CN111141795A - 湿度传感器芯片、制作方法、检测系统及使用方法 - Google Patents

湿度传感器芯片、制作方法、检测系统及使用方法 Download PDF

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CN111141795A CN202010002359.8A CN202010002359A CN111141795A CN 111141795 A CN111141795 A CN 111141795A CN 202010002359 A CN202010002359 A CN 202010002359A CN 111141795 A CN111141795 A CN 111141795A
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李向光
付博
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Abstract

本发明公开一种湿度传感器芯片，包括：衬底；在衬底上形成的第一源极区域、第一漏极区域以及第二源极区域、第二漏极区域；在第一源极区域内形成的第一源极、在第一漏极区域内形成的第一漏极以及在第二源极区域内形成的第二源极、在第二漏极区域内形成的第二漏极；在衬底上形成的第一湿敏材料层以及第二湿敏材料层，第一湿敏材料层与第一源极、第一漏极电连接，第二湿敏材料层与第二源极、第二漏极电连接；在第一湿敏材料层上形成的第一栅极，在第二湿敏材料层上形成的第二栅极；隔绝层，覆盖第一栅极、第一湿敏材料层、第一源极以及第一漏极。本发明能够在对湿度感测的同时消除温度对其所造成的影响，提高感测精度。

Description

湿度传感器芯片、制作方法、检测系统及使用方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域。更具体地，涉及一种湿度传感器芯片、制作方法、检测系统及使用方法。
背景技术
环境信息如温度、湿度等与人类生活密切相关，目前，湿度传感器已应用于食物、金属等霉烂、生锈必须保证的干燥环境，农业、生鲜等保存又需要一定湿度，日常生活的各个方面都需要进行湿度的测量。高分子微型湿度传感器具备成本低，体积小，灵敏度高等诸多优势。电子式微型湿度传感器有电容式、电阻式、热电偶式等。
其中电容式湿度传感器的应用尤为广泛，利用位于电容极板间的介电层即感湿高分子材料在不同湿度下介电常数的不同进而影响容值变化来监测环境湿度。但湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2～0.8％RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别，介电层的介电常数随温度变化而发生变化，影响湿度检测准确性，限制湿度传感器量程，所以湿度传感器工作的温度范围称为重要参数，多数湿度传感器难以在40℃以上正常工作。
在现有技术中，非线性的温漂需要在电路上加温度补偿，主要方法有采用单片机软件补偿，但是采用该补偿方法或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器的温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果。
发明内容
为解决背景技术中所提出的技术问题，本发明第一方面提出了一种湿度传感器芯片，包括：
衬底；
在所述衬底上形成的第一源极区域、第一漏极区域以及第二源极区域、第二漏极区域；
在所述第一源极区域内形成的第一源极、在所述第一漏极区域内形成的第一漏极以及在所述第二源极区域内形成的第二源极、在所述第二漏极区域内形成的第二漏极；
在所述衬底上形成的第一湿敏材料层以及第二湿敏材料层，所述第一湿敏材料层与所述第一源极、第一漏极电连接，所述第二湿敏材料层与所述第二源极、第二漏极电连接；
在所述第一湿敏材料层上形成的第一栅极，在所述第二湿敏材料层上形成的第二栅极；
隔绝层，覆盖所述第一栅极、所述第一湿敏材料层、所述第一源极以及所述第一漏极。
可选地，所述第一湿敏材料层和/或所述第二湿敏材料层的材料包括聚酰亚胺、聚醋酸乙烯或聚乙烯。
可选地，所述隔绝层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
可选地，所述衬底的材料包括P型硅基材料。
本发明第二方面提出了一种温度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
在衬底上形成第一源极区域、第一漏极区域以及第二源极区域、第二漏极区域；
在所述第一源极区域内形成第一源极、在所述第一漏极区域内形成第一漏极以及在所述第二源极区域内形成第二源极、在所述第二漏极区域内形成第二漏极；
在所述衬底上形成第一湿敏材料层以及第二湿敏材料层，所述第一湿敏材料层与所述第一源极、第一漏极电连接，所述第二湿敏材料层与所述第二源极、第二漏极电连接；
在所述第一湿敏材料层形成第一栅极，在所述第二湿敏材料上形成第二栅极；
形成隔绝层，覆盖所述第一栅极、所述第一湿敏材料层、所述第一源极以及所述第一漏极。
可选地，还包括：
采用浓磷扩散分别在第一源极区域、第一漏极区域和/或第二源极区域、第二漏极区域内形成第一源极、第一漏极和/或第二源极、第二漏极。
可选地，所述第一湿敏材料层和/或所述第二湿敏材料层的材料包括聚酰亚胺、聚醋酸乙烯或聚乙烯。
可选地，所述隔绝层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
本发明第三方面提出了一种湿度检测系统，包括：
如本发明第一方面提出的一种湿度传感器芯片；以及
处理单元；
其中，所述第一栅极、第二栅极分别接收工作信号，以使得所述第一源极或所述第一漏极输出第一感测信号、所述第二源极或所述第二漏极输出第二感测信号，所述处理单元基于所述第一感测信号以及所述第二感测信号来生成湿度检测数据。
本发明第四方面提出了一种利用如本发明第三方面提出的湿度检测系统的使用方法，包括以下步骤：
所述第一栅极、第二栅极分别接收工作信号，以使得所述第一源极或所述第一漏极输出第一感测信号、所述第二源极或所述第二漏极输出第二感测信号，所述处理单元基于所述第一感测信号以及所述第二感测信号来生成湿度检测数据。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案具有原理明确、设计简单的优点，在具体实施中，衬底上形成相应的第一源极、第一漏极以及第二源极、第二漏极，第一湿敏材料层上形成有第一栅极，第二湿敏材料层上形成有第二栅极，第一湿敏材料层分别与第一源极、第一漏极电连接，从而构成第一MOS管，第一湿敏材料层作为第一MOS管的栅极介电层，相应的，第二湿敏材料层分别与第二源极、第二漏极电连接，从而构成第二MOS管，第二湿敏材料层作为第二MOS管的栅极介电层，其中，第一MOS管被隔绝层所覆盖，而第二MOS管则暴露在外，以使得第一MOS管与第二MOS管之间构成相应的差分结构，基于第一感测信号以及第二感测信号的差值，将温度对第一MOS管以及第二MOS管的影响互相抵消，在对湿度进行感测的同时消除温度对其所造成的影响，使温度对器件的性能影响降到最低，提高感测精度，并且相应的减小了芯片体积和制备成本，也使线性度及抗污染性差的问题得到一定提升，保证其测量精度和长期稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明的一个实施例提出的一种湿度传感器芯片的截面图；
图2示出本发明的另一个实施例提出的一种温度传感器芯片的制作方法的流程图；
图3-图6示出图2所示流程图中步骤对应的截面图；
图7示出本发明的又一个实施例提出的一种湿度检测系统的结构框图；
图8示出如图7所示湿度检测系统所对应的等效电路图。
图中：100、衬底；200、绝缘层；201、第一源极区域；202、第一漏极区域；203、第二源极区域；204、第二漏极区域；301、第一源极；302、第一漏极；303、第二源极；304、第二漏极；401、第一湿敏材料层；402、第二湿敏材料层；501、第一栅极；502、第二栅极；600、隔绝层
具体实施方式
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1示出本发明的一个实施例提出的一种湿度传感器芯片的截面图，如图1所示，所述芯片包括：
衬底100；
在所述衬底100上形成的第一源极区域201、第一漏极区域202以及第二源极区域203、第二漏极区域204；
在所述第一源极区域201内形成的第一源极301、在所述第一漏极区域202内形成的第一漏极302以及在所述第二源极区域203内形成的第二源极303、在所述第二漏极区域204内形成的第二漏极304；
在所述衬底100上形成的第一湿敏材料层401以及第二湿敏材料层402，所述第一湿敏材料层401与所述第一源极301、第一漏极302电连接，所述第二湿敏材料层402与所述第二源极303、第二漏极304电连接；
在所述第一湿敏材料层401上形成的第一栅极501，在所述第二湿敏材料层402上形成的第二栅极502；
隔绝层600，覆盖所述第一栅极501、所述第一湿敏材料层401、所述第一源极301以及所述第一漏极302。
在本实施例的具体实施中，衬底100的材料可为P型硅基，隔绝层600的材料包括二氧化硅或氮化硅，而本领域技术人员应知的是，衬底100的材料以及隔绝层600的材料不仅限于上述的几种，本申请对此不做具体限定。
通过在衬底100上形成相应的第一源极301、第一漏极302以及第二源极303、第二漏极304，第一湿敏材料层401上形成有第一栅极501，第二湿敏材料层402上形成有第二栅极502，第一湿敏材料层401分别与第一源极301、第一漏极302电连接，从而构成第一MOS管，第一湿敏材料层401作为第一MOS管的栅极介电层，相应的，而第二湿敏材料层402分别与第二源极303、第二漏极304电连接，从而构成第二MOS管，第二湿敏材料层402作为第二MOS管的栅极介电层，其中，第一MOS管被隔绝层600所覆盖，而第二MOS管则暴露在外。
在本实施例的一些可选地实现方式中，第一湿敏材料层401以及第二湿敏材料层402可包括聚酰亚胺、聚醋酸乙烯或聚乙烯，而本领域技术人员应知的是，第一湿敏材料层401以及第二湿敏材料层402的材料种类不仅限于上述几种，其他具有感湿性能的材料也应当属于本申请的保护范围内，例如带有弱极性官能团的高分子材料，常用的材料包括纤维素系,聚酰胺系,聚醋酸乙烯和聚乙烯的氧化物，如醋酸纤维素及其衍生物，聚酰亚胺类，及聚甲基丙烯酸甲酯等工程塑料。
需要说明的是，MOSFET为三端子器件，其工作原理是通过对源漏电极之间的有源层内即沟道层内部电流进行调制完成的，在有源层和栅极之间插入栅极介电层，通过改变栅极的电压形成电场，由于电场对半导体内的载流子由吸引和排斥作用，进而调制有源层表面的电导，因此，在使用时，可将第一MOS管以及第二MOS管视为一可变电容器，栅极介电层为电容器介质(也就是说，第一湿敏材料层401与第二湿敏材料层402分别视为电容器介质)，栅极介电层在吸附水分后其介电常数会发生相应的变化从而影响电容器介质的容值进而达到湿度传感的功能，当然，在栅极介电层吸附或放出水分子时，也会引起其厚度的变化，但由于采用湿敏材料所制成栅极介电层的厚度很薄，因此，厚度的变化对电容器介质的容值影响比介电常数的影响小得多，故在此不考虑厚度因素的影响。
由于第一MOS管被隔绝层600所覆盖，而第二MOS管暴露在外，因此，第一MOS管的栅极介电层仅能受到温度的影响而改变其介电常数，而第二MOS管的栅极介电层则不仅能够受到温度的影响，也能够同时受到湿度的影响来改变其介电常数，第一MOS管接收到工作信号后实现导通并输出相应的基于温度感测的第一感测信号，第二MOS管接收到工作信号后实现导通并输出相应的基于温度以及湿度的第二感测信号，因此，第一MOS管与第二MOS管能够构成相应的差分结构，基于第一感测信号以及第二感测信号的差值，相应的使得温度对第一MOS管以及第二MOS管的影响互相抵消，将温度对器件的性能影响降到最低，达到对温度补偿的作用。
综上所述，本实施例所述技术方案具有原理明确、设计简单的优点，在具体实施中，衬底100上形成相应的第一源极301、第一漏极302以及第二源极303、第二漏极304，第一湿敏材料层401上形成有第一栅极501，第二湿敏材料层402上形成有第二栅极502，第一湿敏材料层401分别与第一源极301、第一漏极302电连接，从而构成第一MOS管，第一湿敏材料层401作为第一MOS管的栅极介电层，相应的，第二湿敏材料层402分别与第二源极303、第二漏极304电连接，从而构成第二MOS管，第二湿敏材料层402作为第二MOS管的栅极介电层，其中，第一MOS管被隔绝层600所覆盖，而第二MOS管则暴露在外，以使得第一MOS管与第二MOS管之间构成相应的差分结构，基于第一感测信号以及第二感测信号的差值，将温度对第一MOS管以及第二MOS管的影响互相抵消，在对湿度进行感测的同时消除温度对其所造成的影响，使温度对器件的性能影响降到最低，提高感测精度，并且相应的减小了芯片体积和制备成本，也使线性度及抗污染性差的问题得到一定提升，保证其测量精度和长期稳定性。
图2示出本发明的另一个实施例提出的一种温度传感器芯片的制作方法的流程图，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S1、在衬底100上形成第一源极区域201、第一漏极区域202以及第二源极区域203、第二漏极区域204；
具体的，如图3所示，在本实施例中，可首先通过热氧化的工艺方法在衬底100上生长一层绝缘层200，绝缘层200的材料可为二氧化硅，首先在绝缘层200上涂覆光刻胶，采用第一次光刻的工艺对绝缘层200进行图案化，将剩余的绝缘层200进行去除，在衬底100上形成相应的第一源极区域201，第一漏极区域202，第二源极区域203，第二漏极区域204。需要说明的是，光刻的工艺手段为现有技术，因此，其具体过程，本文对此不再赘述。
S2、在所述第一源极区域201内形成第一源极301、在所述第一漏极区域202内形成第一漏极302以及在所述第二源极区域203内形成第二源极303、在所述第二漏极区域204内形成第二漏极304；
具体的，如图4所示，在本实施例中，分别在第一源极区域201形成第一源极301、在第一漏极区域202内形成第一漏极302、在第二源极区域203内形成第二源极303、在第二漏极区域204内形成第二漏极304，在本实施例的一些可选地实现方式中，可采用浓磷扩撒的工艺方法来对第一源极区域201、第一漏极区域202、第二源极区域203以及第二漏极区域204形成高浓度掺杂，从而形成相应的第一源极301、第一漏极302、第二源极303以及第二漏极304。
S3、在所述衬底100上形成第一湿敏材料层401以及第二湿敏材料层402，所述第一湿敏材料层401与所述第一源极301、第一漏极302电连接，所述第二湿敏材料层402与所述第二源极303、第二漏极304电连接；
具体的，如图5所示，在本实施例中，可首先将光刻胶进行光速匀胶至于衬底100上形成光刻胶层，然后对光刻胶层图案化，预留出栅极介电层的位置，接着，进行湿敏材料的沉积，最后利用显影液将栅极介电层以外的部分去除，从而形成第一湿敏材料层401以及第二湿敏材料层402，以使得第一湿敏材料层401分别与第一源极301以及第一漏极302电连接，而第二湿敏材料层402则分别与第二源极303以及第二漏极304电连接。
S4、在所述第一湿敏材料层401形成第一栅极501，在所述第二湿敏材料402上形成第二栅极502；
具体的，如图6所示，在本实施例中，可首先在衬底100上再次形成一层绝缘层200，并通过光刻、刻蚀的工艺方法对绝缘层200进行图案化处理，从而分别在第一湿敏材料以及第二湿敏材料的上方形成栅极窗口，接着，进行栅极电极或多晶硅的沉积，形成相应的栅极，然后，用光刻胶对栅极进行掩膜保护，通过干法刻蚀的工艺方法去除剩余的绝缘层200，最后，去除栅极表面上的光刻胶，露出栅极。
S5、形成隔绝层600，覆盖所述第一栅极501、所述第一湿敏材料层401、所述第一源极301以及所述第一漏极302。
具体的，在本实施例中，可通过沉积的方式形成隔绝层600，通过光刻、刻蚀的工艺手段对隔绝层600进行图案化，从而使隔绝层600覆盖所述第一栅极501、所述第一湿敏材料层401、第一源极301以及第一漏极302，并将所述第二栅极502、所述第二湿敏材料层402、第二源极303以及第二漏极304暴露在外，从而得到如图1所示的湿度传感器芯片。
在本实施例的一些可选地实现方式中，所述第一湿敏材料层401和/或所述第二湿敏材料层402的材料包括聚酰亚胺、聚醋酸乙烯或聚乙烯。
在本实施例的一些可选地实现方式中，所述隔绝层600的材料包括二氧化硅或氮化硅。
图7示出本发明的又一个实施例提出的一种湿度检测系统的结构框图，如图7所示，所述系统包括：
上述实施例提出的湿度传感器芯片；以及
处理单元；
其中，所述第一栅极501、第二栅极502分别接收工作信号，以使得所述第一源极301或所述第一漏极302输出第一感测信号、所述第二源极303或所述第二漏极304输出第二感测信号，所述处理单元基于所述第一感测信号以及所述第二感测信号来生成湿度检测数据。
具体的，在本实施例中，第一MOS管与第二MOS管可构成差分电路，第一MOS管以及第二MOS管可为P型MOS管或N型MOS管，示例性的，其等效电路图如图8所示，在图8的示例中，第一MOS管以及第二MOS为N型MOS管，第一MOS管的第一栅极501与第一栅极501电阻(图8中的RG1)连接，所述第一栅极501电阻接收工作信号(图8中的uS)，第一MOS管的第一漏极302与第一漏极302电阻(图8中的RD1)连接，第一漏极302电阻接收地电压，第一MOS管的第一源极301与第一源极301电阻(图8中的RS1)连接并输出第一感测信号，第一源极301电阻接收地电压，第二MOS管的第二栅极502与第二栅极502电阻(图8中的RG2)连接，所述第二栅极502电阻接收工作信号(图8中的uS)，第二MOS管的第二漏极304与第二漏极304电阻(图8中的RD2)连接，第二漏极304电阻与第一漏极302电阻连接，第二MOS管的第二源极303与第二源极303电阻(图8中的RS2)连接并输出第二感测信号，第二源极303电阻与第一源极301电阻连接。
由于第一MOS管被隔绝层600所覆盖，而第二MOS管暴露在外，因此，在工作时，第一MOS管中的第一湿敏材料层401会受到温度的影响而改变其自身的介电常数，从而输出相应的第一感测信号，而第二MOS管中的第二湿敏材料层402会同时受到温度以及湿度的影响而改变其自身的介电常数，从而输出相应的第二感测信号，第一MOS管与第二MOS管所分别输出第一感测信号以及第二感测信号的差值(图8中的u0)作为处理单元的输入，处理单元能够基于第一感测信号以及第二感测信号的差值来进一步的生成湿度检测数据，降低温度变化对湿度感测过程的影响，使得温度对第一MOS管以及第二MOS管的影响互相抵消，将温度对器件的性能影响降到最低，有效提高湿度感测范围和精度，
本发明的再一个实施例提出的一种利用上述实施例提出的湿度检测系统的使用方法，所述方法包括以下步骤：
所述第一栅极501、第二栅极502分别接收工作信号，以使得所述第一源极301或所述第一漏极302输出第一感测信号、所述第二源极303或所述第二漏极304输出第二感测信号，所述处理单元基于所述第一感测信号以及所述第二感测信号来生成湿度检测数据。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种湿度传感器芯片，其特征在于，包括：
衬底；
在所述衬底上形成的第一源极区域、第一漏极区域以及第二源极区域、第二漏极区域；
在所述第一源极区域内形成的第一源极、在所述第一漏极区域内形成的第一漏极以及在所述第二源极区域内形成的第二源极、在所述第二漏极区域内形成的第二漏极；
在所述衬底上形成的第一湿敏材料层以及第二湿敏材料层，所述第一湿敏材料层与所述第一源极、第一漏极电连接，所述第二湿敏材料层与所述第二源极、第二漏极电连接；
在所述第一湿敏材料层上形成的第一栅极，在所述第二湿敏材料层上形成的第二栅极；
隔绝层，覆盖所述第一栅极、所述第一湿敏材料层、所述第一源极以及所述第一漏极。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器芯片，其特征在于，所述第一湿敏材料层和/或所述第二湿敏材料层的材料包括聚酰亚胺、聚醋酸乙烯或聚乙烯。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器芯片，其特征在于，所述隔绝层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器芯片，其特征在于，所述衬底的材料包括P型硅基材料。
5.一种温度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上形成第一源极区域、第一漏极区域以及第二源极区域、第二漏极区域；
在所述第一源极区域内形成第一源极、在所述第一漏极区域内形成第一漏极以及在所述第二源极区域内形成第二源极、在所述第二漏极区域内形成第二漏极；
在所述衬底上形成第一湿敏材料层以及第二湿敏材料层，所述第一湿敏材料层与所述第一源极、第一漏极电连接，所述第二湿敏材料层与所述第二源极、第二漏极电连接；
在所述第一湿敏材料层形成第一栅极，在所述第二湿敏材料上形成第二栅极；
形成隔绝层，覆盖所述第一栅极、所述第一湿敏材料层、所述第一源极以及所述第一漏极。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，还包括：
采用浓磷扩散分别在第一源极区域、第一漏极区域和/或第二源极区域、第二漏极区域内形成第一源极、第一漏极和/或第二源极、第二漏极。
7.根据权利要求5所述的湿度传感器芯片，其特征在于，所述第一湿敏材料层和/或所述第二湿敏材料层的材料包括聚酰亚胺、聚醋酸乙烯或聚乙烯。
8.根据权利要求5所述的湿度传感器芯片，其特征在于，所述隔绝层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
9.一种湿度检测系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-4中任一项所述的湿度传感器芯片；以及
处理单元；
其中，所述第一栅极、第二栅极分别接收工作信号，以使得所述第一源极或所述第一漏极输出第一感测信号、所述第二源极或所述第二漏极输出第二感测信号，所述处理单元基于所述第一感测信号以及所述第二感测信号来生成湿度检测数据。
10.一种利用如权利要求9所述的湿度检测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述第一栅极、第二栅极分别接收工作信号，以使得所述第一源极或所述第一漏极输出第一感测信号、所述第二源极或所述第二漏极输出第二感测信号，所述处理单元基于所述第一感测信号以及所述第二感测信号来生成湿度检测数据。
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