CN106768050A - 一种单芯片高精度温湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单芯片高精度温湿度传感器，通过将作为温度传感器温敏电阻感知外部环境温度的导热通道层设置于芯片的顶部，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差；其中，采用嵌入方式集成于共享衬底上并共享叉状电容极板的温湿度传感器，可具有更小的面积，适宜制作针状传感器，而采用并列方式集成于共享衬底上的温湿度传感器，可具有更薄的厚度，适宜制作薄片型传感器，因此可广泛应用于不同的特定需求场所。

Description

一种单芯片高精度温湿度传感器
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，更具体地，涉及一种集成于单芯片上的高精度温湿度传感器。
背景技术
传统的单芯片温湿度传感器通常是利用CMOS电路制作基于bandgap(带隙)的温度传感器电路，但这种电路结构对温度的探测精度较低。
由于上述温度传感器电路是制作于芯片衬底上与衬底连为一体，因此具有热导通性能，从而可通过设置于衬底底部的金属将外部温度传导到传感器电路来感知温度；而该芯片上的湿度传感器则是通过在衬底的顶部进行制作的，例如目前市售的Sensirion(盛思锐公司)型号为SHTC1的温湿度传感器。
上述传统的芯片在实际使用时，需要将芯片装载在PCB电路板上，并需要将芯片正面(顶部)朝向外部环境，以感知环境湿度。而在芯片底部则是通过将衬底与封装的金属相连来感知温度。
然而，在上述传统的温湿度传感器芯片中，其实际底部温度感应的是衬底温度，将主要受到芯片衬底温度、PCB板温度等的影响，因而并不能真正反映外部湿度环境下的温度。
同时，现有温湿度传感器针对相对湿度的测试值，又与该湿度环境下的温度值直接相关，如图1所示，通过温湿度传感器测试得到的相对湿度-温度(Relative Humidity-Temperature)关系曲线，其与纵坐标对应的温度值与曲线上方框中标注的该湿度环境下的实际温度值之间存在着较大的差异。
因此，现有单芯片温湿度传感器的集成方案存在很大的技术误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种单芯片高精度温湿度传感器。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种单芯片高精度温湿度传感器，包括以嵌入方式集成于共享衬底上的湿度传感器和温度传感器；
所述湿度传感器自下而上包括：设于衬底中的第一CMOS前道器件，设于衬底上第一绝缘层中的第一CMOS后道电路，设于第一绝缘层上的叉状电容极板，以及填充于叉状电容极板之间的湿敏材料层；
所述温度传感器嵌设于湿度传感器中，自下而上包括：共享设于衬底中的第二CMOS前道器件，共享设于第一绝缘层中的第二CMOS后道电路，绝缘嵌设于叉状电容极板与第一绝缘层之间的温敏电阻；
其中，所述温度传感器将湿度传感器的叉状电容极板作为其温敏电阻与外部环境之间的导热通道层进行共享，因此可以极大地减小芯片面积，适宜制作应用于特定场所的针状传感器；并且，利用位于芯片顶部的叉状电容极板作为温度传感器温敏电阻与外部环境之间的导热通道层，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差。
优选地，所述温敏电阻与叉状电容极板之间通过导热的第二绝缘层进行隔离。
优选地，所述湿敏材料层为氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金属氧化物或多孔陶瓷材料。
优选地，所述温敏电阻为负温度系数的掺杂非晶硅或氧化钒。
优选地，至少在所述叉状电容极板侧部以及第一绝缘层表面设有钝化隔离层。
本发明还提供了一种单芯片高精度温湿度传感器，包括以并列方式集成于共享衬底上的湿度传感器和温度传感器；
所述湿度传感器自下而上包括：设于衬底中的第一CMOS前道器件，设于衬底上第一绝缘层中的第一CMOS后道电路，设于第一绝缘层上的叉状电容极板，以及填充于叉状电容极板之间的湿敏材料层；
所述温度传感器设于湿度传感器一侧，自下而上包括：设于衬底中的第二CMOS前道器件，设于第一绝缘层中的第二CMOS后道电路，设于第一绝缘层上的温敏电阻，以及绝缘设于温敏电阻上的导热通道层。本技术方案中，温度传感器与湿度传感器并列位于共享衬底上，可以极大地降低芯片厚度，适宜制作应用于特定场所的薄片型传感器；并且，将作为温度传感器温敏电阻感知外部环境温度的导热通道层设置于芯片的顶部，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差。
优选地，所述温敏电阻与导热通道层之间通过导热的第二绝缘层进行隔离。
优选地，所述湿敏材料层为氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金属氧化物或多孔陶瓷材料。
优选地，所述温敏电阻为负温度系数的掺杂非晶硅或氧化钒。
优选地，至少在所述叉状电容极板侧部、导热通道层侧部以及第一绝缘层表面设有钝化隔离层。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将作为温度传感器温敏电阻感知外部环境温度的导热通道层设置于芯片的顶部，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差；其中，采用嵌入方式集成于共享衬底上并共享叉状电容极板的温湿度传感器，可具有更小的面积，适宜制作针状传感器，而采用并列方式集成于共享衬底上的温湿度传感器，可具有更薄的厚度，适宜制作薄片型传感器，因此可广泛应用于不同的特定需求场所。
附图说明
图1是一种相对湿度与湿度环境下测试温度的关系示意图；
图2是本发明第一较佳实施例的一种单芯片高精度温湿度传感器结构示意图；
图3是本发明第二较佳实施例的一种单芯片高精度温湿度传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明第一较佳实施例的一种单芯片高精度温湿度传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种单芯片高精度温湿度传感器，包括以嵌入方式集成于共享衬底10上的湿度传感器和温度传感器。
请参阅图2。所述湿度传感器自下而上包括：设于与温度传感器共享的衬底10中的第一CMOS前道器件(图略、请参考现有技术加以理解)，设于衬底上与温度传感器共享的第一绝缘层11中的第一CMOS后道电路(图略、请参考现有技术加以理解)，设于第一绝缘层上的叉状电容极板13，以及填充于叉状电容极板之间的湿敏材料层14。湿敏材料层可作为一整体形态从侧面包裹住叉状电容极板，使得湿敏材料层与叉状电容极板的顶部表面裸露出来。其中，可通过位于最外围的叉状电容极板连接至其下方的第一CMOS后道电路，再进一步通过第一CMOS后道电路连接下方的第一CMOS前道器件。
所述衬底10可采用适用于制作温湿度传感器的所有衬底，通常可采用硅片衬底进行温湿度传感器集成。可采用现有CMOS平面工艺，在所述衬底中制作所述湿度传感器的前道器件(第一CMOS前道器件)，以及在第一绝缘层中制作所述湿度传感器的后道电路(第一CMOS后道电路，可包括通孔及金属互连层等结构)。可参考现有技术加以理解，本例不作赘述。
所述第一绝缘层11可采用常规的材料形成，例如二氧化硅等。所述叉状电容极板13可采用常规的金属材料制作，例如铝等；两个叉指状的电容极板以交错的方式相对设置，并位于同一水平面，在作为正、负两个电极的叉指之间形成同层间电容。
所述湿敏材料层14可以采用氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金属氧化物或多孔陶瓷材料等形成。也可以采用其他已知的有机聚合物湿敏材料及其衍生物、与其他单体的共聚物等形成；或者采用其他已知的多孔介质湿敏材料及其他多孔半导体材料等。
所述温度传感器嵌设于湿度传感器中，其自下而上包括：共享设于衬底10中的第二CMOS前道器件(图略、请参考现有技术加以理解)，共享设于第一绝缘层11中的第二CMOS后道电路(图略、请参考现有技术加以理解)，绝缘嵌设于叉状电容极板13底部与第一绝缘层11表面之间的温敏电阻12。温敏电阻连接至其下方的第二CMOS后道电路，再进一步通过第二CMOS后道电路连接下方的第二CMOS前道器件。可参考现有技术加以理解，本例不作赘述。
所述温敏电阻12与叉状电容极板13之间可通过高导热的第二绝缘层16(可采用常规高热导材料或者高阻材料)进行隔离。
所述温敏电阻12可采用负温度系数的掺杂非晶硅或氧化钒制作，其负温度系数约为-3％左右，因而可具有更高的感温灵敏度和精度。
为了增强隔离效果，还可在所述叉状电容极板13侧部、第一绝缘层11表面以及湿敏材料层14底部与第二绝缘层16表面之间等部位设置钝化隔离层15；钝化隔离层15可采用例如二氧化硅等材料制作。
在本具体实施方式中，所述温度传感器将湿度传感器的叉状电容极板作为其温敏电阻与外部环境之间的导热通道层进行共享，因此可以极大地减小芯片面积，从而适宜制作应用于特定场所的针状传感器；并且，利用位于芯片顶部的叉状电容极板作为温度传感器温敏电阻与外部环境之间的导热通道层，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差。
本发明还通过以下具体实施方式提供了一种单芯片高精度温湿度传感器。
请参阅图3，图3是本发明第二较佳实施例的一种单芯片高精度温湿度传感器结构示意图。如图3所示，本发明的一种单芯片高精度温湿度传感器，包括以并列方式集成于共享衬底20上的湿度传感器和温度传感器。
请参阅图3。所述湿度传感器自下而上包括：设于与温度传感器共享的衬底20中的第一CMOS前道器件(图略、请参考现有技术加以理解)，设于衬底上与温度传感器共享的第一绝缘层21中的第一CMOS后道电路(图略、请参考现有技术加以理解)，设于第一绝缘层上的叉状电容极板22，以及填充于叉状电容极板之间的湿敏材料层23。湿敏材料层可作为一整体形态从侧面包裹住叉状电容极板，使得湿敏材料层与叉状电容极板的顶部表面裸露出来。其中，可通过位于最外围的叉状电容极板连接至其下方的第一CMOS后道电路，再进一步通过第一CMOS后道电路连接下方的第一CMOS前道器件。
所述衬底20可采用适用于制作温湿度传感器的所有衬底，通常可采用硅片衬底进行温湿度传感器集成。可采用现有CMOS平面工艺，在所述衬底中制作所述湿度传感器的前道器件(第一CMOS前道器件)，以及在第一绝缘层中制作所述湿度传感器的后道电路(第一CMOS后道电路，可包括通孔及金属互连层等结构)。可参考现有技术加以理解，本例不作赘述。
所述第一绝缘层21可采用常规的材料形成，例如二氧化硅等。所述叉状电容极板22可采用常规的金属材料制作，例如铝等；两个叉指状的电容极板以交错的方式相对设置，并位于同一水平面，在作为正、负两个电极的叉指之间形成同层间电容。
所述湿敏材料层23可以采用氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金属氧化物或多孔陶瓷材料等形成。也可以采用其他已知的有机聚合物湿敏材料及其衍生物、与其他单体的共聚物等形成；或者采用其他已知的多孔介质湿敏材料及其他多孔半导体材料等。
所述温度传感器设于湿度传感器一侧，其自下而上包括：共享设于衬底20中的第二CMOS前道器件(图略、请参考现有技术加以理解)，共享设于第一绝缘层21中的第二CMOS后道电路(图略、请参考现有技术加以理解)，设于第一绝缘层上的温敏电阻27，以及绝缘设于温敏电阻上方的导热通道层24。
所述温敏电阻27与导热通道层24之间可通过高导热的第二绝缘层26(可采用常规高热导材料或者高阻材料)进行隔离。
所述导热通道层24可采用与叉状电容极板22相同的常规金属材料制作，例如铝等；也可采用与叉状电容极板不同的金属材料制作。
所述温敏电阻27可采用负温度系数的掺杂非晶硅或氧化钒制作，其负温度系数约为-3％左右，因而可具有更高的感温灵敏度和精度。
为了增强隔离效果，还可在所述叉状电容极板22侧部、导热通道层24侧部、第一、第二绝缘层21、26露出的表面以及湿敏材料层23底部与第一绝缘层21表面之间等部位设置钝化隔离层25；钝化隔离层25可采用例如二氧化硅等材料制作。
在本具体实施方式中，温度传感器与湿度传感器并列位于共享衬底上，可以极大地降低芯片厚度，适宜制作应用于特定场所的薄片型传感器；并且，将作为温度传感器温敏电阻感知外部环境温度的导热通道层设置于芯片的顶部，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差。
综上所述，本发明通过将作为温度传感器温敏电阻感知外部环境温度的导热通道层设置于芯片的顶部，可以避免其在感知环境温度时受到衬底及其连接的PCB电路板等的温度影响，因此可以精确反映外部湿度环境下的温度，从而大大缩小了单芯片集成时的技术误差；其中，采用嵌入方式集成于共享衬底上并共享叉状电容极板的温湿度传感器，可具有更小的面积，适宜制作针状传感器，而采用并列方式集成于共享衬底上的温湿度传感器，可具有更薄的厚度，适宜制作薄片型传感器，因此可广泛应用于不同的特定需求场所。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，包括以嵌入方式集成于共享衬底上的湿度传感器和温度传感器；
所述湿度传感器自下而上包括：设于衬底中的第一CMOS前道器件，设于衬底上第一绝缘层中的第一CMOS后道电路，设于第一绝缘层上的叉状电容极板，以及填充于叉状电容极板之间的湿敏材料层；
所述温度传感器嵌设于湿度传感器中，自下而上包括：共享设于衬底中的第二CMOS前道器件，共享设于第一绝缘层中的第二CMOS后道电路，绝缘嵌设于叉状电容极板与第一绝缘层之间的温敏电阻；
其中，所述温度传感器将湿度传感器的叉状电容极板作为其温敏电阻与外部环境之间的导热通道层进行共享。
2.根据权利要求1所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，所述温敏电阻与叉状电容极板之间通过导热的第二绝缘层进行隔离。
3.根据权利要求1所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料层为氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金属氧化物或多孔陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，所述温敏电阻为负温度系数的掺杂非晶硅或氧化钒。
5.根据权利要求1所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，至少在所述叉状电容极板侧部以及第一绝缘层表面设有钝化隔离层。
6.一种单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，包括以并列方式集成于共享衬底上的湿度传感器和温度传感器；
所述湿度传感器自下而上包括：设于衬底中的第一CMOS前道器件，设于衬底上第一绝缘层中的第一CMOS后道电路，设于第一绝缘层上的叉状电容极板，以及填充于叉状电容极板之间的湿敏材料层；
所述温度传感器设于湿度传感器一侧，自下而上包括：设于衬底中的第二CMOS前道器件，设于第一绝缘层中的第二CMOS后道电路，设于第一绝缘层上的温敏电阻，以及绝缘设于温敏电阻上的导热通道层。
7.根据权利要求6所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，所述温敏电阻与导热通道层之间通过导热的第二绝缘层进行隔离。
8.根据权利要求6所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料层为氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金属氧化物或多孔陶瓷材料。
9.根据权利要求6所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，所述温敏电阻为负温度系数的掺杂非晶硅或氧化钒。
10.根据权利要求6所述的单芯片高精度温湿度传感器，其特征在于，至少在所述叉状电容极板侧部、导热通道层侧部以及第一绝缘层表面设有钝化隔离层。
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