CN103376279A - 湿度传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及湿度传感器装置。该湿度传感器装置包括板状的半导体衬底、被布置在该半导体衬底的一侧上的集成的信号处理模块以及电容性湿度传感器，该电容性湿度传感器与信号处理模块导电连接并且被布置在半导体衬底的与信号处理模块相同或相反的侧上。半导体衬底具有通孔敷镀，在半导体衬底的对置的侧上的元件可以通过所述通孔敷镀彼此电连接。在所述信号处理模块中集成有至少一个温度传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种湿度传感器装置。
背景技术
从EP 1 236 038 B1中公知了一种传感器装置，该传感器装置包括半导体芯片，在所述半导体芯片上布置有电容性湿度传感器。电容性湿度传感器包括两个并排放置的叉指电极和介电测量层，该介电测量层与湿度有关地改变其电容。这样生成的测量信号在半导体芯片中被进一步处理并且适当地被整理（aufbereiten）用于传输给后续电子装置（Folgeelektronik）。关于半导体芯片的接触和传感器装置例如在电路板上的装配不能从该出版文献中得知其他提示。
US 7,181,966 B2公开了另一传感器装置，该另一传感器装置在第一半导体衬底的上侧上具有传感器、例如电容性湿度传感器。在第一半导体衬底的对置的下侧上是带有布置在其上的信号处理模块的第二半导体衬底。该第二半导体衬底例如被构造为CMOS-ASIC。在传感器与信号处理模块之间的导电连接通过在第一半导体衬底中的通孔敷镀（Durchkontaktierung）来建立。该解决方案的缺点是，对于传感器装置的总体结构而言需要两个半导体衬底。
在US 2011/0079649 A1中建议了一种传感器装置，其中在半导体衬底的一侧上布置有传感器、例如带有叉指电极的电容性湿度传感器。在半导体衬底的对置的侧上布置有没有自己的支承体衬底的CMOS信号处理模块。此处，传感器和CMOS信号处理模块也通过在半导体衬底中的通孔敷镀彼此电连接。在该出版文献中没有找到用于构造CMOS信号处理模块的详情。
发明内容
本发明的任务是给出一种紧凑建造的且要简单接触的湿度传感器装置，通过该湿度传感器装置实现了对环境湿度的可靠测量。
该任务根据本发明通过具有权利要求1所述的特征的湿度传感器装置来解决。
根据本发明的湿度传感器装置的有利实施方案由从属权利要求中的措施得到。
根据本发明的湿度传感器装置包括：板状的半导体衬底，该板状的半导体衬底带有集成的信号处理模块，所述集成的信号处理模块被布置在该半导体衬底的一侧上；以及电容性湿度传感器，该电容性湿度传感器与信号处理模块导电连接并且被布置在该半导体衬底的与信号处理模块相同或相反的侧上。半导体衬底具有通孔敷镀，在半导体衬底的对置的侧上的元件可以通过所述通孔敷镀彼此电连接。此外，在信号处理模块中集成有至少一个温度传感器。
优选地，信号处理模块包括至少如下其他部件：
- 至少一个模拟数字转换器单元，用于读取和数字化湿度传感器和温度传感器的模拟测量信号，
- 用于根据所读取的测量信号确定测量量的分析单元，
- 用于将所确定的测量量串行传输给下级的后续电子装置的数字接口单元。
信号处理模块例如可以被构造为无壳体的CMOS层堆叠。
可能的是，电容性湿度传感器包括至少两个电极和湿度敏感的测量层。
在此，电容性湿度传感器可以被构造为带有至少一个底电极（Grundelektrode）和至少一个盖电极（Deckelektrode）的平板电容器，在所述至少一个底电极与至少一个盖电极之间布置有湿度敏感的测量层。
在可能的变型方案中，湿度传感器包括唯一的平面底电极和唯一的平面盖电极，所述唯一的平面底电极和所述唯一的平面盖电极分别导电地与信号处理模块连接。
可替换地，但是也可以设置，湿度传感器包括多个平面底电极和唯一的平面盖电极并且仅底电极与信号处理模块导电地连接。
有利地，在半导体衬底的与湿度传感器对置的侧上布置有球形接触元件。
可能的是，湿度传感器装置此外还包括非易失性存储器，在该非易失性存储器中存放有关温度传感器的校准数据，该分析单元访问所述校准数据，用于确定温度。
在实施形式中可以设置的是，湿度传感器在垂直方向上被布置在信号处理模块之上，而信号处理模块通过半导体衬底中的通孔敷镀与在半导体衬底的对置侧上的接触元件导电连接。
在这种情况下，通过半导体衬底中的通孔敷镀对信号处理模块进行能量供给并且将测量量串行传输给后续电子装置。
在另一实施形式中，可以设置的是，信号处理模块在其朝向湿度传感器的侧上具有绝缘层，在该绝缘层上布置有湿度传感器的至少一个底电极，湿度传感器的湿度敏感的测量层被布置在所述至少一个底电极上并且湿度传感器的盖电极被布置在所述至少一个底电极上。
在这种情况下，湿度传感器和信号处理模块可以被布置在半导体衬底的对置的侧上并且通过半导体衬底中的通孔敷镀彼此导电连接。
通过半导体衬底中的通孔敷镀可以将湿度传感器的模拟测量信号传输到信号处理模块。
作为根据本发明的湿度传感器装置的优点得到了极其紧凑的结构形式。湿度传感器装置的电接触不要求接合线，使得信号处理模块的位置需求被减小到那个信号处理模块的外部尺寸。也可以省去用于保护接合线的附加壳体，这同样关于小的位置需求正面地被证明。此外，几乎可以利用信号处理模块的整个面用于湿度传感器，由此可以实现根据本发明的湿度传感器装置的更高的精度。
此外，通过将温度传感器集成到信号处理模块中，保证了为了确定湿度所需的温度测量以距电容测量的测量点为理想的间隔进行。
附图说明
本发明的其他优点以及细节从以下依据附图对实施例的描述得到。
在这种情况下：
图1示出了根据本发明的湿度传感器装置的第一实施例的侧向剖面图；
图2示出了根据本发明的湿度传感器装置的第二实施例的侧向剖面图；
图3示出了根据本发明的湿度传感器装置的第三实施例的侧向剖面图；
图4示出了根据本发明的湿度传感器装置的第四实施例的侧向剖面图。
具体实施方式
在图1中以非常示意性的方式和方法示出了根据本发明的湿度传感器装置的第一实施例。
根据本发明的湿度传感器装置包括板状构造的半导体衬底1、例如硅衬底，在该半导体衬底1上放置该装置的各种元件。在所示的第一实施例中，在半导体衬底1的上侧上布置有集成的信号处理模块2。该信号处理模块2被构建为无壳体的CMOS层堆叠，在所述CMOS层堆叠中集成地构造有不同的电子部件，用于进行信号处理和信号整理。在信号处理模块2之上，也就是在垂直方向上与信号处理模块2相邻地又布置有电容性湿度传感器3。该湿度传感器3与信号处理模块2导电连接。由湿度传感器3产生的模拟测量信号在信号处理模块2中被处理，尤其是所寻找的测量量“相对湿度”根据所述测量信号来确定并且所述测量量被整理用于串行传输给下级的后续电子装置；随后关于测量量会仅仅谈及测量量“湿度”。为了实现这样的信号处理，信号处理模块2作为集成电子部件包括模拟数字转换器单元，该模拟数字转换器单元用于读取和数字化湿度传感器3的模拟测量信号。此外，作为其他电子部件在信号处理模块2中设置有分析单元，该分析单元根据湿度传感器3的测量信号来确定测量量“湿度”。作为其他电子部件，最后还设置有适当构造的接口单元，该接口单元用于将测量量串行传输给后续电子装置。
除了（未详细示出的）电子部件之外，在信号处理模块2中根据本发明集成有温度传感器5，该温度传感器5在图1中示意性地被勾画。温度传感器5提供关于环境温度的测量信号，信号处理模块2的分析单元除了考虑湿度传感器3的测量信号之外还考虑所述关于环境温度的测量信号来精确确定测量量“湿度”。将湿度传感器3和温度传感器5相邻布置在根据本发明的湿度传感器装置中在这种情况下使得能够特别良好地确定测量量“湿度”。
温度确定在这种情况下通过分析单元来进行。为此，温度传感器的半导体材料的带隙电压通过上面提及的模拟数字转换器单元数字化地被输送给分析单元。可替换地，为此目的也会在根据本发明的湿度传感器装置中设置有另一模拟数字转换器单元。
为了高度准确地确定测量量“湿度”，此外还被证明为有利的是，温度值被再校准。为此，根据本发明的湿度传感器装置具有非易失性存储器，在该非易失性存储器中存放有关温度传感器的校准数据，该分析单元访问所述校准数据，用于确定温度。
构造为CMOS层堆叠的信号处理模块2朝着湿度传感器3具有最后的金属化层2.1，该金属化层2.1用作屏蔽层并且使信号处理模块2中由湿度传感器3对信号处理造成的可能损害最小化。此外，在最后的金属化层2.1上，在信号处理模块2中还布置有绝缘层2.2，该绝缘层2.2例如可以被构造为SiN层或者被构造为SiO2层。绝缘层2.2保证了信号处理模块2与布置在其上的湿度传感器3的电绝缘。
在信号处理模块2的绝缘层2.2上布置有电容性湿度传感器3的平面构造的底电极3.1，其上布置有湿度敏感的测量层3.3并且在测量层3.3上最后布置有平面构造的盖电极3.2。底电极3.1、3.2在这种情况下由镍/铬和金制成；可替换地，也会结合由石英或SiN制成的绝缘层使用铝。作为底电极3.2的材料设置铬。合适的电介质、譬如聚酰亚胺用作测量层3.3，该测量层3.3的电容与湿度有关地变化。
在根据本发明的湿度传感器装置的本第一实施例中，电容性湿度传感器3因此被构造为平板电容器，该平板电容器包括底电极3.1和盖电极3.2形式的两个平面电极，在所述两个平面电极之间布置有湿度敏感的测量层3.3。在对此可替换的实施形式中，有利地原则上会可能将电容性湿度传感器的电极实施为指状构造的叉指电极，在所述叉指电极上接着布置湿度敏感的测量层，该湿度传感器3或在该实施例中该湿度传感器3的底电极3.1和该湿度传感器3的盖电极3.2导电地与信号处理模块2连接。布置在CMOS层堆叠的绝缘层2.2上的底电极3.1在所示的例子中通过在图1中右外侧所示的第一接触区域2.3a与信号处理模块2连接。为了将盖电极3.2与信号处理模块2导电地连接，测量层3.2具有穿孔3.4，通过所述穿孔3.4可以建立到信号处理模块2的第二接触区域2.3b的连接。
此外，半导体衬底1在上侧与下侧之间具有圆柱体形的穿孔形式的多个通孔敷镀4，通过所述通孔敷镀4可以将在半导体模块1的对置的侧上的元件彼此导电连接。为此，在通孔敷镀4中布置有合适的导电材料、例如铝或铜。
在根据本发明的湿度传感器装置的第一实施例中，在半导体衬底1的下侧上布置有多个球形构造的接触元件6。所示的湿度传感器装置可以通过接触元件6被布置在支承体元件、例如电路板上。
在所示的第一实施例中，因此借助通孔敷镀4将在半导体衬底1的上侧上的信号处理模块2与在该半导体衬底1的下侧上的接触元件6导电连接。在这种情况下具体地通过通孔敷镀4给信号处理模块2进行能量供给以及将测量量从信号处理模块2串行传输给（未示出的）后续电子装置，在该后续电子装置中，所述测量量可以被进一步利用。
在所示的实施例中，在这种情况下，接触元件6并不直接与通孔敷镀4连接；在半导体衬底1的下侧上附加地还设置有导电的重新布线层（Umverdrahtungsschicht）7，通过该导电的再布线层7可以适当地确定接触元件6的位置。
根据本发明的湿度传感器装置因此可以被电接触，而为此不需接合线。仅被布置在半导体衬底1的下侧上的接触元件6能够在进一步处理时实现自动化的SMD装备。
根据本发明的湿度传感器装置的第二实施例在图2中以又非常示意性的剖面图被示出。随后仅阐述与前面所描述的第一实施例的决定性的差异。
所述决定性的差异基本上在于电容性湿度传感器13的略微修改过的构造。在第一实施例中，该电容性湿度传感器13包括唯一的平面底电极和唯一的平面盖电极，所述唯一的平面底电极和唯一的平面盖电极分别导电地与信号处理模块连接。与此不同，在第二实施例中现在设置，将多个平面底电极13.1a、13.1b布置在信号处理模块13的绝缘层13.2上。在其上，如在第一例子中那样布置有湿度敏感的测量层13.3以及唯一的平面盖电极13.2。仅仅多个底电极13.1a、13.1b在这种情况下导电地通过接触区域12.3a、12.3b与信号处理模块12连接。由于不需要接触盖电极13.2，所以省去了在第一例子中所需的在测量层13.3中的穿孔以及在那里所需的对盖电极的结构化。
根据本发明的湿度传感器装置的第三实施例以侧向剖面图在图3中示意性示出。也由该例子仅阐述了与前面的变型方案的决定性的差异。
这样现在此处设置，将电容性湿度传感器23和信号处理模块22布置在半导体衬底21的对置的侧上。在半导体衬底21的上侧上布置有湿度传感器23，该湿度传感器23具有平面构造的底电极23.1、布置在其上的湿度敏感的测量层23.3以及向上结束的盖电极23.2。在底电极23.1与半导体衬底21的上侧之间，在所示的例子中此外还布置有导电的重新布线层27。通过该重新布线层27可以使底电极23.1以及盖电极23.2与半导体衬底中的通孔敷镀24的导电连接灵活地适配。这样的重新布线层27原则上在根据本发明的湿度传感器装置中不是绝对必要需要的。
在半导体衬底21的对置侧上、即在半导体衬底21的下侧上，在该实施形式中布置有信号处理模块23。该信号处理模块23如已在前两个实施例中那样除了不同的电子部件之外还包括集成在其中的温度传感器25。该温度传感器25的测量信号与电容性湿度传感器23的测量信号一起在信号处理模块中被考虑用于确定测量量“湿度”。
具有唯一的平面底电极23.1和唯一的平面盖电极23.2以及这两个电极与信号处理模块23的电连接的电容性湿度传感器的具体构造原则上对应于所阐述的第一实施例；如上面那样，此处合适的穿孔23.4也要被设置在湿度敏感的测量层23.3中，以便接触盖电极23.2。
在该实施例中，通过半导体衬底21中的通孔敷镀24因此将湿度传感器23的模拟测量信号传输到信号处理模块22。
球形的接触元件26此处同样被设置在半导体衬底21的下侧上，在该下侧上也存在信号处理模块23。如从图3中可看到的那样，接触元件26在这种情况下被设置在从其除去信号处理模块23的绝缘层22.2并且在那里将接触元件26与最后的金属化层22.1导电连接的部位上。
根据本发明的湿度传感器装置的变型方案在这种情况下被证明为关于湿度传感器23和信号处理模块22的尽可能小的相互影响是有利的。这些部件由于在半导体衬底21的对置的侧上的所设置的布置而具有比两个前面的实施例中明显更大的间距，使得尤其是可以使由于信号处理模块22的废热造成的对湿度传感器23的热影响最小化。
作为该变型方案的其他优点要列举的是，此外还可以降低在湿度传感器装置的制造方面的开销，因为此处可以使用装配用于电接触的接触元件26的标准方法，如例如在所谓的倒装芯片ASIC（Flip-Chip-ASIC）中所公知的那样。
根据本发明的湿度传感器装置的第四实施例以示意性剖面图在图4中示出。
关于湿度传感器33和信号处理模块32在半导体衬底31的对置的侧上的布置，该变型方案对应于第三实施例。仅与此不同地构造电容性湿度传感器33。如在第二实施例中那样又设置有两个底电极33.1a、331b，所述两个底电极33.1a、331b通过通孔敷镀34与信号处理模块32电连接。而布置在测量层33.3上的盖电极33.2没有电接触。在其他方面，根据本发明的湿度传感器装置的第四实施例对应于前面的例子。
除了所阐述的实施例之外，在本发明的范围中当然还存在其他可替换的构造可能性。
Claims (14)
1.一种湿度传感器装置，其具有：
- 板状半导体衬底（1；11；21；31），
- 集成的信号处理模块（2；12；22；32），所述集成的信号处理模块（2；12；22；32）被布置在半导体衬底（1；11；21；31）的一侧上，
- 电容性湿度传感器（3；13；23；33），所述电容性湿度传感器（3；13；23；33）导电地与所述信号处理模块（1；11；21；31）连接并且被布置在所述半导体衬底（1；11；21；31）的与所述信号处理模块（2；12；22；32）相同的侧或相反的侧上，其中，
- 所述半导体衬底（1；11；21；31）具有通孔敷镀（4；14；24；34），通过所述通孔敷镀（4；14；24；34）能够将在所述半导体衬底（1；11；21；31）的对置的侧上的元件彼此电连接，以及
- 至少一个集成在所述信号处理模块（2；12；22；32）中的温度传感器（5；15；25；35）。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器装置，其中，所述信号处理模块（2；12；22；32）包括至少如下其他部件：
- 至少一个模拟数字转换器单元，用于读取和数字化湿度传感器（3；13；23；33）和温度传感器（5；15；25；35）的模拟测量信号，
- 用于根据所读取的测量信号确定测量量的分析单元，
- 用于将所确定的测量量串行传输给下级的后续电子装置的数字接口单元。
3.根据权利要求2所述的湿度传感器装置，其中，所述信号处理模块（2；12；22；32）被构造为无壳体的CMOS层堆叠。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器装置，其中，所述电容性湿度传感器（3；13；23；33）包括至少两个电极（3.1，3.2；13.1a，13.1b，13.2；23.1，23.2；33.1a，33.1b，33.2）和湿度敏感的测量层（3.3；13.3；23.3；33.3）。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器装置，其中，所述电容性湿度传感器（3；13；23；33）被构造为带有至少一个底电极（3.1；13.1a，13.1b；23.1；33.1a，33.1b) 和至少一个盖电极（3.2；13.2；23.2；33.2）的平板电容器，在所述至少一个底电极（3.1；13.1a，13.1b；23.1；33.1a，33.1b)与所述至少一个盖电极（3.2；13.2；23.2；33.2）之间布置有湿度敏感的测量层（3.3；13.3；23.3；33.3）。
6.根据权利要求4所述的湿度传感器装置，其中，湿度传感器（3；23）包括唯一的平面底电极（3.1；23.1）和唯一的平面盖电极（3.2；23.2），所述唯一的平面底电极（3.1；23.1）和所述唯一的平面盖电极（3.2；23.2）分别导电地与信号处理模块（2；22）连接。
7.根据权利要求4所述的湿度传感器装置，其中，湿度传感器（13；33）包括多个平面底电极（13.1a，13.1b；33.1a，33.1b）和唯一的平面盖电极（13.2；33.2），并且仅仅底电极（13.1a，13.1b；33.1a，33.1b）导电地与信号处理模块（12；32）连接。
8.根据上述权利要求中的至少一项所述的湿度传感器装置，其中，在所述半导体衬底（1；11；21；31）的与湿度传感器（3；13；23；33）对置的侧上布置有球形的接触元件（6）。
9.根据权利要求2所述的湿度传感器装置，所述湿度传感器装置此外还包括非易失性存储器，在该非易失性存储器中存放有关温度传感器（5；15；25；35）的校准数据，所述分析单元访问所述校准数据，用于确定温度。
10.根据权利要求1至9中的至少一项所述的湿度传感器装置，其中，湿度传感器（3；13）在垂直方向上被布置在所述信号处理模块（2；12）上，而所述信号处理模块（2；12）通过在半导体衬底（1；11）中的通孔敷镀（4；14）与在所述半导体衬底（1；11）的对置侧上的接触元件（6；16）导电连接。
11.根据权利要求2和10所述的湿度传感器装置，其中，通过半导体衬底（1；11）中的通孔敷镀（4；14）给所述信号处理模块（2；12）进行能量供给并且将测量量串行传输给后续电子装置。
12.根据权利要求5和10所述的湿度传感器装置，其中，信号处理模块（2；12）在所述信号处理模块（2；12）的朝向湿度传感器（3；13）的侧上具有绝缘层（2.2；12.2），在所述绝缘层（2.2；12.2）上布置有所述湿度传感器（3；13）的至少一个底电极（3.1；13.1a，13.1b），在所述至少一个底电极（3.1；13.1a，13.1b）上布置有所述湿度传感器（3；13）的湿度敏感的测量层（3.3；13.3）并且在其上布置有所述湿度传感器（3；13）的盖电极（3.2；13.2）。
13.根据权利要求1至9中的至少一项所述的湿度传感器装置，其中，湿度传感器（23；33）和信号处理模块（22；32）被布置在半导体衬底（21；31）的对置的侧上并且通过在半导体衬底（21；31）中的通孔敷镀（24；34）彼此导电连接。
14.根据权利要求2和13所述的湿度传感器装置，其中，通过半导体衬底（21；31）中的通孔敷镀（24；34）将湿度传感器（23；33）的模拟测量信号传输到信号处理模块（22；32）。
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