CN1455250A - 电容式相对湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于湿度信号传感的电容式相对湿度传感器，由衬底，氧化层、电容电极组成，氧化层设在衬底上，电容电极设在氧化层上方，在电容电极上设有电极引线，该电容电极为其材质适于标准CMOS加工工艺的电极，在电容电极上设有钝化层。本发明采用铝电极梳状并联结构可以增加敏感电容值，将衬底可靠接地消除了外界的干扰，提高湿度传感器的精度。淀积钝化层能够有效防止环境中的水汽尤其是聚酰亚胺吸水后，聚酰亚胺中的水汽腐蚀铝电极，提高可靠性。利用梳状并联多晶硅作为加热电路，使湿度传感器的脱附时间更短，同样提高了可靠性。利用聚酰亚胺作为感湿介质，灵敏度高，线性度、滞回特性好，长期可靠等优点。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种微机械传感器，尤其涉及一种电容式相对湿度传感器。
二、背景技术
目前环境检测中实际应用的大都是传统的湿度传感器，如干球湿度计、露点湿度计等。这些湿度传感器存在以下几种缺点：(1)相同产品的一致性差；(2)价格昂贵；(3)体积大；(4)线性度、滞回特性差，测量中有时需要查表。与CMOS(CMOS为本领域熟知的技术名词)技术相兼容的电容相对湿度传感器是一种的微湿度传感器，具有体积小、价格低、产品一致性好的优点。1990年，H.Baltes(人名)最早提出了利用CMOS工艺制造湿度传感器。该湿度传感器利用空气作为感湿介质，由于表面吸附的影响，线性度和滞回特性都非常差，精度很低。并且由于铝电极暴露在空气中容易受到水气的腐蚀，可靠性也比较差。1991年，Boltshauser(人名)采用CMOS技术加上后序工艺，利用聚酰亚胺为感湿介质制作了相对电容湿度传感器，这种湿度传感器的电极和聚酰亚胺直接接触聚酰亚胺吸附水汽之后会腐蚀铝电极，可靠性低，长期使用使得表面附的杂质很难去除。2000年，Uksong Kang(人名)给出了一种高速的湿度传感器，该结构中用作加热的多晶硅上有两层作为绝缘的二氧化硅以及一层敏感电极隔热，加热效果差；该结构比较复杂，无法通过标准的CMOS工艺完成。且电极暴露在空气中，为防止空气中水汽的腐蚀，电极的选择就有限制，长期可靠性差。以上的一些湿度传感器不能满足长期可靠性和脱附时间短的要求，易受外界环境影响。
三、技术内容
技术问题：本发明提供一种能够提高其可靠性的高精度电容式相对湿度传感器。
技术方案：本发明是一种用于湿度信号传感的电容式相对湿度传感器，由衬底，氧化层、电容电极组成，氧化层设在衬底上，电容电极设在氧化层上方，在电容电极上设有电极引线，该电容电极为其材质适于标准CMOS加工工艺的电极，在电容电极上设有钝化层。
技术效果：本发明工艺步骤简单，可利用标准的CMOS工艺制造，精度高，长期可靠性好。采用铝电极梳状并联结构可以增加敏感电容值，将衬底可靠接地消除了外界的干扰，提高湿度传感器的精度。淀积钝化层能够有效防止环境中的水汽尤其是聚酰亚胺吸水后，聚酰亚胺中的水汽腐蚀铝电极，提高可靠性。利用梳状并联多晶硅作为加热电路，加热均匀，有效去除湿度传感器表面可挥发性杂质，使湿度传感器的脱附时间更短，同样提高了可靠性。在电容电极之间设置聚酰亚胺，且氧化条的上表面高于多晶条的上表面，减少铝电极与二氧化硅层间的边缘效用，提高线性度，减少寄生电容，从而提高精度。利用聚酰亚胺作为感湿介质，它具有灵敏度高，线性度、滞回特性好，长期可靠等优点，而本发明的结构设置，则使其与标准CMSO加工工艺相兼容。
四、附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的俯视图。
图3是本发明梳形电极结构示意图。
图4是本发明梳形式并联多晶硅层结构示意图。
五、具体实施方案
本发明是一种用于湿度信号传感的电容式相对湿度传感器，由衬底106，氧化层104、电容电极101和102组成，氧化层104设在衬底106上，电容电极101和102设在氧化层104上方，在电容电极101和102上设有电极引线1011和1021，该电容电极101和102为其材质适于标准CMOS加工工艺的电极，在电容电极101和102上设有钝化层108，在电容电极101和102之间及其上方设有感湿介质层107，钝化层108位于电容电极101和102与感湿介质层107之间，在电容电极101和102与氧化层104之间设有二氧化硅条105且二氧化硅条105的上表面高于感湿介质层1071的下表面1071，在感湿介质层107与氧化层104之间设有加热条103，具体来说，既可以将加热条103设在感湿介质层107的下表面1071与氧化层104之间，也可以将加热条103设在二氧化硅条105与氧化层104之间，在加热条103上设有加热条引线1031和1032，在感湿介质层107与加热条103之间设有氮化硅层1081，本实施例的钝化层108为氮化硅层，该钝化层108也可采用由二氧化硅层和氮化硅层组成，氮化硅层设在二氧化硅层的上方的技术措施，电容电极101和102为梳形电极且交错设置，感湿介质层107为聚酰亚胺层，加热条103为梳形并联多晶硅层，衬底106接地，电容电极101和102为铝电极，电容电极101和102还可以是金电极或多晶硅电极，本发明的感湿介质由于外界环境的相对湿度变化，吸附/脱附空气中的水气分子，使得感湿介质的介电常数发生变化，引起湿度传感器的电容值改变，相对湿度与敏感电容之间存在确定关系。环境相对湿度升高时湿度传感器电容值增加，环境相对湿度降低时湿度传感器电容值相应减少，湿度传感器输出端连接外围电路，敏感电容值经过接口电路
将其转化为可测电信号(如电压、电流)，本发明可采用以下工艺来制作：在硅衬底上生长薄氧化层104，淀积多晶硅103，并光刻成梳状并联的S型，CVD法淀积二氧化硅105，光刻露出多晶硅103，淀积1微米铝，并光刻成梳状电极101，102(刻除多晶硅上的铝)。接着淀积氮化硅108作为钝化层，利用旋转涂敷法涂1.5微米厚度左右的聚酰亚胺(107)，光刻、亚胺化后聚酰亚胺(107)的厚度约为1微米。湿度传感器的两极板(以铝电极为例)，铝电极板分别由21根宽3微米、长400微米的条形铝电极组成的梳状结构，相邻的极板间距为4微米。加热多晶硅结构如图4，多晶硅103采用梳状并联S型结构，利于均匀加热，每根多晶硅条(103)长度为450微米、宽3微米，厚度为3500埃，14根多晶硅条分别并联在一起，然后串联，总电阻为1.5KΩ左右，作为钝化层108的氮化硅厚度为3000埃，用以防止铝电极101，102被聚酰亚胺107吸附的水气腐蚀，聚酰亚胺107的厚度约为1微米。图2中铝电极109接地，用来消除外界对敏感电容的影响，多晶硅条为加热电路，铝电极101、102输出电容信号。环境相对湿度测量范围为0％RH～100％RH，温度范围为-40℃～60℃。
Claims (10)
1、一种用于湿度信号传感的电容式相对湿度传感器，由衬底(106)，氧化层(104)、电容电极(101和102)组成，氧化层(104)设在衬底(106)上，电容电极(101和102)设在氧化层(104)上方，在电容电极(101和102)上设有电极引线(1011和1021)，该电容电极(101和102)为其材质适于标准CMOS加工工艺的电极，其特征在于在电容电极(101和102)上设有钝化层(108)。
2、根据权利要求1所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于钝化层(108)为氮化硅层。
3、根据权利要求1所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于钝化层(108)由二氧化硅层和氮化硅层组成，氮化硅层设在二氧化硅层的上方。
4、根据权利要求1或2或3所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于电容电极(101和102)为梳形电极且交错设置。
5、根据权利要求4所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于在电容电极(101和102)之间及其上方设有感湿介质层(107)，钝化层(108)位于电容电极(101和102)与感湿介质层(107)之间，在电容电极(101和102)与氧化层(104)之间设有二氧化硅条(105)且二氧化硅条(105)的上表面高于感湿介质层(107)的下表面(1071)，在感湿介质层(107)与氧化层(104)之间设有加热条(103)，在加热条(103)上设有加热条引线(1031和1032)。
6、根据权利要求5所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于在感湿介质层(107)与加热条(103)之间设有钝化层，该钝化层为氮化硅层(1081)。
7、根据权利要求5或6所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于感湿介质层(107)为聚酰亚胺层。
8、根据权利要求5或6所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于加热条(103)为梳形并联多晶硅条。
9、根据权利要求1所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于电容电极(101和102)为铝电极。
10、根据权利要求1所述的电容式相对湿度传感器，其特征在于衬底(106)接地。
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