CN1217157C - 集成温湿度大气压力传感器芯片 - Google Patents

Abstract

一种集成温湿度大气压力传感器芯片，在基片制造出三个电阻和一个平板电极。其中两个电阻串连构成电桥的两个臂，用于测量绝对湿度，另一个电阻单独引线，用于测量温度。在基片上键合有一硅片，该硅片上对应一个测量湿度电阻和一个测量温度电阻的位置开有两个窗口。该硅片与另一个测量湿度电阻和平板电极之间刻蚀有微腔，该微腔是密封的，内部充有一个大气压力的干燥的空气。密封测量湿度电阻的腔体作为传感器芯片湿度的参照，各微腔顶部沉积有厚度为纳米到微米级的氮化硅薄膜作为传感器芯片压力的敏感膜。平板电极构成测量压力的电容的一个电极，密封于硅片的腔体内，该腔体顶部敏感膜下面镀有金或其它导电薄膜作为电容的另一个电极。

Description

集成温湿度大气压力传感器芯片

技术领域

本发明涉及一种传感器的结构和制作方法，具体地说涉及一种进行环境温度、湿度和大气压力测量的多传感器集成芯片的结构和制作方法。

背景技术

微型集成多传感器是传感技术研究发展的重要方向之一。温度、湿度和大气压力是环境和大气监测中的重要物理量。通常对这些物理量的测量采用的是分离的传感器；温度采用的是热敏电阻或铂电阻；湿度测量目前广泛采用的如电容法、吸湿法、比重法、光学法等；大气压力测量采用的是空压合传感器等。分离传感器其特点是体积较大，功耗大，不能满足目前快速发展的微系统对传感器的小体积、低功耗、集成度等方面的要求。

MEMS(micro electronic mechanical system一微机械电子系统)是近十多年来发展起来的新技术，它是指可以用微电子微机械等批量加工工艺制造的集微执行器、微传感器、集成电路等部件于一体的微机电系统。其特点是体积小，性能稳定，可批量生产，因而成本低，性能一致性好。对湿度的测量是设计制作中的难点，湿度是指单位体积内水蒸气的相对含量，对它的测量要受到许多其它因素的干扰和制约。为了制作微型的集成传感器，传统测量中广泛采用的如电容法、吸湿法、比重法、光学法等与MEMS工艺兼容较差，难以实现，因为这些方法一般要在换能器上涂敷吸湿的敏感材料。传统的绝对湿度测量是采用两个热敏电阻，也有利用微电子技术使用陶瓷等复合材料制作电阻进行湿度测量的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成温湿度大气压力传感器芯片以及该芯片的制作方法。本发明提供的芯片具有体积小，功耗低，响应快、一致性好等特点。

为实现上述目的，本发明采用MEMS技术在硅片上制作三个微型的铂温度传感器，可以实现温度与湿度的同时测量。

本发明利用电阻法的原理进行湿度传感器的设计，可以进行湿度的绝对测量。

按照本发明，一种集成温度、湿度和大气压力传感器的芯片，是在一个基片(硅或玻璃片)上用利用微电子技术制造出三个电阻和一个平板电极。其中两个电阻串连构成电桥的两个臂，用于测量绝对湿度，另一个电阻单独引线，用于测量温度。在基片上键合有一硅片，该硅片上对应一个测量湿度电阻和一个测量温度电阻的位置开有两个窗口。该硅片与另一个测量湿度电阻和平板电极之间刻蚀有微腔，该微腔是密封的，内部充有一个大气压力的干燥的空气，密封测量湿度电阻的微腔作为传感器芯片湿度的参照。对应平板电极和微腔顶部沉积有厚度为纳米到微米级的氮化硅薄膜作为传感器芯片压力的敏感膜。

平板电极是构成测量压力的电容的一个电极，其形状可以是方形、长方形或圆形，密封于硅片的腔体内，该腔体顶部敏感膜下面镀有金或其它导电薄膜作为电容的另一个电极。

本发明温度传感器的测量原理：铂电阻的阻值随温度变化而发生变化，其变化关系是Rt＝Ro(1+αT+βT²+…)后面的高次项可以省去。α，β当温度在一定范围内的变化，其值是固定不变的，这样我们通过测量Rt就可以得出温度的值。

本发明湿度测量的原理：在基片上集成铂电阻对称半电桥，将该电桥一臂密封在干燥的空气中，另一臂裸露与外界直接接触。由于电桥的对称性，在相同外界条件下对称两部分两端的电压应该相等，电桥处于平衡状态。在测量时，首先施加一个定时间定量电流使电桥通过自身阻值产生热量达到一定温度，由于裸露部分桥臂与外界气体直接接触，当外界气体中含有水蒸气，导致散热增加，温度降低，电阻的阻值就减小，电桥两端电压不再相等，电桥失去平衡。因此可以通过对电信号的测量找出其失衡量，并通过标定计算出温度湿度的一组相关曲线，同时可以根据温度传感器测得的温度值在曲线中确定其对应的湿度值。

当在电桥的两臂通一定电流时，使得电阻的温度达到400℃，利用Sutherland-Wassiljewa关于低压气体混合物导热率公式

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\λi}}{1+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Aij}(\mathrm{Xi}/\mathrm{Xj})}$

式中λmix是混合气体的导热率，λi是单一气体的导热率，Xi，Yj是组分i，j的分子分数，Aij是组分i，j的结合参数。

通过计算得出在三四百摄氏度以上水蒸气的导热系数和干空气的导热系数有明显的差异。而在这样的高温下，水蒸气的导热系数随绝对湿度的变化很敏感，水蒸气的传热系数要比空气的大，暴露在水蒸气的电阻散热要比密封的电阻散热快，这样到达稳定时，俩个电阻的温度不同，阻值不同，导致电桥失衡。

当两边电阻散热达到稳定时，其稳定电流的加热功率等于散热量，用数学表达式就是：

I²R＝S*△T*λ

式中λ是电阻表面气体的传热系数，S是电阻暴露在空气中的面积。△T是电阻表面和与其接触气体的温度差，I是流过电阻的电流值，R是电阻的阻值。

由于水蒸气的λ值大于干燥空气的值，所以△T值大，就是暴露在水蒸气的电阻其温度值低于密封电阻值的温度，这样在水蒸气中的电阻值要低于密封的电阻值，电桥俩臂电阻的电压就会发生变化，电桥就会失衡，可以通过测量这个变化量，得出水蒸气的绝对湿度。

本发明大气压力测量的原理：在基片上的电极与微腔中氮化硅薄膜上的金属电极构成了测量压力的电容，微腔是在一个标准大气压下键合密封的，氮化硅薄膜为弹性膜。当外部的气压变化时，导致氮化硅薄膜形变，从而电容发生变化。当外部压力小于一大气压时，两电极间距增大，电容变小。反之，变大。因此可以通过对电容的测量确定大气压力。采用圆形电极，其电容可通过下式计算：

$C=2\mathrm{\π\ϵ}{\∫}_0^R\frac{\mathrm{rdr}}{d_0+\mathrm{\ω}\left(r\right)}$

式中ε为空气介电常数，R为薄膜半径，d₀为薄膜内的压力与薄膜外的压力平衡时，上下电极之间的距离，ω(r)为距离薄膜中心r处的薄膜的挠度，对于氮化硅材料薄膜可以近似表示为

D为薄膜的抗挠刚度，是常数。

可以看出，外部压强P_外变小则ω(r)变大，即积分的分母变大，故电容C变小。反之，外部压强P_外变大则ω(r)变小，即积分的分母变小，故电容C变大。因此可以通过对电容的测量确定大气压力。

附图说明

图1为本发明集成传感器芯片俯视结构示意图。

图2为本发明集成传感器芯片截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的一个具体实施方案。

本实例是在一个5×5mm²的玻璃基片(1)上利用微电子技术射频溅射铂金薄膜，光刻出三个蛇形的电阻，依据需要该三个电阻还可以是螺旋形，电阻的大小约为100Ω，同时刻蚀出一个直径为1.5mm的圆形的平板电极(5)作为大气压力测量下电极。在三个电阻中，其中(2、3)两个电阻串连构成电桥的两个臂，用于测量绝对湿度；另一个电阻(4)单独引线，用于测量温度。在玻璃基片1上键合有硅片(6)，在硅片(6)上正面刻蚀二个窗口(7、8)，窗口的面积为1×2mm²，分别在电阻(3)和(4)上面，使电阻(3)通过其上方窗口感知湿度，电阻(4)通过其上方窗口感知温度。该硅片电阻(2)和平板电极(5)之间刻蚀有两个深度为2微米的微腔(10、13)，微腔(10)的尺度为：1×2mm²，其位置与玻璃基片上的电阻(2)正对；微腔(13)的尺度为：2×2mm²，其位置和玻璃基片上的平板电极(5)正对。微腔的顶部沉积有500纳米厚度的氮化硅薄膜(9、11)，在实际使用时，氮化硅薄膜(9)没有太大作用，本例中之所以将其标出，是因为这两个薄膜在一个工艺中同时沉积而成，若不沉积此氮化硅薄膜，反要增加一道工艺程序。氮化硅薄膜(11)为感知压力的敏感膜，在其下面沉积1000纳米厚的金薄膜(12)作为测量大气压力电容的上电极，面积为1.8×1.8mm²，正对着玻璃基片上的下电极，构成测量压力的电容。微腔(10、13)是密封的，内部充有一个大气压力的干燥的空气。

上述硅片键合在玻璃基片上即构成集成的温度、湿度和大气压力传感器芯片。

本发明的集成温度、湿度和大气压力传感器芯片具有如下特点：

1、集成温湿度芯片可以提供了一种快速、灵敏和稳定的同时测量温度、湿度和大气压力的方法。

2、利用MEMS技术制造的、在硅片和玻璃上的集成芯片具有体积小，功耗低，响应快、一致性好等特点。

Claims (6)

1、一种集成温湿度大气压力传感器芯片，其特征在于：

一基片，其上射频溅射铂金薄膜，光刻出三个电阻和一个平板电极，其中两个为测湿电阻并串连构成电桥的两个臂，另一个为测温电阻，平板电极为测压电容的下电极；

基片上键合有一硅片，该硅片对应电桥的一个臂和测温电阻分别开有两个窗口；

硅片对应平板电极和另一测湿电阻处刻蚀有两个微腔，分别将该平板电极和该测湿电阻密封，微腔顶部沉积有一厚度为纳米到微米级的氮化硅薄膜；以及

对应平板电极的微腔内，其氮化硅薄膜的下面镀有导电薄膜，该导电薄膜为测压电容的上电极，与平板电极构成测压电容；

由上述结构，电桥为对称半电桥，一桥臂通过窗口与外界气体接触，通入一定时间定量电流使电桥通过自身阻值达到一定温度；当外界气体中含有水蒸气，导致散热增加，温度降低，电阻的阻值减小，电桥失去平衡，通过对电信号的失衡量，标定计算出温度湿度的相关曲线，并根据测温电阻测得的温度值在曲线中确定其对应的湿度值；

由上述结构，外部的气压变化时，导致氮化硅薄膜形变，电容发生变化，通过对电容的测量确定大气压力。

2、根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述基片上的三个电阻形状为蛇形或螺旋形；平板电极为方形、长方形或圆形。

3、根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述氮化硅薄膜下面的导电薄膜为金薄膜。

4、根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述基片为硅片或玻璃片。

5、根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述密封平板电极和测湿电阻的微腔内部充有一个大气压力的干燥空气。

6、根据权利要求1或5所述的芯片，其特征在于，所述密封有测湿电阻的微腔作为传感器芯片测量湿度的参照。

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