CN1357759A

CN1357759A - 电容型湿度测量装置

Info

Publication number: CN1357759A
Application number: CN 02112520
Authority: CN
Inventors: 秦明; 黄庆安; 张中平
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: CN1164933C

Abstract

电容型湿度测量装置是一种与CMOS工艺兼容的由电容型湿度传感器组成的测量装置,该装置电容的一端接驱动员信号输入端,另一端接敏感电容,电容与敏感电容的连接点接由MOS管组成的选通放大器的输入端,输出电容的一端接地,另一端为该装置的信号输出端,以上电路均集成在一块芯片上;湿度敏感电容由上导电板、下导电板组成,在上导电板与下导电板之间留有空隙,并由支撑材料隔开,在上导电板上设有许多小孔;湿度敏感电容中,在下导电板的下面设有一加热电阻,在下导电板与加热电阻之间设有隔离层;采用标准的CMOS工艺将湿度敏感电容C_x与由MOS管组成的选通放大电路集成在一块硅芯片上。

Description

电容型湿度测量装置

一、技术领域：

本发明是一种用于测量仪器中的湿度检测器，尤其是一种与COMS工艺兼容的由电容型湿度传感器组成的测量装置。

二、背景技术：

湿度传感器是基于其功能材料能发生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换成电讯号的功能。这些功能可以通过与温度有关的电阻或电容的变化、长度或体积的胀缩、以及结型器件或MOS器件的某些电参数的变化来得到实现。它在军事、气象、农业、工业(特别是纺织、电子、食品工业)、医疗、建筑以及家用电器等方面有广泛的应用。

目前，湿度传感器品种繁多，但就其所使用的感湿材料而言，主要有电解质和高分子化合物感湿材料、半导体陶瓷材料、以及元素半导体和多孔金属氧化物半导体材料等。电解质湿度传感器具有测量范围窄、可重复性差、使用寿命短等缺点。高分子化合物湿度传感器具有感湿性能好、灵敏度高等优点，但存在高温和高湿条件下性能变差、稳定性差、抗腐蚀和抗沾污能力差等缺点。半导体陶瓷材料湿度传感器具有感受湿性能较好、生产简单、成本低、响应时间较短、可加热清洗等优点，但也存在精确测量较难、高温下性能差、难以集成化等缺点。

三、发明内容：

(1)发明目的

本发明的目的就是提供一种响应速度快、化学稳定性好、承受高温和低温能力强、全部装置集成在一块芯片上的电容型湿度测量装置。

(2)技术方案

本发明的电容型湿度测量装置在电路结构上由湿度敏感电容、电容、MOS管及电阻R、输出电容C₀组成，电容的一端接信号输入端，另一端接敏感电容，电容与敏感电容的连接点接由MOS管组成的选通放大器的输入端，输出电容的一端接地，另一端为该装置的信号输出端，以上电路均集成在一块芯片上；湿度敏感电容由上导电板、下导电板组成，在上导电板与下导电板之间留有空隙，并由支撑材料隔开，在上导电板上设有许多小孔；湿度敏感电容中，在下导电板的下面设有一加热电阻，在下导电板与加热电阻之间设有隔离层。

(3)技术效果

采用本发明的湿度敏感电容检测空气湿度，方法和结构都非常简单，又由于在一块硅片上集成了与湿度敏感电容一体化的微弱信号放大器，因此干扰小、精度高、体积小、易于采用标准CMOS工艺生产，能有效降低总成本。

四、附图说明：

图1是本发明的电原理图，其中有电容C_ref、湿度敏感电容C_x、MOS管M₁、M₂、M₃、M₄、M₅，电阻R、输出电容C_o。

图2是湿度敏感电容C_x的结构示意图。其中有上导电板A、下导电板B、支撑材料C、加热电阻E、隔离层F。

五、具体实施方式

本发明采用硅作为加工材料，其中测量湿度的电容由上下两层导电板组成。两个极板的间距由支撑材料C控制。上层导电板上开了很多小孔D以便空气能渗透到两极板中去。当空气中湿度发生变化时，将引起电容介电常数的变化，进而使电容量也发生变化。为了提高响应时间，加热电阻E放在电容的下面，可以通过加热去除敏感电容中的水气，提高响应速度。由于电容量变化很小，一个集成电容放大即选通放大器也做在芯片上。本发明由湿度敏感电容C_x、电容C_ref、MOS管M₁、M₂、，M₃、M₄、，M₅及电阻R、输出电容C_o组成，电容Cref的一端接信号输入端Vin，另一端接敏感电容Cx，电容Cref与敏感电容C_x的连接点接由MOS管M₁、M₂、，M₃、M₄、，M₅组成的选通放大器的输入端，输出电容C_o的一端接地，另一端为该装置的信号输出端，以上电路均集成在一块芯片上。该集成电容放大器将电容量的变化直接放大成电信号。因此读数容易且干扰小。该电路的工作原理如下：当驱动信号V_in为高电平时，将对电容C_ref、C_x充电。C_x上电压满足：

V_{cx} = \frac{C_{ref}}{C_{x} + C_{ref}} V_{in}

当C_x＞＞C_ref时，

当驱动信号V_in不变时，敏感电容上电压与该电容值成反比。该电压经选通放大后输出至输出电容上，从而得到C_x上电压随敏感电容的数值变化而变化，且与电路其他部分的分布电容无关。

实施例1：CMOS兼容型湿度传感器集成芯片的制造1。

首先设计敏感电容结构和版图，为了和标准的CMOS集成电路生产工艺兼容，加热电阻采用P阱实现，底层电极采用高磷搀杂的硅层，顶层的电极采用重搀杂的多晶。该多晶是MOS管的栅极一块形成的。电容中间的介质为场氧化层。整个系统采用标准的P阱CMOS工艺实现。在完成电路芯片的流水后，整个芯片用氮化硅和胶覆盖并光刻开出图2上面的小孔。然后采用标准集成电路工艺上常用的缓冲氢氟酸溶液去掉小孔下的氧化层。这样整个芯片就制备好了。

实施例2：CMOS兼容型湿度传感器集成芯片的制造2。

该芯片的制造方法完全和上面一样，都是标准的CMOS工艺。不同之处是所示的敏感电容结构组成方式和第一种不同。在该结构中，加热电阻采用重掺杂的硅层。底层电极采用重搀杂的多晶。该多晶是和MOS管的栅极一块形成的。电容中间的介质为低温淀积的氧化层。上层电极采用金属。整个系统仍可采用P阱CMOS工艺实现。金属引线采用金层。在完成电路芯片流水后，整个芯片用氮化硅和胶覆盖并光刻开出上面的小孔。然后采用标准集成电路工艺上常用的缓冲氢氟酸溶液去掉小孔下的氧化层。这样整个芯片就制备好了。根据需要可进行划片压焊，封装等以便组成小测量系统。

Claims

1、一种电容型湿度测量装置，其特征在于该装置由湿度敏感电容(C_x)、电容(C_ref)、MOS管(M₁、M₂、，M₃、M₄、，M₅)及电阻(R)、输出电容(C₀)组成，电容(C_ref)的一端接信号驱动输入端(V_in)，另一端接敏感电容(C_x)，电容(C_ref)与敏感电容(C_x)的连接点接由MOS管(M₁、M₂、，M₃、M₄、，M₅)组成的选通放大器的输入端，输出电容(C₀)的一端接地，另一端为该装置的信号输出端，以上电路均集成在一块芯片上。

2、根据权利要求1所述的电容型湿度测量装置，其特征在于湿度敏感电容(C_x)由上导电板(A)、下导电板(B)组成，在上导电板(A)与下导电板(B)之间留有空隙，并由支撑材料(C)隔开，在上导电板上设有许多小孔(D)。

3、根据权利要求1或2所述的电容型湿度测量装置，其特征在于湿度敏感电容(C_x)中，在下导电板(B)的下面设有一加热电阻(E)，在下导电板(B)与加热电阻(E)之间设有隔离层(F)。

4、根据权利要求1或2所述的电容型湿度测量装置，其特征在于采用标准的CMOS工艺将湿度敏感电容(C_x)与由MOS管(M₁、M₂、，M₃、M₄、，M₅)组成的选通放大电路集成在一块硅芯片上。