CN115452035A - 集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法 - Google Patents

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CN115452035A CN202210909434.8A CN202210909434A CN115452035A CN 115452035 A CN115452035 A CN 115452035A CN 202210909434 A CN202210909434 A CN 202210909434A CN 115452035 A CN115452035 A CN 115452035A
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Abstract

本发明提供了一种集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法，包括：压力检测单元和湿度检测单元，所述压力检测单元和湿度检测单元中均设置有空腔，所述压力检测单元中的空腔用于形成压力敏感膜的自由运动空间，所述湿度检测单元中的空腔用于形成隔离热岛，所述湿度检测单元包括湿敏电容单元和加热电阻单元。本发明将湿度传感器嵌入到压力传感器的设计和工艺中，将湿度传感器和压力传感器集成到一颗芯片上。利用压力传感器的空腔，将湿度传感器制作于空腔上，提高了加热效率，用户定期开启加热功能，可以有效抵抗湿度传感器的漂移。

Description

集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法
技术领域
本发明涉及传感器芯片技术领域，具体地，涉及一种集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法。
背景技术
在智能物联网家居，智能移动终端等领域，通常需要监测环境数据，如环境的温度，湿度，气压，空气质量，光强等数据，并进行适当的反馈调节，以达到舒适的人居环境，或提醒用户避开可能的环境侵害。智能终端要求芯片和模组的尺寸越来越小，对于传感器芯片的集成是一个较大的挑战，因为一般来说一种传感器对应一种特色工艺，需要根据不同传感器的工艺特点进行有机整合。
如Bosch公司的BME680产品，其在一颗传感器芯片中集成了温度，湿度，压力检测传感单元，并通过SIP封装的形式，将处理电路单元，以及气体传感单元集成到一个封装内，实现温度、湿度、压力、气体4种检测功能。但是该芯片的湿度传感检测存在长期漂移大的问题。
为了解决湿度传感器长期使用漂移大的问题，有诸多专利提出增加加热单元以解决长期漂移问题，但是由于硅是热的良导体，芯体在有限的加热功率(电压限制)下和芯片安装基板热负载的问题，导致很难加热到50℃以上，因此实际很难解决该问题。CN111122656A专利提出采用在悬空薄膜上制作湿度检测单元，可以有效降低热负载，提高加热效率；但是该方案由于悬空薄膜的制作，实际成本较大，分立器件难以商用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法。
根据本发明提供的一种集成压力和湿度检测的传感器芯片，包括：压力检测单元和湿度检测单元，所述压力检测单元和湿度检测单元中均设置有空腔，所述压力检测单元中的空腔用于形成压力敏感膜的自由运动空间，所述湿度检测单元中的空腔用于形成隔离热岛，所述湿度检测单元包括湿敏电容单元和加热电阻单元。
优选地，所述压力检测单元包括第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻的电阻在压力增大时电阻增大，所述第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻在压力增大时电阻减小；
所述压力检测单元上设置有四个焊盘，所述第一压敏电阻的一端和第三压敏电阻的一端连接第一焊盘，所述第三压敏电阻的另一端与第二压敏电阻的一端连接第二焊盘，所述第二压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的一端连接第三焊盘，所述第一压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的另一端连接第四焊盘。
优选地，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻均设置在压力检测单元空腔的边界中心处。
优选地，所述压力检测单元测量压力包括以下步骤：
步骤S1.1：在第一焊盘端子接VDD电压，第三焊盘端子接GND电压，两者之间的压差为U，第二焊盘端子和第四焊盘端子为电压信号输出端子，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的初始电阻均为R；
步骤S1.2：第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻与所收到的压应力的变化比例为α，第一压敏电阻、第二压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k1，第三压敏电阻和第四压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k2；
步骤S1.3：当外界有ΔP的压力变化时，第一压敏电阻和第二压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR1，第三压敏电阻和第四压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR2，则根据以下公式推导出ΔP的压力导致的ΔU的信号变化：
ΔR1＝α·k1·ΔP
ΔR2＝α·k2·ΔP
Figure BDA0003773598490000021
Figure BDA0003773598490000022
Figure BDA0003773598490000023
Figure BDA0003773598490000024
优选地，所述湿敏电容单元包括叉指电极和湿敏介质，所述湿敏介质填充设置在叉指电极之间，所述湿度检测单元上设置有叉指电极的正负极端子，所述加热电阻单元包括电阻和电阻的正负极端子。
优选地，所述湿度检测单元测量包括以下步骤：
步骤S2.1：获取外界湿度的变化值ΔRH，当湿敏介质的相对介电常数发生Δε的变化时导致湿敏电容单元产生ΔC的变化，得到：
Δε＝α·ΔRH
ΔC＝k·Δε·ε0＝k·α·ε0·ΔRH
其中α为湿敏介质的介电常数和相对湿度的变化关系系数，k为电容的形状因子，ε0为真空介电常数。
步骤S2.2：根据当前的电容值推算出当前环境的相对湿度值；
步骤S2.3：当湿敏电容单元长期使用导致湿度值偏大时，通过加热电阻单元对湿敏电容单元加热。
根据本发明提供的一种集成压力和湿度检测的传感器芯片的加工方法，包括以下步骤：
步骤A1：设置衬底，所述衬底上包含空腔和封闭薄膜，在压力检测单元中，封闭薄膜用于感知外界压力变化，空腔为封闭薄膜提供运动空间，在湿度检测单元中，封闭薄膜作为热岛，降低封闭薄膜对衬底的热传导效果；
步骤A2：在衬底上设置压敏电阻层，所述衬底为N型硅，所述压敏电阻层为P型掺杂电阻；
步骤A3：沉淀介质层，并在介质层上开设接触孔，所述接触孔用于将压敏电阻层连接到金属层；
步骤A4：设置金属层，并通过光刻或蚀刻工艺形成所需的互连导线、焊盘、叉指电极以及加热电阻；
步骤A5：沉淀钝化层，用于保护金属层，在焊盘位置通过光刻或蚀刻工艺去除金属表面的钝化层；
步骤A6：在叉指电极上设置湿敏层。
优选地，所述步骤A3中接触孔与金属层的连接方式包括：在金属层通过金属沉淀到接触孔中进行互连，或在接触孔中溅射钨，通过磨平后作为连接金属与金属层连接。
优选地，在衬底上设置空腔的方法包括以下步骤：
步骤A1.1：在P型硅衬底上，通过N+注入形成N型环，N型环的纵向深度大于空腔深度，通过N-注入N型网格层，所述N型网格层的浓度低于N型环的浓度，所述N型网格用于掏空硅衬底后给予表面薄膜机械支撑；
步骤A1.2；制作钝化层，所述钝化层包括氧化层和氮化硅层，所述氧化层起过渡层作用，所述氮化硅层作为抗HF酸腐蚀层；通过光刻刻蚀工艺在N-网格层打开刻蚀窗口；
步骤A1.3；利用HF/EtOH的混合溶液，加载电流，对硅片进行电化学腐蚀，在P型硅区域形成泡沫状硅层；
步骤A1.4；利用低浓度TMAH溶液腐蚀泡沫状硅层，形成空腔，N-网格受低浓度TMAH溶液腐蚀速率低，得以保留；再利用热磷酸和BOE腐蚀液将氮化硅和氧化硅去除；
步骤A1.5；将硅片置于外延炉中，采用氢气退火，再外延生长N型单晶硅，小孔在外延生长过程中封闭起来，再继续外延生长至所需的厚度，完成空腔和封闭薄膜的制作。
优选地，在衬底上设置空腔的方法包括以下步骤：
步骤B1.1：制作衬底，所述衬底包含第一P型衬底和N型外延层，所述外延层的厚度为封闭薄膜所需设计的厚度；
步骤B1.2：在衬底背面生长氧化层，并在需要开窗裸露硅的地方通过光刻刻蚀的工艺去除表面氧化层；
步骤B1.3：利用TMAH溶液腐蚀衬底，形成沟槽，并通过BOE腐蚀液去除表面氧化层；
步骤B1.4：设置第二P型衬底，通过硅硅键合的工艺与上述衬底进行密封键合，得到所需空腔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、将湿度传感器嵌入到压力传感器的设计和工艺中，将湿度传感器和压力传感器集成到一颗芯片上。
2、利用压力传感器的空腔，将湿度传感器制作于空腔上，提高了加热效率，用户定期开启加热功能，可以有效抵抗湿度传感器的漂移。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明集成压力和湿度检测的传感器芯片的正视图；
图2为加热单元功耗和湿敏电容单元区域平均温升的关系图；
图3为集成压力和湿度检测的传感器断面图；
图4为本发明实施例表面硅工艺实现空腔过程中步骤1示意图；
图5为本发明实施例表面硅工艺实现空腔过程中步骤2示意图；
图6为本发明实施例表面硅工艺实现空腔过程中步骤3示意图；
图7为本发明实施例表面硅工艺实现空腔过程中步骤4示意图；
图8为本发明实施例表面硅工艺实现空腔过程中步骤5示意图；
图9为本发明实施例体硅工艺实现空腔过程中步骤1示意图；
图10为本发明实施例体硅工艺实现空腔过程中步骤2示意图；
图11为本发明实施例体硅工艺实现空腔过程中步骤3示意图；
图12为本发明实施例体硅工艺实现空腔过程中步骤4示意图。
附图标记说明：
压力检测单元 1000 衬底 301
湿度检测单元 1100 封闭薄膜 3012
空腔 1200 压敏电阻层 302
封闭边界 1300 介质层 303
第一焊盘 1001 接触孔 304
第二焊盘 1002 金属层 305
第三焊盘 1003 钝化层 306
第四焊盘 1004 湿敏层 307
第一压敏电阻 1005 P型硅衬底 401
第二压敏电阻 1006 N型环 402
第三压敏电阻 1007 N型网格层 403
第四压敏电阻 1008 氧化层 404
接触孔 1009 氮化硅层 405
电阻正极端子 1101 泡沫状硅层 406
电极正极端子 1102 第一P型衬底 501
电极负极端子 1103 N型外延层 502
电阻负极端子 1104 氧化层 503
湿敏介质 1105 沟槽 504
叉指电极 1106 第二P型衬底 505
加热电阻 1107
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明公开一种集成压力和湿度检测的传感器芯片，如图1所示，包括：压力检测单元1000和湿度检测单元1100，所述压力检测单元1000和湿度检测单元1100中均设置有空腔1200，所述压力检测单元1000中的空腔1200用于形成压力敏感膜的自由运动空间，所述湿度检测单元1100中的空腔1200用于形成隔离热岛，所述湿度检测单元1100包括湿敏电容单元和加热电阻单元。在传感器芯片的四周为封闭边界1300。
为了实现压力检测单元，一般实现原理为4个压敏电阻构成惠斯通电桥，当外界气压发生变化时，相邻两个压敏电阻，因应力的作用发生相反的电阻变化，进而在检测端发生电压变化，该电压信号与压力型号呈线性变化趋势。具体的，所述压力检测单元包括第一压敏电阻1005、第二压敏电阻1006、第三压敏电阻1007以及第四压敏电阻1008，所述第一压敏电阻1005和第二压敏电阻1006的电阻在压力增大时电阻增大，所述第三压敏电阻1007和第四压敏电阻1008的电阻在压力增大时电阻减小。压敏电阻均设置在空腔的边界中心处，以达到最大的灵敏度。还设置有接触孔1009，可以实现压敏电阻与顶层金属的互联。
所述压力检测单元上设置有四个焊盘，所述第一压敏电阻1005的一端和第三压敏电阻1007的一端连接第一焊盘1001，所述第三压敏电阻1007的另一端与第二压敏电阻1006的一端连接第二焊盘1002，所述第二压敏电阻1006的另一端和第四压敏电阻1008的一端连接第三焊盘1003，所述第一压敏电阻1005的另一端和第四压敏电阻1008的另一端连接第四焊盘1004。通过焊盘与其他电路处理单元实现电气连接。
实现压力检测的过程如下：
步骤：S1.1：在第一焊盘1001端子接VDD电压，第三焊盘1003端子接GND电压，两者之间的压差为U，第二焊盘端子1002和第四焊盘1004端子为电压信号输出端子，假设振膜初始为无应力状态，所述第一压敏电阻1005、第二压敏电阻1006、第三压敏电阻1007和第四压敏电阻1008的初始电阻均为R；
步骤S1.2：第一压敏电阻1005、第二压敏电阻1006、第三压敏电阻1007和第四压敏电阻1008的电阻与所收到的压应力的变化比例为α(通常该值为材料的压敏系数，同种材料的压敏系数相同)，压应力与外界压力的变化比例为k，该值与电阻的形状参数，布局位置相关，第一压敏电阻1005、第二压敏电阻1006受到的压应力与外界压力的变化比例为k1，第三压敏电阻1007和第四压敏电阻1008受到的压应力与外界压力的变化比例为k2。
步骤S1.3：当外界有ΔP的压力变化时，第一压敏电阻1005和第二压敏电阻1006感知到的平均应力变化为ΔR1，第三压敏电阻1007和第四压敏电阻1008感知到的平均应力变化为ΔR2，则根据以下公式推导出ΔP的压力导致的ΔU的信号变化：
ΔR1＝α·k1·ΔP
ΔR2＝α·k2·ΔP
Figure BDA0003773598490000071
Figure BDA0003773598490000072
Figure BDA0003773598490000073
Figure BDA0003773598490000074
在一般压力传感器的设计中，通过有限元仿真计算，将电阻所感知的平均应力设置相等，即k1≈k2，此时输出电压信号与外界压力变化呈线性变化；另一方面，振膜的初始应力一般不为0，因为实际的封闭薄膜形成过程为低压状态，实际空腔的压力低于外界大气压，实际应用时只需要校零即可。
为了实现耐漂移的湿度检测单元，湿度检测单元由湿敏电容单元和加热电阻单元组成，湿敏电容单元包括叉指电极1106和湿敏介质1105，所述湿敏介质1105填充设置在叉指电极1106之间，所述湿度检测单元上设置有叉指电极1106的电极正极端子1102和电极负极端子1103，所述加热电阻单元包括加热电阻1107和电阻正极端子1101和电阻负极端子1104。
实现耐漂移的湿度传感单的原理及过程为：
步骤S2.1：获取外界湿度的变化值ΔRH，当湿敏介质的相对介电常数发生Δε的变化时导致湿敏电容单元产生ΔC的变化，得到：
Δε＝α·ΔRH
ΔC＝k·Δε·ε0＝k·α·ε0·ΔRH
其中α为湿敏介质的介电常数和相对湿度的变化关系系数，其主要与水汽在材料中的体积含量相关，一般接近线性比例关系；k为电容的形状因子，ε0为真空介电常数，对于平板电容为电极极板面积与电极极板间距的比值，而叉指电容的形状系数一般需要通过有限元仿真得到。
步骤S2.2：当湿敏电容单元经过校准后，根据当前的电容值推算出当前环境的相对湿度值；
步骤S2.3：当湿敏电容单元长期使用，尤其在高湿环境下使用后，由于水汽分子占据了湿敏介质的空隙，且无法逃逸，导致湿度值偏大，远远超出标称精度。此时需要通过高温处理芯片使其恢复初始状态。而此时芯片一般已经装入系统，无法在外界对其加热至120℃以上的高温，因此需要片上加热单元。
设置一400*400μm2的空腔，空腔上部封闭薄膜厚度为5μm的单晶硅，湿敏电容单元和加热单元设置在封闭薄膜中心，200*200μm2的面积，考察不同功耗下湿敏电容单元区域的加热平均温升效果，如图2所示。当功耗在400mW左右时可以达到120℃，设计时也可以通过调整空腔尺寸，封闭薄膜的厚度等改善功耗；用户在使用时可以根据实际需求进行定期加热1～10min，以达到恢复设置的目的。
图3为集成压力和湿度检测的传感器芯片断面图。为了将湿度检测单元的制作工艺整合到压力检测单元的制作工艺中，本专利提供如下实施方案：
步骤A1：设置衬底301，所述衬底301上包含空腔1200和封闭薄膜3012，在压力检测单元1000中，封闭薄膜3012用于感知外界压力变化，空腔1200为封闭薄膜3012提供运动空间，在湿度检测单元1100中，封闭薄膜3012作为热岛，降低封闭薄膜3012对衬底301的热传导效果，从而达到聚热效果。
步骤A2：在衬底301上设置压敏电阻层302，一般来说衬底为N型硅，压敏电阻可以通过离子注入或者扩散形成P型掺杂电阻，该电阻具备压敏特性。
步骤A3：沉淀介质层303，并在介质层303上开设接触孔304，介质层303通常为氧化硅，用于层间隔离，而接触孔304是为了将压敏电阻层302接到金属层305上，实施方法一般有两种：1)直接通过上层金属淀积到接触孔中进行互连；2)通过在接触孔中溅射钨，再CMP磨平后作为互连金属。
步骤A4：设置金属层305，并通过光刻或蚀刻工艺形成所需的互连导线、焊盘、叉指电极以及加热电阻等元件；
步骤A5：沉淀钝化层306，用于保护金属层305，在焊盘位置通过光刻或蚀刻工艺去除金属表面的钝化层306，供后续引线键合。通常该层选择SiN或SiO2/SiN复合层。
步骤A6：在叉指电极上设置湿敏层307，该层通常为聚酰亚胺，聚砜等湿敏材料。
通过以上的步骤，可以将湿度检测单元1100和压力检测单元1000有机整合到一起，不增加额外的工艺难度，同时可以实现耐漂移的湿度传感器。
在步骤A1中，空腔形成的方案可分别归类为表面硅工艺和体硅工艺。
图4-图8为表面硅工艺实现空腔的过程。具体的流程为：
步骤A1.1：如图4所示，在P型硅衬底401上，通过N+注入形成N型环402，通常该注入层浓度较高，用于隔离并定义空腔的尺寸，其纵向深度一般需要大于将来的空腔深度。通过N-注入N型网格层403，该注入层较N型环的浓度低，N型网格的作用是后续腐蚀掏空硅衬底后，给予表面薄膜的机械支撑。
步骤A1.2；如图5所示，制作钝化层，所述钝化层包括氧化层404和氮化硅层405，所述氧化层404起过渡层作用，厚度一般10nm左右，所述氮化硅层405作为抗HF酸腐蚀层，厚度150nm左右。通过光刻刻蚀工艺在N-网格层打开刻蚀窗口；
步骤A1.3；如图6所示，利用HF/EtOH的混合溶液，加载电流，对硅片进行电化学腐蚀，在P型硅区域形成泡沫状硅层406；
步骤A1.4；如图7所示，利用低浓度TMAH溶液腐蚀泡沫状硅层，形成空腔，N-网格受低浓度TMAH溶液腐蚀速率低，得以保留；再利用热磷酸和BOE腐蚀液将氮化硅和氧化硅去除；
步骤A1.5；如图8所示，将硅片置于外延炉中，采用氢气退火，再外延生长N型单晶硅，小孔在外延生长过程中封闭起来，再继续外延生长至所需的厚度，完成空腔1200和封闭薄膜3012的制作。
图9-图12为体硅工艺实现空腔的过程，具体的，在衬底上设置空腔的方法包括以下步骤：
步骤B1.1：如图9所示，制作衬底，所述衬底包含第一P型衬底501和N型外延层502，所述外延层的厚度为封闭薄膜所需设计的厚度；
步骤B1.2：如图10所示，在衬底背面生长氧化层503，并在需要开窗裸露硅的地方通过光刻刻蚀的工艺去除表面氧化层；
步骤B1.3：如图11所示，利用TMAH溶液腐蚀衬底，形成沟槽504，并通过BOE腐蚀液去除表面氧化层；
步骤B1.4：如图12所示，提供第二P型衬底505，通过硅硅键合的工艺与上述衬底进行密封键合，得到所需空腔1200。
值得注意的是，尤其在体硅工艺中，由于工艺集成的需求不同，制作空腔的时序可以进行适当调整，本发明仅给出制作空腔的过程，而非整个器件的制作过程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于，包括：压力检测单元和湿度检测单元，所述压力检测单元和湿度检测单元中均设置有空腔，所述压力检测单元中的空腔用于形成压力敏感膜的自由运动空间，所述湿度检测单元中的空腔用于形成隔离热岛，所述湿度检测单元包括湿敏电容单元和加热电阻单元。
2.根据权利要求1所属的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述压力检测单元包括第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻的电阻在压力增大时电阻增大，所述第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻在压力增大时电阻减小；
所述压力检测单元上设置有四个焊盘，所述第一压敏电阻的一端和第三压敏电阻的一端连接第一焊盘，所述第三压敏电阻的另一端与第二压敏电阻的一端连接第二焊盘，所述第二压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的一端连接第三焊盘，所述第一压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的另一端连接第四焊盘。
3.根据权利要求2所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻均设置在压力检测单元空腔的边界中心处。
4.根据权利要求1-3任一项所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述压力检测单元测量压力包括以下步骤：
步骤S1.1：在第一焊盘端子接VDD电压，第三焊盘端子接GND电压，两者之间的压差为U，第二焊盘端子和第四焊盘端子为电压信号输出端子，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的初始电阻均为R；
步骤S1.2：第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻与所收到的压应力的变化比例为α，第一压敏电阻、第二压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k1，第三压敏电阻和第四压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k2；
步骤S1.3：当外界有ΔP的压力变化时，第一压敏电阻和第二压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR1，第三压敏电阻和第四压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR2，则根据以下公式推导出ΔP的压力导致的ΔU的信号变化：
ΔR1＝α·k1·ΔP
ΔR2＝α·k2·ΔP
Figure FDA0003773598480000021
Figure FDA0003773598480000022
Figure FDA0003773598480000023
Figure FDA0003773598480000024
5.根据权利要求1所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述湿敏电容单元包括叉指电极和湿敏介质，所述湿敏介质填充设置在叉指电极之间，所述湿度检测单元上设置有叉指电极的正负极端子，所述加热电阻单元包括电阻和电阻的正负极端子。
6.根据权利要求5所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述湿度检测单元测量包括以下步骤：
步骤S2.1：获取外界湿度的变化值ΔRH，当湿敏介质的相对介电常数发生Δε的变化时导致湿敏电容单元产生ΔC的变化，得到：
Δε＝α·ΔRH
ΔC＝k·Δε·ε0＝k·α·ε0·ΔRH
其中α为湿敏介质的介电常数和相对湿度的变化关系系数，k为电容的形状因子，ε0为真空介电常数。
步骤S2.2：根据当前的电容值推算出当前环境的相对湿度值；
步骤S2.3：当湿敏电容单元长期使用导致湿度值偏大时，通过加热电阻单元对湿敏电容单元加热。
7.一种集成压力和湿度检测的传感器芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A1：设置衬底，所述衬底上包含空腔和封闭薄膜，在压力检测单元中，封闭薄膜用于感知外界压力变化，空腔为封闭薄膜提供运动空间，在湿度检测单元中，封闭薄膜作为热岛，降低封闭薄膜对衬底的热传导效果；
步骤A2：在衬底上设置压敏电阻层，所述衬底为N型硅，所述压敏电阻层为P型掺杂电阻；
步骤A3：沉淀介质层，并在介质层上开设接触孔，所述接触孔用于将压敏电阻层连接到金属层；
步骤A4：设置金属层，并通过光刻或蚀刻工艺形成所需的互连导线、焊盘、叉指电极以及加热电阻；
步骤A5：沉淀钝化层，用于保护金属层，在焊盘位置通过光刻或蚀刻工艺去除金属表面的钝化层；
步骤A6：在叉指电极上设置湿敏层。
8.根据权利要求7所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片的加工方法，其特征在于：所述步骤A3中接触孔与金属层的连接方式包括：在金属层通过金属沉淀到接触孔中进行互连，或在接触孔中溅射钨，通过磨平后作为连接金属与金属层连接。
9.根据权利要求7所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片的加工方法，其特征在于：在衬底上设置空腔的方法包括以下步骤：
步骤A1.1：在P型硅衬底上，通过N+注入形成N型环，N型环的纵向深度大于空腔深度，通过N-注入N型网格层，所述N型网格层的浓度低于N型环的浓度，所述N型网格用于掏空硅衬底后给予表面薄膜机械支撑；
步骤A1.2；制作钝化层，所述钝化层包括氧化层和氮化硅层，所述氧化层起过渡层作用，所述氮化硅层作为抗HF酸腐蚀层；通过光刻刻蚀工艺在N-网格层打开刻蚀窗口；
步骤A1.3；利用HF/EtOH的混合溶液，加载电流，对硅片进行电化学腐蚀，在P型硅区域形成泡沫状硅层；
步骤A1.4；利用低浓度TMAH溶液腐蚀泡沫状硅层，形成空腔，N-网格受低浓度TMAH溶液腐蚀速率低，得以保留；再利用热磷酸和BOE腐蚀液将氮化硅和氧化硅去除；
步骤A1.5；将硅片置于外延炉中，采用氢气退火，再外延生长N型单晶硅，小孔在外延生长过程中封闭起来，再继续外延生长至所需的厚度，完成空腔和封闭薄膜的制作。
10.根据权利要求7所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片的加工方法，其特征在于：在衬底上设置空腔的方法包括以下步骤：
步骤B1.1：制作衬底，所述衬底包含第一P型衬底和N型外延层，所述外延层的厚度为封闭薄膜所需设计的厚度；
步骤B1.2：在衬底背面生长氧化层，并在需要开窗裸露硅的地方通过光刻刻蚀的工艺去除表面氧化层；
步骤B1.3：利用TMAH溶液腐蚀衬底，形成沟槽，并通过BOE腐蚀液去除表面氧化层；
步骤B1.4：设置第二P型衬底，通过硅硅键合的工艺与上述衬底进行密封键合，得到所需空腔。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116818851A (zh) * 2023-08-25 2023-09-29 宁德时代新能源科技股份有限公司 气体传感器、电池单体、电池和气体浓度检测方法
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