CN103236429B - 带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片 - Google Patents

带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片 Download PDF

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Abstract

带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片，涉及的是通过兼容于标准CMOS IC工艺制作微型碳纳米管湿度传感器的技术领域。解决了目前集成化湿度传感器普遍存在着在高湿环境下湿度检测困难及失效问题。它由硅衬底层、二氧化硅外延层、叉指电极结构的金属一层、多个焊盘窗口、多个多晶硅电阻、多个多晶硅电阻连线的金属二层、电源输入接口、钝化层、碳纳米管湿度敏感薄膜构成；碳纳米管湿度敏感薄膜的覆盖工艺为不损害芯片的溅射工艺、丝网印刷工艺或者悬涂工艺；上述所有层结构及多个多晶硅电阻结构都是用CADENCE版图绘制软件，通过标准CMOS IC工艺制作；本发明能在高湿环境下对室温条件下的湿度进行长期稳定、高速准确的检测。

Description

带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片
技术领域
本发明涉及的是通过兼容于标准CMOS IC工艺制作微型碳纳米管湿度传感器的技术领域。
背景技术
湿度传感器在气象监测、工业生产、仓储、家用电器等领域具有广泛应用，成为目前最通用的化学传感器之一。目前市场上主流的传感器湿敏材料主要包括半导体陶瓷材料和有机高分子材料。但随着科学技术的进步和生产生活要求的不断提高，开发基于新型湿敏材料和集成化的湿度传感器是科研和市场化的普遍要求；而且兼具温湿度、压力及生物化学物质检测性能的多功能传感器，是传感器的未来发展趋势，同时也需要提高传感器的集成度。
新兴的纳米材料碳纳米管因具有纳米级直径与微米级长度，比表面积大、吸附能力强，成为最热的新型湿敏材料。碳纳米管湿度传感器具有响应速度快、灵敏度高、可室温工作和适合微型化的优点，应用前景良好。
目前，能兼容于集成电路工艺的可用湿敏材料主要是有机高分子和少数纳米材料，如聚酰亚胺等高分子聚合物，此物质与CMOS工艺兼容较好，但此种材料制作的传感器响应速度慢，敏感薄膜制备温度高，水汽脱附困难问题，故目前集成化湿度传感器普遍存在着在高湿环境下湿度检测困难及失效问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前集成化湿度传感器普遍存在着在高湿环境下湿度检测困难及失效问题，提供了一种带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片。
一种带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片的衬底层为硅衬底层，硅衬底层上面设置有整层二氧化硅外延层；二氧化硅外延层上面中间部分设置有金属一层，金属一层的结构具体为一对叉指电极层结构；在二氧化硅外延层边缘处设置有与金属叉指电极导电连通的输出接口焊盘；在叉指电极结构的周围设置有金属二层及其多个多晶硅电阻，金属二层结构为多个多晶硅电阻的连线，所有多晶硅电阻的连接方式为并联，并将其电源输入接口设置在二氧化硅外延层边缘处；在暴露出的二氧化硅外延层上、金属一层上、金属二层上和多个多晶硅电阻上设置有整层钝化层，钝化层为最顶层，保护性地覆盖所有层结构；在钝化层上刻蚀出多个焊盘窗口，每个焊盘窗口都位于叉指电极正上方并暴露出叉指电极，多个焊盘窗口以方形阵列形式排列，同一叉指电极上的焊盘窗口以最小间距排列；在钝化层上面中间部，即焊盘窗口阵列和叉指电极对结构的正上方，设置有整层碳纳米管湿度敏感薄膜，覆盖住整个叉指电极对的区域；所述碳纳米管湿度敏感薄膜的覆盖工艺为不损害芯片的溅射工艺、丝网印刷工艺或者悬涂工艺；上述所有层结构及多个多晶硅电阻结构都是用CADENCE版图绘制软件，通过标准CMOS IC工艺制作；工艺的特征尺寸为0.5um、0.35um、0.18um或非标准等工艺条件。
本发明能在高湿环境下对室温条件下的湿度进行长期稳定、高速准确的检测。本发明还具有结构简单、尺寸小、与标准IC工艺兼容性好、制作成本低和成品率高的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
    具体实施方式一：结合图1说明，本实施方式的衬底层为硅衬底层，硅衬底层上面设置有整层二氧化硅外延层；二氧化硅外延层上面中间部分设置有金属一层3，金属一层3的结构具体为一对叉指电极层结构；在二氧化硅外延层边缘处设置有与金属叉指电极导电连通的输出接口焊盘5；在叉指电极结构的周围设置有金属二层及其多个多晶硅电阻1，金属二层结构为多个多晶硅电阻1的连线，所有多晶硅电阻1的连接方式为并联，并将其电源输入接口6设置在二氧化硅外延层边缘处；在暴露出的二氧化硅外延层上、金属一层3上、金属二层上和多个多晶硅电阻1上设置有整层钝化层，钝化层为最顶层，保护性地覆盖所有层结构；在钝化层上刻蚀出多个焊盘窗口2，每个焊盘窗口2都位于叉指电极正上方并暴露出叉指电极，多个焊盘窗口2以方形阵列形式排列，同一叉指电极上的焊盘窗口2以最小间距排列；在钝化层上面中间部，即焊盘窗口2阵列和叉指电极对结构的正上方，设置有整层碳纳米管湿度敏感薄膜4，覆盖住整个叉指电极对的区域；所述碳纳米管湿度敏感薄膜4的覆盖工艺为不损害芯片的溅射工艺、丝网印刷工艺或者悬涂工艺；上述所有层结构及多个多晶硅电阻1结构都是用CADENCE版图绘制软件，通过标准CMOS IC工艺制作；工艺的特征尺寸为0.5um、0.35um、0.18um或非标准等工艺条件。
工作原理：该湿度传感器芯片在工作时，将该传感器芯片置入待测湿度的环境中，将芯片的接口焊盘5连接正弦波信号源，对传感器施加中频正弦波激励信号，通过读取反映环境湿度的传感器薄膜4的电阻和电容的变化，获知环境湿度的变化情况。在碳纳米管湿度敏感薄膜4周围设置多晶硅电阻1的并联结构，将直流电源通过对多晶硅电阻1并联结构的电源输入接口6接入，定期对多晶硅电阻1构成的加热单元通电，通过提升碳纳米管湿度敏感薄膜4的表面温度，促进水汽及其它吸附杂质的脱附，实现传感器在高湿度环境下能正常工作。

Claims (1)

1.带加热单元的微型碳纳米管湿度传感器芯片，其特征在于它的衬底层为硅衬底层，硅衬底层上面设置有整层二氧化硅外延层；二氧化硅外延层上面中间部分设置有金属一层(3)，金属一层(3)的结构具体为一对叉指电极层结构；在二氧化硅外延层边缘处设置有与金属叉指电极导电连通的输出接口焊盘(5)；在叉指电极结构的周围设置有金属二层及其多个多晶硅电阻(1)，金属二层结构为多个多晶硅电阻(1)的连线，所有多晶硅电阻(1)的连接方式为并联，并将其电源输入接口(6)设置在二氧化硅外延层边缘处；在暴露出的二氧化硅外延层上、金属一层(3)上、金属二层上和多个多晶硅电阻(1)上设置有整层钝化层，钝化层为最顶层，保护性地覆盖所有层结构；在钝化层上刻蚀出多个焊盘窗口(2)，每个焊盘窗口(2)都位于叉指电极正上方并暴露出叉指电极，多个焊盘窗口(2)以方形阵列形式排列，同一叉指电极上的焊盘窗口(2)以最小间距排列；在钝化层上面中间部，即焊盘窗口(2)阵列和叉指电极对结构的正上方，设置有整层碳纳米管湿度敏感薄膜(4)，覆盖住整个叉指电极对的区域；所述碳纳米管湿度敏感薄膜(4)的覆盖工艺为不损害芯片的溅射工艺、丝网印刷工艺或者悬涂工艺；上述所有层结构及多个多晶硅电阻(1)结构都是用CADENCE版图绘制软件，通过标准CMOS IC工艺制作；工艺的特征尺寸为0.5μm、0.35μm、0.18μm或非标准工艺条件。
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