CN1327215C - Cmos工艺兼容的相对湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容相对湿度传感器，由衬底，氧化层，电容下极板，电容上极板组成，氧化层设在衬底上，电容下极板平铺于氧化层上，电容上极板位于衬底和氧化层的上方；本发明具有制作方法和结构非常简单，温度漂移小，抗干扰能力强，有效降低生产成本，具有响应迅速，有利于后续电子电路的检出等优点。

Description

CMOS工艺兼容的相对湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种与标准CMOS工艺相兼容相对湿度传感器，尤其是一种采用空气作为湿敏介质的CMOS工艺兼容的相对湿度传感器。

背景技术

湿度传感器是基于其功能材料与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上制造的，它具有可将湿度物理量转化为电讯号的功能。湿度测量在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航空等部门都有重要的应用。湿度传感器作为湿度测量系统中重要的组成部分，已经发展了很多年。由最初的毛发计和干湿球湿度传感器发展到能够输出电信号的LiCl电解质湿度传感器。发展过程中出现了电解质湿度传感器，陶瓷湿度传感器，半导体结型及MOS型湿度传感器和新兴的高分子湿度传感器。CMOS工艺兼容的湿度传感器即利用标准的CMOS IC工艺将湿度传感器做在硅片上，这样做的优点是使得传感器的灵敏度、线性度、精确度以及接口电路的性能得到提高，显著减小了器件尺寸，另一方面，利用IC技术制造传感器是一种廉价，可大批量生产的技术。早在1988年英国人Silverthorne就提出了用CMOS工艺制造湿度传感器，他用聚合物作为感湿介质，硼重掺杂区作为下极板，多孔金属层作为上极板，多孔金属层很薄，一般为几十纳米，水汽分子可以自由通过上极板进入感湿介质，引起聚合物介电常数的变化，从而使湿敏电容值发生变化，实现对湿度的测量。这种传感器是通过标准CMOS工艺加后道工序完成制作，处理电路和参考电容是通过标准CMOS工艺加工完成，而湿敏介质的涂敷以及上金属电极的淀积都是通过后道工序即非标准CMOS工艺加工完成，所以加工成本较高，产品一致性较差。中国人顾磊也曾提出过CMOS工艺兼容的湿度传感器。他将铝刻蚀成叉指状，形成一叉指电容，在铝层上涂覆聚酰亚胺作为湿敏介质。由于标准CMOS工艺线铝的淀积厚度一般只有1～2个微米，所以这种靠侧壁感应的湿敏电容值比较小，给后续电路的检测带来了困难。

发明内容

本发明提供一种能CMOS工艺兼容的相对湿度传感器，具有结构简单，制作成本低，响应迅速，温漂小和可靠性好的优点。

本发明采用如下技术方案：

本发明是一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容相对湿度传感器，由衬底，氧化层，电容下极板，电容上极板组成，氧化层设在衬底上，电容下极板平铺于氧化层上，电容上极板位于衬底和氧化层的上方。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

采用本发明制作湿度传感器，制作方法和结构都非常简单，并且是电容式结构，温度漂移小，抗干扰能力强。采用标准CMOS相兼容的工艺生产，能有效降低生产成本。传统的三明治结构湿敏电容是将湿敏介质置于上下极板中间，为了能使感湿介质感受到外界湿度的变化，上极板一般都刻出窗口来保证水汽能自由透过极板被感湿介质吸收，这样做的不足之处是感湿介质的选择受到一定的限制，并且上极板窗口图案的选择会对湿度传感器的响应产生一定的影响，并且这样制作传感器与CMOS工艺不相兼容，成本较高。本发明提出的与标准CMOS工艺相兼容相对湿度传感器，只需淀积两次金属并刻蚀形成上下极板，最后通过化学溶剂漂洗释放出传感器结构，制作过程相对简单。与采用叉指结构的湿敏电容相比，本发明其0％相对湿度下的固定电容值以及全量程的电容变化量均高出一个数量级，并且采用空气作为感湿介质，与使用高分子材料作为湿敏介质相比具有响应迅速，有利于后续电子电路的检出。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是制作湿度传感器所用到的三块掩膜版图，分别是电容下极板3，牺牲层5和电容上极板4。

具体实施方式

一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容相对湿度传感器，由衬底1，氧化层2，电容下极板3，电容上极板4组成，氧化层2设在衬底1上，电容下极板3平铺于氧化层2上，电容上极板4位于衬底1和氧化层2的上方，在本实施例中，电容上极板4通过锚区固定在氧化层2上在电容上极板4上的位于电容下极板3上方的区域设有孔41。

本发明是一种用空气作为感湿介质的电容式相对湿度传感器，由衬底1，氧化层2，电容下极板3，电容上极板4组成。电容下极板3位于氧化层2上，通过溅射铝并刻蚀形成，其俯视图如附图2中下电极掩膜版3所示。上极板4通过平行锚区固定在氧化层2上，并且上极板上刻有许多等间距的微孔，这样环境中的水汽分子可以自由通过微孔，进入到湿敏电容两极板之间，从而改变湿敏电容值。在制作此湿度传感器过程中，上极板4和下极板3之间夹了一层正型光刻胶作为最后释放结构的牺牲层，其俯视图如附图2中牺牲层掩膜版5所示，当CMOS标准工艺完成以后将此传感器放入丙酮溶液中进行漂洗，丙酮溶液通过上极板4上的微孔可以将正型光刻胶去除，这样湿敏电容结构最终形成。本实施例中衬底1为体硅，氧化层2为二氧化硅，电容上极板4和电容下极板3材质均为铝，牺牲层5为正型光刻胶，最后通过丙酮溶液将其去除。

本湿度传感器的制备过程为：衬底1准备，清洗；热生长氧化层2；溅射铝并刻蚀形成电容下极板3；涂覆正型光刻胶，光刻，显影并坚膜形成牺牲层5，在牺牲层5上溅射铝并刻蚀形成电容上极板4，将传感器芯片放入丙酮溶液中漂洗，去除牺牲层，释放结构最终形成湿敏电容，上下极板间的介质为空气，当外界环境湿度变化时，环境中的水汽分子通过上极板微孔进入两极板间，空气的介电常数发生变化，从而导致湿敏电容值发生改变。通过电子电路检出此湿敏电容值就可以获得环境的湿度信息。

Claims (3)

1、一种用于检测湿度的CMOS工艺兼容相对湿度传感器，由衬底(1)，氧化层(2)，电容下极板(3)，电容上极板(4)组成，氧化层(2)设在衬底(1)上，其特征在于电容上极板(4)设在氧化层(2)上，在电容上极板(4)上的与氧化层(2)相接触的表面上设有条形沟槽，上述电容下极板(3)设在条形沟槽内且置于氧化层(2)上。

2、根据权利要求1所述的CMOS工艺兼容相对湿度传感器，其特征在于电容上极板(4)通过锚区固定在氧化层(2)上。

3、根据权利要求1或2所述的CMOS工艺兼容相对湿度传感器，其特征在于在电容上极板(4)上的位于电容下极板(3)上方的区域设有孔(41)。

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