介质层26暴露于周围环境。仅示出传感器电容器20的顶部电极24a中的开口29中的湿度敏感电介质层26。实际上，湿度敏感电介质层26将覆盖整个底部电极22。在参考电容器32的顶部电极24b的孔29中未示出湿度敏感电介质层26，因为顶部电极24b中的顶板中的开口29并未露出湿度敏感电介质层26。尽管在图9中没有示出，还正好在顶部电极24a和顶部电极24b二者的孔29下方形成孔41。

在一个实施方式中，顶部电极24a、24b中的开口29约为9μm宽。顶部电极24a和顶部电极24b中的孔29以约16μm的边到边距离彼此隔开。底部电极22中的开口41与顶部电极24a、24b中的开口29具有相同的尺寸。备选地，底部电极22中的开口41可以稍大于顶部电极24a、24b中的开口29。在一个示例中，底部电极22中的开口41约15μm宽，以允许用于形成开口29、41的掩膜对准的一些错位。开口29、41示为具有方形剖面。然而，剖面可以是圆形、椭圆或任意其他合适的剖面。电流可以通过接触50a、50b经过底部电极22。传感器电容器20的顶部电极24a可以在接触区域50c电接触。参考电容器32的顶部电极24b可以通过接触50d电接触。参考电容器32和传感器电容器20之间的差异可以通过由单个金属板形成传感器和参考电容20、32的底部电极22而减小。如前所述，当微控制器38基于数字湿度信号和数字控制信号计算湿度值时，除了由湿度敏感电介质层26的介电常数改变所贡献的数字湿度信号分量的改变外，具有因湿度数字信号的尽可能小变化的数字控制信号是有利的。

图10是根据一个实施方式的传感器电容器20和参考电容器32的顶视图。在图10中，传感器电容器20和参考电容器32具有公共底部电极22。传感器电容器20具有通过导电轨迹64a、64b连接的两个相邻顶板24a。参考电容器32包括两个相邻的顶板24b。参考电容器32的两个相邻顶板部分24b通过导电轨迹64c、64d相互连接。具有用于传感器电容器20和参考电容器32的两个顶板部分24a、24b帮助补偿各个传感器电容器和参考电容器20、32中的电容差异。公共底板22可以通过接触50b电接触。传感器电容器20的顶板24a可以通过接触50a接触。参考电容器32的顶板24b可以通过接触50c接触。在图10中，导电轨迹64a-64a示为与顶板电极24a、24b在相同的金属层中形成。然而，在一个实施方式中，金属轨迹64a-64d由不同于顶部电极24a、24b的较高金属层形成且在选择的接触区域接触顶电极24a、24b。

图11示出根据一个实施方式的传感器电容器20和参考电容器32。传感器电容器20包括两个顶板24a。参考电容器32包括两个顶板24b。传感器电容器20的两个顶板24a通过参考电容器32的顶板24b其中之一分开。传感器电容器20的两个顶板24a通过导电轨迹64a相互连接。参考电容器32的两个顶板24b通过传感器电容器20的顶板24a其中之一彼此分开。参考电容器32的两个顶板24b通过导电轨迹64b相互连接。图11中的参考电容器32和传感电容器20的配置进一步帮助补偿各个传感器电容器和参考电容器中的电容差异。这帮助实现周围环境中湿度的更精确值的计算。接触50a-50c允许到公共底部电极22的电连接和到参考电容器32和传感器电容器20的极板24a、24b的电连接。

图12示出根据一个实施方式的集成电路封装30。集成电路封装30包括如前所述的电容式湿度传感器20。在封装于集成电路封装30中的集成电路管芯上形成电容式湿度传感器20。湿度敏感电介质层26通过封装集成电路封装30的钝化层46中形成的开口29而暴露于环绕集成电路封装30的环境。示为图12中的引线框架的引线的电接触34允许至电容式湿度传感器20的电连接。电接触24还允许至集成电路封装30内的集成电路管芯中所形成的微控制器38的电连接。如前所述，参考电容器32也在集成电路封装30中形成，但是并未暴露于周围环境。在图12中示为引线框架封装的集成电路封装30可以是球栅阵列封装、引脚网格阵列封装、嵌入式晶片级球栅阵列封装或任意其他合适的集成电路封装。

图13示出根据一个实施方式用于形成电容式湿度传感器20的方法。在100，在电介质衬底40上形成第一电极22。第一电极被构图以露出电介质衬底40的一部分。第一电极例如是钽铝。如前所述，第一电极22还可以是加热元件。在102，在第一电极上形成湿度敏感电介质层26。湿度敏感电介质层26通过在第一电极22中形成的开口41接触电介质衬底。湿度敏感电介质层26具有随着湿度敏感电介质层26吸收湿气儿变化的介电常数。如前所述，湿度敏感电介质层26例如是聚酰亚胺。在104，在湿度敏感电介质层26上形成第二电极24。第二电极24例如是铝。在106，在第二电极24中形成开口。开口露出湿度敏感电介质层26的一部分。在108，通过第二电极24中的开口29各向同性刻蚀湿度敏感电介质层26。湿度敏感电介质层26的各向同性刻蚀导致在第一电极22和第二电极24之间形成中空部分。可以通过选择湿度敏感电介质层26的各向同性刻蚀的持续时间选择电容式湿度传感器20的电容。通过选择较长持续时间的各向同性刻蚀，电容式湿度传感器20的电容可以做得相对小。通过选择湿度敏感电介质层26的较小持续时间的各向同性刻蚀，电容式湿度传感器20的电容可以做得相对大。

图14是电容式湿度传感器20的电容与相对湿度(RH)的关系的图表。实黑线示出在相对湿度增加时电容式湿度传感器20的相对湿度。电容从0％RH到约70％RH遵循几乎线性的曲线。在约70％至100％RH之间，电容遵循稍微指数的曲线。电容式湿度传感器20的电容从0％湿度时的约2.2pF变化到100％湿度时的约2.5pF。

图14的图表示出电容式湿度传感器20呈现出滞后效果。当从100％RH降低时，电容式湿度传感器20的电容遵循如虚线所示的不同曲线。出于此种原因，在进行新的湿度测量之前，利用加热元件从湿度敏感电介质层26排出湿气是有利的。在进行新的湿度测量之前，使电流经过电容式湿度传感器20的底部电极22，以从湿度敏感电介质层26排出湿气。在通过底部电极22传送电流之后，在进行新的湿度测量之前，可以允许一个短的时间以使湿度敏感电介质层26从空气吸收湿气。

从图14的图表可以看出，当形成大凹陷28时，可以在20％～100％的范围上容易地测量用于聚酰亚胺的传感器的灵敏度，在60％以上具有最大的灵敏度。尽管在图中没有示出，但可以在从0％到20％的湿度范围上使用聚酰亚胺进行可靠的测量，且中空部分28的受控尺寸与仅使用聚酰亚胺作为电介质相比增加在该范围内的更多灵敏度选择。当然，也可以使用其他湿度敏感电介质以取代在0％至50％湿度的范围上提供改善的灵敏度的聚酰亚胺。这种材料包括非掺杂硅、纳米多孔硅、陶瓷、多孔陶瓷、玻璃、气凝胶、纳米多孔二氧化硅化合物等。

根据一个实施方式，在相同的集成电路上彼此相邻布置具有不同峰值灵敏度范围的两个湿度敏感电容器。一个电容器具有0％至60％范围内非常敏感响应的电介质，且与之相邻的是具有在50％至100％范围的非常敏感响应的另一电容器。电路38可以使用仅来自传感器之一的数据来确定湿度，针对测量的湿度选择具有最高灵敏度的一个，或备选地，它可以使用来自二者的数据以帮助达到更可靠和精确的湿度测量。

如上所述的各种实施方式可以组合，以提供进一步的实施方式。此处并入在本说明书引用且在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开的全部内容以作参考。如有必要可以修改实施方式的各个方面以采用各种专利、申请和公开的概念来提供其他实施方式。

根据上面的详细描述，可以对实施方式做出这些和其他改变。一般而言，在下面的权利要求书中，使用的术语不应解读为将权利要求限制为说明书中公开的特定实施方式，相反，权利要求应当解读为包括所有可能实施方式以及与赋予这些权利要求的等价方式的所有范围。因此，权利要求书并不受公开内容的限制。

Claims (18)

1.一种用于测量湿度的设备，包括：

用作加热元件的第一电极，其中所述第一电极是钽铝电阻器；

位于所述第一电极上方的第二电极；以及

湿度敏感电介质材料，其介电常数基于环境湿度变化，且所述湿度敏感电介质材料定位在所述第一电极和所述第二电极之间；

通过所述第二电极延伸的至少一个孔径；以及

所述湿度敏感电介质材料中的凹陷，其形成位于所述第一电极和所述第二电极之间的、在所述第二电极的一部分下方延伸的中空区域，所述湿度敏感电介质在所述凹陷处具有第一厚度，以及在与所述凹陷隔开的位置具有更大的第二厚度，其中所述第一电极配置成加热所述湿度敏感电介质材料。

2.根据权利要求1所述的设备，包括位于所述第一电极中的开口，其正好位于第二电极的相应孔径下方。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述湿度敏感电介质材料是聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的设备，包括位于所述第二电极中的多个孔径，所述多个孔径配置成将大面积上的所述湿度敏感电介质材料暴露于环绕所述设备的周围气体环境。

5.根据权利要求1所述的设备，包括位于所述第二电极上方的钝化层，所述钝化层被构图以露出所述第二电极中的开口。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一电极和所述第二电极输出指示所述设备所处的环境的湿度的模拟信号。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一电极、所述湿度敏感电介质材料和所述第二电极构成电容式湿度传感器。

8.根据权利要求7所述的设备，包括与所述电容式湿度传感器相邻的参考电容器，该参考电容器配置成输出参考电容信号。

9.一种用于形成湿度传感器的方法，包括：

在电介质衬底上形成第一电极；

在所述第一电极上沉积湿度敏感电介质材料；

在所述第一电极上方的所述湿度敏感电介质材料上形成第二电极；

去除所述湿度敏感电介质材料的一部分，以在所述第一电极和所述第二电极之间形成中空区域；

在所述第二电极上方形成钝化层；

刻蚀所述钝化层和所述第二电极，以暴露出所述湿度敏感电介质材料的一部分；

在所述电介质衬底上形成第三电极；

在所述湿度敏感电介质材料上形成第四电极；以及

掩蔽所述钝化层的一部分，以防止对所述第四电极上方的钝化层的刻蚀。

10.根据权利要求9所述的方法，包括在底部电极上形成第一接触区域和第二接触区域，所述第一电极和所述第二电极被配置成使得电流从所述第一接触区域经过所述底部电极流到所述第二接触区域以加热湿度敏感电介质层，包括使得电流流经所述第一电极。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一电极和所述第二电极被配置成发出指示湿度的电容信号。

12.根据权利要求9所述的方法，其中去除所述湿度敏感电介质层的一部分包括各向同性地刻蚀所述湿度敏感电介质材料。

13.根据权利要求12所述的方法，包括选择所述各向同性地刻蚀的步骤的持续时间，以实现在所述第一电极和所述第二电极之间的期望电容值。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述各向同性地刻蚀湿度敏感电介质层包括在多个分开的位置各向同性地刻蚀所述湿度敏感电介质材料。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述湿度敏感电介质层是聚酰亚胺。

16.一种电容式湿度传感器，包括：

电介质衬底，

位于所述电介质衬底上的第一电容器电极；

位于所述第一电容器电极上的湿度敏感电介质材料；

位于所述湿度敏感电介质上的第二电容器电极；

位于所述第二电极上的钝化层，所述钝化层和所述第二电极其中具有开口以暴露出所述湿度敏感电介质材料，所述湿度敏感电介质层其中具有形成所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间的中空区域的凹陷；以及

与所述湿度敏感电介质材料相邻的加热器，所述加热器被配置成加热所述湿度敏感电介质材料，以从所述湿度敏感电介质层释放湿气。

17.根据权利要求16所述的电容式湿度传感器，包括参考电容器，所述参考电容器包括：

位于所述电介质衬底上且位于所述湿度敏感电介质层下方的第三电容器电极；以及

位于所述湿度敏感电介质层上的第四电容器电极，所述钝化层位于所述第四电容器电极上且防止所述湿度敏感层暴露于空气。

18.根据权利要求17所述的电容式湿度传感器，包括：

模拟至数字转换器，配置成从所述第一电容器电极和所述第二电容器电极接收模拟湿度信号，且将所述模拟湿度信号转换成数字湿度信号；以及

微控制器，配置成从所述模拟至数字转换器接收数字湿度信号且基于所述数字湿度信号估算环绕所述电容式湿度传感器的环境中的湿度的值。