CN1445538A

CN1445538A - 带有钝化层的电容型湿度传感器

Info

Publication number: CN1445538A
Application number: CN03107340A
Authority: CN
Inventors: 浜本和明; 丰田稻男
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2003-10-01
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: KR20030076388A; JP2003270189A; KR100488432B1; US20030179805A1; FR2837575B1; FR2837575A1; CN1279348C; DE10312206A1

Abstract

电容型湿度传感器包括衬底(10)、两个电极(31、32)、钝化层(40)和一个湿度敏感层(50)。两个电极(31、32)配置于衬底(10)上并在同一平面上，而且是互相对向设置，中间有一个间隔。钝化层(40)覆盖两个电极(31、32)。湿度敏感层(50)配置于间隔上或间隔之间，并且湿度敏感层(50)的介电常数相应于湿度而改变。随着间隔的加宽，湿度传感器中的滞后减小。特别是，当间隔等于钝化层(40)两倍或更大时，滞后可减小到小于相对湿度的10％RH。

Description

带有钝化层的电容型湿度传感器

技术领域

本发明涉及带有钝化层的电容型湿度传感器。

背景技术

在日本专利No.H11-101766A和日本实用新型No.H5-23124U中提出一种电容型湿度传感器。此湿度传感器具有一对梳状电极，在衬底上形成且在同一平面上。这对梳状电极的一对梳齿电极互相对向设置。因此，这对梳状电极形成一个电容。这对梳状电极上覆盖有一个湿度敏感膜，此湿度敏感膜配置于衬底上。湿度敏感膜由聚酰亚胺聚合物构成，并且也配置于这对梳齿电极之间。此湿度敏感膜可吸收此湿度传感器周围的湿气。当湿气改变时，所吸收的湿气也改变。于是，湿度敏感膜的介电常数改变，并且上述电容器的静电电容量也随着介电常数的改变而改变。结果，此湿度传感器可通过测量电容器的静电电容量而检测大气中的湿度。

在此湿度传感器中，湿度敏感膜直接与这对梳状电极接触，而梳状电极由金属材料或类似材料制成。因而，此电极是暴露于湿气中，而湿气被吸收进入湿度敏感膜并通过湿度敏感膜。于是，电极老化，而湿度传感器的耐用性下降。为了避免电极老化，在衬底上形成一个钝化膜覆盖这对梳状电极，这是在美国专利申请No.US 2002-0141136-A1中提出的。然而，带有钝化层的湿度传感器滞后现象严重，当湿度分别增加和减小时，电容器的静电电容量的增加和减小曲线之间出现这种滞后。这一滞后现象引起测量准确度下降。

还存在另一种电容型湿度传感器，比如平行板型湿度传感器。平行板型湿度传感器具有一对互相对向设置的电极平板。湿度敏感膜夹在一对电极板之间。比如，根据日本专利S60-166854A的平行板型湿度传感器的构成包括一个在衬底上形成的下部电极板、在下部电极板上形成的湿度敏感膜和在此湿度敏感膜上形成的上部电极板。于是湿度敏感膜就夹在上部电极板和下部电极板中间。上部电极板具有透湿性而向外暴露。所以在此湿度传感器中滞后足够小，因为在湿度敏感膜中吸收的湿气通过此上部电极板蒸发。然而，此上部电极板的耐湿性将下降，因为上部电极板是由金属材料制成，并且，比如，金属材料会受到吸收的湿气锈蚀。此外，当上部电极板是藉助真空蒸发或溅射方法形成时，湿度敏感膜在湿度传感器作为加工件置于其内的工作室内会发生扩散。于是，工作室就会受到扩散的湿度敏感膜的污染。

发明内容

本发明的一个目的是减小电容型湿度传感器的滞后。另外，本发明的另一目的是提高湿度传感器的耐用性。

电容型湿度传感器包括衬底、两个电极、钝化层和一个湿度敏感层。两个电极由金属材料制成，配置于衬底上并在同一平面上，而且是互相对向设置，中间有间隔。钝化层由氮化硅制成，覆盖两个电极和该间隔。湿度敏感层由具有吸收特性的高聚物有机材料制成。湿度敏感层的介电常数随着湿度而改变。最好是衬底上配置一个绝缘层，而两个电极是在该绝缘层上形成。

更具体言之，这两个电极是由一对基底电极和从基底电极延伸出来的梳齿电极组成的。两个电极的这一对梳齿电极交替地互相面对。间隔就是两个电极的梳齿电极中间的间隔。

当此间隔加宽时，湿度传感器的滞后减小。特别是当此间隔等于钝化膜的膜厚的两倍或更厚时，滞后将减小到相对湿度的10％RH以下。另外，当间隔等于钝化膜的膜厚的三倍或更厚时，滞后将减小到相对湿度的5％RH以下。

附图说明

本发明的上述及其他目的、特征及优点，通过参照下面的附图所做的详细说明可以了解得很清楚。

图1为示出根据本发明的具体实施方式的电容型湿度传感器的示意平面图。

图2为示出沿着图1中的II-II线的电容型湿度传感器的示意剖面图。

图3为示出相对湿度和湿度传感器的静电电容量的改变之间的关系曲线，其中一对梳齿电极之间的间隔为1.5μm，而氮化硅层的膜厚为1.6μm。

图4为示出相对湿度和湿度传感器的静电电容量的改变之间的关系曲线，其中一对梳齿电极之间的间隔为5μm，而氮化硅层的膜厚为1.6μm。

图5为示出湿度传感器中的一对梳齿电极中间的间隔和氮化硅层不同膜厚时的滞后畸变之间的关系曲线(实线)，以及平行板型湿度传感器中的关系曲线(点线)。

图6为示出在湿度传感器中的一对梳齿电极中间的间隔不同时氮化硅层中的凹槽的形状的示意剖面图。

具体实施方式

如图1和图2所示，电容型湿度传感器有一个半导体衬底10，由硅制成的。在半导体衬底10的表面上淀积一个氧化硅层20用作绝缘层。之后，在氧化硅层20上在同一平面上淀积一对电极31、32。电极31、32由金属材料，比如铝、铜、金、铂等，制成。金属材料藉助于真空蒸发法或溅射法淀积于半导体衬底的氧化硅层20之上，并且刻蚀成为一对梳状电极。此处，一对电极31、32的形状并不限于梳状。

在此具体实施方式中，电极31、32的构成包括电极焊盘31C、32C、基底电极31A、32A和多个分别从基底电极31A、32A延伸出来的梳齿电极31B、32B。每个梳齿电极31B、32B都是交替地互相面对。因此，这一对梳状电极31、32就形成电容。采用梳状图形作为电极31、32，电极31、32的布置区最小，并且一对梳齿电极31B、32B的总对向面积最大。因此，一对电极31、32中间的电容的静电电容量的可检测改变值最大。电极焊盘31C、32C用作连接外部信号处理器(图中未示出)的连接器。

信号处理器测定一对电极31、32中间的电容的静电电容量并且检测静电电容量的改变。电极焊盘31C、32C需要暴露在外以使电极焊盘31C、32C用作连接外部信号处理器的连接器。因此，电极焊盘31C、32C不用钝化层覆盖。然而，信号处理器也可以在同一半导体衬底10上形成，于是电极焊盘31C、32C就可以用钝化层覆盖。

之后，在半导体衬底10上淀积氮化硅层40作为钝化层使其覆盖一对电极31、32。氮化硅层40，比如，可利用等离子化学汽相淀积(即等离子CVD)淀积，可使半导体衬底10上的氮化硅层40的膜厚在各个部分都均匀。

之后，在氮化硅层40上形成湿度敏感层50。如图1中的点线所示，湿度敏感层50覆盖一对电极31、32，不包括电极焊盘31C、32C。湿度敏感层50由吸收湿气的高聚物有机材料组成。比如，湿度敏感层50由聚酰亚胺聚合物、乙酸丁酸纤维素(即CAB)等等构成。湿度敏感层50形成方法如下。藉助旋转涂敷法或筛网法在氮化硅层上涂敷高聚物有机材料。之后，使此高聚物有机材料硬化。

当湿度传感器周围大气中的湿气吸收进入湿度敏感层50时，湿度敏感层50的介电常数相应于所吸收的湿气而改变。湿度敏感层50的介电常数的这一改变大到足以检测到，因为被吸收的湿气中的H2O的介电常数足够大。这对梳状电极31、32形成一个电容，其中的湿度敏感层50用作介电层。于是，此电容的静电电容量就随着湿度敏感层50的介电常数的改变而改变。在湿度敏感层50中吸收的湿气与湿度传感器所在的大气中的湿气相对应。因此，湿气就可通过测定电容的静电电容量的改变来检测。

如图2所示，湿度敏感层50是形成于氮化硅层40之上，而不是直接形成于电极31、32之上。在互相对向设置的一对梳齿电极31B、32B之间在氮化硅层40上形成一个凹槽41，因为氮化硅层40的膜厚在半导体衬底10上在每个部分都是均匀的。

考虑到相关技术，试验制成了带有钝化层的电容型湿度传感器。在这种情况下，湿度传感器表现出的相对湿度和湿度传感器的静电电容量的改变之间的关系如图3所示。在图3中，横轴代表湿度传感器中纬度大气中的相对湿度，而纵轴代表湿度传感器的静电电容量的改变。纵轴由静电电容量在0％RH归一化。A代表相对湿度从0％RH上升到100％RH时的湿度传感器的静电电容量的改变的上升曲线。B代表相对湿度从100％RH下降到0％RH时的湿度传感器的静电电容量的改变的下降曲线。C代表上升曲线和下降曲线中间的静电电容量的改变的最大差值。静电电容量的改变的这一最大差值C转换为相对湿度，于是就可计算出最大滞后畸变D。最大差值C和最大滞后畸变D下面叙述。在图3中，当相对湿度分别上升和下降时滞后出现在静电电容量改变的上升曲线和下降曲线之间。此处，在此湿度传感器中，电极31B、32B之间的间隔是1.5μm，而氮化硅层的膜厚是1.6μm。

根据上述试验，可以认为滞后或许是这样引起的。凹槽41中的湿度敏感层50强烈影响与大气中的湿度相对应的静电电容量。这是因为凹槽41中的湿度敏感层50是位于一对梳状电极31B、32B之间并且与一对梳齿电极31B、32B邻接。然而，凹槽41中的湿度敏感层50也夹在凹槽41中的氮化硅层40中间。

当湿气从湿度敏感层50的表面被吸收并且通过和到达凹槽41的湿度敏感层50时，凹槽41中的湿度敏感层50中的湿气很难蒸发，因为凹槽41中的湿度敏感层50是夹在氮化硅层40之中，而氮化硅层40的透湿性很低。

在湿度传感器周围的大气中的相对湿度从100％RH下降到0％RH时，凹槽41中的湿度敏感层50中的湿气的蒸发延迟。因此，凹槽41中的湿度敏感层50中的多余湿气使电容的静电电容量增加。而在相对湿度从0％RH增加到100％RH时，上述电容的静电电容量增加不出现。因此，当相对湿度分别上升和下降时滞后出现在电容的静电电容量改变的上升曲线和下降曲线之间。

因此，可以认为，如果加宽凹槽41，凹槽41中的湿度敏感层50中的湿气或许易于移动和便于蒸发。于是，滞后或许可以减小。在此具体实施方式中，为加宽凹槽41，将一对梳齿电极31B、32B之间的间隔加宽。详细言之，在上述试验中，电极31B、32B之间的间隔是1.5μm，而氮化硅层40的膜厚是1.6μm。与上述试验相比，制成和试验了电极31B、32B之间的间隔为5μm和氮化硅层40的膜厚为1.6μm的湿度传感器。

在此场合，湿度传感器表现出图4所示的相对湿度和湿度传感器的静电电容量的改变之间的关系。在图4中，A代表相对湿度从0％RH上升到100％RH时的湿度传感器的静电电容量的改变的上升曲线，而B代表相对湿度从100％RH下降到0％RH时的湿度传感器的静电电容量的改变的下降曲线。此处，静电电容量的改变的上升曲线和下降曲线与相对湿度的关系交互相同，并未观察到明显的滞后。可以肯定，当梳齿电极31B、32B之间的间隔加宽时，滞后减小。

另外，凹槽41的宽度不仅是由一对梳齿电极31B、32B之间的间隔决定，而且也由氮化硅层40的膜厚决定。因此，制成并试验了具有各种不同的氮化硅层40膜厚的湿度传感器，结果如图5所示。

在图5中，曲线E代表氮化硅层的膜厚为0.8μm的湿度传感器。曲线F代表氮化硅层的膜厚为1.6μm的湿度传感器。曲线G代表氮化硅层的膜厚为3.2μm的湿度传感器。曲线H代表平行板型湿度传感器。最大滞后畸变的计算方法如下。如图3所示，上升曲线和下降曲线之间的静电电容量的改变的最大差值C变换为相对湿度而可计算出最大滞后畸变D。

在氮化硅层40的膜厚是0.8μm的场合，当一对梳齿电极31B、32B之间的间隔小于1μm时，最大滞后畸变大于20％RH，如曲线E所示。然而，当电极31B、32B之间的间隔为大约1.6μm(即等于氮化硅层40膜厚的两倍)时，最大滞后畸变减小到8％RH，即小于10％RH。此外，当电极31B、32B之间的间隔为大约2.4μm(即等于氮化硅层40膜厚的三倍)时，最大滞后畸变减小到3％RH，即小于5％RH。这种随着间隔的加宽最大滞后畸变减小的趋势也出现于氮化硅层40的膜厚是1.6μm和3.2μm时，分别如曲线F和G所示。

另外，在不同间隔情况下的氮化硅层40上的凹槽41的剖面如图6A至6C所示。图6A至6C中示出的湿度传感器中的间隔分别为1.5、3.0和5.0μm。此处，各湿度传感器的氮化硅层40的膜厚是1.6μm。如图6A所示，当间隔是1.5μm时，氮化硅层40上的凹槽41的开口窄而凹槽41深。然而，当间隔分别为示于图6B和6C的3.0μm和5.0μm(即等于氮化硅层的两倍和三倍)时，凹槽41的开口足够宽。

考虑到示于图5中的最大滞后畸变的膜厚依赖的结果，最好是此间隔为氮化硅层40的膜厚的二倍。在此场合，最大滞后畸变减小到8％RH，而凹槽41的开口足够宽。

此外，当此间隔为氮化硅层40的膜厚的三倍时，最大滞后畸变减小到3％RH，而湿度传感器可以以更高的准确度检测相对湿度。

还存在另外一种电容型湿度传感器，比如平行板型湿度传感器。平行板型湿度传感器的最大滞后畸变约为3％RH。如图5中的曲线H所示。因此，根据本具体实施方式的湿度传感器表现出的最大滞后畸变几乎与平行板型湿度传感器相同。

此外，根据本具体实施方式湿度传感器是在普通的半导体生产线上制成，所以与在制造中生产线会受到污染的平行板型湿度传感器相比，根据本具体实施方式的湿度传感器在制造中不会出现污染问题。

Claims

1.一种电容型湿度传感器，其包括：

衬底(10)；

两个电极(31、32)，配置于衬底(10)上并在同一平面上，而且是互相对向设置，中间有间隔；

钝化层(40)，配置于两个电极(31、32)上，覆盖两个电极；以及

湿度敏感层(50)，直接与钝化层(40)相接触，以覆盖两个电极(31、32)，湿度敏感层(50)的介电常数根据周围湿度而改变，

其中该间隔为钝化层(40)的膜厚的两倍或以上。

2.如权利要求1中记载的电容型湿度传感器，其中该间隔为钝化层的膜厚的三倍或以上。

3.如权利要求1或2中任何一项中记载的电容型湿度传感器，其中该钝化层由氮化硅制成。

4. 如权利要求1-3中任何一项中记载的电容型湿度传感器，还包括位于衬底(10)和两个电极(31、32)之间的绝缘层(20)。

5.如权利要求1-4中任何一项中记载的电容型湿度传感器，

其中两个电极(31、32)中的每一个都包括一个基底电极(31A、32A)和从基底电极延伸出来的多个梳齿电极(31B、32B)；

其中该两个电极(31、32)的多个梳齿电极(31B、32B)交替地互相面对；

其中该间隔定义为该两个电极(31、32)的梳齿电极对(31B、32B)之间的间隔。

6.如权利要求1-5中任何一项中记载的电容型湿度传感器，其中湿度敏感层(50)由吸湿的高聚物有机材料制成。

7.如权利要求1-6中任何一项中记载的电容型湿度传感器，其中该两个电极(31、32)由金属材料制成。

8.如权利要求1-7中任何一项中记载的电容型湿度传感器，其中衬底(10)由半导体材料制成。

9.如权利要求1-8中任何一项中记载的电容型湿度传感器，其中间隔小于10μm，并且钝化层(40)的膜厚小于3.2μm。