CN1782700A - 电容性湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

用于检测湿度变化的电容性湿度传感器包括具有第一电容(Cv1)的第一传感器元件(11，21，31，41，51)，具有第二电容(Cv2)并与第一传感器元件串联连接的第二传感器元件(12，22，32，42，52)，及具有依照湿度变化的介电常数的湿度敏感层(4)。第一电容(Cv1)和第二电容(Cv2)相对于湿度的变化以不同比率变化。使用第一传感器元件(11，21，31，41，51)和第二传感器元件(12，22，32，42，52)的不同电容(Cv1，Cv2)检测湿度。湿度敏感层(4)形成到第一传感器元件(11，21，31，41，51)和第二传感器元件(12，22，32，42，52)上，使得第一传感器元件(11，21，31，41，51)和第二传感器元件(12，22，32，42，52)被有效地保护。

Description

电容性湿度传感器
技术领域
本发明涉及电容性湿度传感器，其使用电容的变化检测湿度的变化。
背景技术
相当于JP-A-2002-243690的US 6,580,600中批露的电容性湿度传感器，使用电容的变化检测大气中相对湿度的变化。
图5A是相似于US 6,580,600中批露的传感器的电容性湿度传感器100的平面视图。传感器100包括传感器元件10和参考元件90。传感器元件10具有一对梳状电极10a，10b，参考元件90具有一对梳状电极90a，90b。电极10a，10b和电极90a，90b设置在半导体基底1的同一表面上。
图5B示出了相对湿度和传感器元件10及参考元件90的电容之间的关系。湿度敏感层4形成在传感器元件10的电极10a，10b上。相反，湿度敏感层4不在参考元件90的电极90a，90b上形成。因此，如图5B所示，传感器元件10的电容Cv依照相对湿度的变化而变化，而参考元件90的电容Cr相对于相对湿度的变化是常数。
传感器元件10与参考元件90串联连接。图5A中，V12表示传感器元件10的电极10a，10b之间的电压。V23表示参考元件90的电极90a，90b之间的电压。Cv的变化反映在V23对V12的比值的变化，因为Cv由下式表示：
Cv＝(V23/V12)Cr
在传感器100中，电容Cv依照相对湿度的变化而变化，电容Cv与电容Cr比较，随后检测V23对V12比值的变化。使用形成在基底1上的传感器信号处理电路，基于V23对V12比值的变化计算相对湿度。从而，传感器100检测大气中的相对湿度。信号处理电路与基底1成为整体，使得传感器100具有小的尺寸且以低的成本制造。
然而，关于传感器100，其已经显示在传感器100长期处于高温和高湿度环境下之后，参考元件90的电极90a，90b损坏且参考元件90的电容值Cr变化。通过把诸如凝胶之类的保护材料涂覆到电极90a，90b的表面，可以保护电极90a，90b免遭损坏。然而，在这种情况下，因为传感器100的小的尺寸，保护材料可能遍布邻近参考元件90的传感器元件10。结果，减小了传感器元件10的响应度。并且，因为把保护材料涂覆到电极90a，90b的额外的过程，制造成本增加。
发明内容
考虑到上面描述的问题，本发明的目的是提供电容性湿度传感器，其能在高温和高湿度的环境下长期稳定使用。
根据本发明的一个方面，电容性湿度传感器包括第一传感器元件，第二传感器元件，及具有介电常数的湿度敏感层，介电常数依照大气中相对湿度的变化而变化。第一传感器元件与第二传感器元件串联连接。第一传感器元件具有以第一变化率相对于相对湿度变化的电容。同样，第二传感器元件具有以第二变化率相对于相对湿度变化的电容。第一变化率不同于第二变化率，使得在同一相对湿度第一传感器元件的电容变得不同于第二传感器元件的电容。电容性湿度传感器使用不同的电容检测大气中的相对湿度。
湿度敏感层可以设置为覆盖第一传感器元件和第二传感器元件。因此，湿度敏感层保护每个传感器元件的电极，使得传感器可以在高温和高湿度环境下长期稳定使用。并且，可以避免由额外的涂层过程造成的响应度的减小和制造成本的增加，因为不需要把保护材料涂覆到传感器元件。从而，传感器可以以低的成本制造。
电容性湿度传感器可以配备半导体基底，并且保护层设置在在半导体基底上。在这种情况下，第一传感器元件可以为具有一对设置在半导体基底的一个表面上以预定的间隙彼此面对的梳状电极的电容性元件，第二传感器元件可以为具有设置在半导体基底的一个表面上以预定的间隙彼此面对的梳状电极的电容性元件，且湿度敏感层可以穿过保护层设置在半导体基底上以覆盖第一传感器元件和第二传感器元件。并且，第一传感器元件的梳状电极的邻近梳齿部分之间的距离可以设置为不同于第二传感器元件的梳状电极的邻近梳齿部分之间的距离。
并且，第一传感器元件的梳状电极的梳齿部分的长度可以设置为不同于第二传感器元件的梳状电极的梳齿部分的长度，或/和第一传感器元件的梳状电极的多个梳齿部分可以设置为不同于第二传感器元件的梳状电极的多个梳齿部分。
湿度敏感层可以由形成在第一传感器元件和第二传感器元件上的单一的部件构成。在进行用于设置在不同于传感器元件的基底的位置上的半导体元件的铝布线时，可以配备第一传感器元件和第二传感器元件的梳状电极。在这种情况，保护层可以由氮化硅制成，且可以用作铝布线的保护层。
在电容性湿度传感器中，第一传感器元件可以由具有底端电极和顶端电极的电容性元件制成，第二传感器元件可以由具有底端电极和顶端电极的电容性元件制成。在这种情况，保护层和湿度敏感层可以插入第一传感器元件的底端电极和顶端电极之间，且保护层和湿度敏感层可以插入第二传感器元件的底端电极和顶端电极之间。并且，可以使第一传感器元件的底端电极和顶端电极的面对面积不同于第二传感器元件的底端电极和顶端电极的面对面积。另外，第一传感器元件和第二传感器元件的顶端电极可以形成整体。
在进行用于设置在不同于传感器元件的基底的位置上的半导体元件的铝布线时，可以形成第一传感器元件和第二传感器元件的底端电极。并且，保护层可以由氮化硅制成，且可以用作铝布线的保护层，湿度敏感层可以由聚酰亚胺树脂制成。
附图说明
本发明上面的和其它的目的，特点和优点从下面参考附图所做的详细描述将变得更加明白。其中：
图1A为示出了根据本发明的第一个实施例的电容性湿度传感器的示意平面视图，图1B为示出了沿着图1A中的线IB-IB获取的传感器的截面视图，图1C为沿着图1A中的线IC-IC获取的传感器的截面视图；
图2为示出了相对湿度和示于图1A中的传感器的第一传感器元件和第二传感器元件的电容之间的关系的图；
图3A，3B和3C为示出了根据第一个实施例的更改的电容性湿度传感器的平面视图；
图4A为示出了根据本发明的第二个实施例的电容性湿度传感器的平面视图，图4B为示出了沿着图4A中的线IVB-IVB获取的传感器的截面视图；及
图5A为示出了根据现有技术的电容性湿度传感器的平面视图，图5B为示出了相对湿度和图5A中的传感器的传感器元件和参考元件的电容之间的关系的图。
具体实施方式
图1A到1C示出了根据本发明的第一个实施例的电容性湿度传感器101。传感器101包括第一传感器元件11和第二传感器元件12。第一传感器元件11和第二传感器元件12分别具有一对梳状电极11a，11b和一对梳状电极12a，12b。梳状电极11a，11b和12a，12b穿过绝缘层2设置在半导体基底1的同一表面上。绝缘层2由二氧化硅(SiO2)制成。梳状电极11a，11b和12a，12b可以使用例如与用于半导体元件的铝布线相同的过程形成，铝布线形成在不同于传感器元件11，12的基底1的位置上。从而，梳状电极11a，11b，和12a，12b可以没有额外的过程形成，从而可以减少传感器101的制造过程。
在传感器101中，湿度敏感层4穿过由氮化硅(Si3N4)制成的绝缘层3形成在半导体基底1上。绝缘层3为用于基底1的保护层并保护铝布线。湿度敏感层4具有介电常数，其依照湿度变化。例如，湿度敏感层4可以由聚酰亚胺树脂制成。如图1A所示，湿度敏感层4与第一传感器元件11和第二传感器元件12形成整体以覆盖梳状电极11a，11b和12a，12b。
第一传感器元件11具有电容Cv1且电容Cv1相对于相对湿度的变化以第一变化率变化。同样，第二传感器元件12具有电容Cv2且电容Cv2相对于相对湿度的变化以第二变化率变化。
图1A中，L1表示梳状电极11a的梳齿部分和梳状电极11b的梳齿部分之间的间隔距离。L2表示梳状电极12a的梳齿部分和梳状电极12b的梳齿部分之间的间隔距离。在传感器101中，距离L1不同与距离L2，使得第一传感器元件11的第一变化率不同于第二传感器元件12的第二变化率。因此，电容Cv1在同一相对湿度变得不同于电容Cv2。
图2示出了第一传感器元件11的电容(Cv1)和相对湿度之间的关系，及第二传感器元件12的电容(Cv2)和相对湿度之间的关系。在传感器101中，每个传感器元件11，12被湿度敏感层4覆盖，使得每个电容Cv1，Cv2依照大气中的相对湿度而变化。
并且，第一传感器元件11的第一变化率不同于第二传感器元件12的第二变化率。因此，如图2所示，电容Cv1，Cv2和相对湿度之间的关系如分别具有不同的斜率和截距的直线所指示。换句话说，第一传感器元件11和第二传感器元件12对于相对湿度的变化分别具有不同的敏感性。并且，第一传感器元件11与第二传感器元件12串联连接。
如上描述，电容Cv1，Cv2可以通过第一传感器元件11的电压和第二传感器元件12的电压之间的比值检测。在形成在基底1上的信号处理电路内，基于电压之间的比值的变化计算相对湿度。从而，传感器101检测大气中的相对湿度。
在传感器101中，每个传感器元件11，12被湿度敏感层4覆盖。湿度敏感层4保护电极11a，11b，和12a，12b，使得传感器101可以在高温和高湿度环境下长期稳定使用。可以避免由额外的涂层过程造成的响应度的减小和制造成本的增加，因为不需要额外地把保护材料涂覆到传感器元件11，12。
湿度敏感层4和第一传感器元件11和第二传感器元件12形成整体。从而，第一传感器元件11和第二传感器元件12对相对湿度的变化的响应度和对环境的耐久性可以设置为相等。换句话说，如果距离L1设置为等于距离L2，因为成为整体，第一变化率变得等于第二变化率。
湿度敏感层4的介电常数依照相对湿度的变化而变化。使用梳状电极11a，11b之间和梳状电极12a，12b之间的边缘电容的变化检测介电常数的变化。在这种情况下，要求第一传感器元件11相对于相对湿度的变化具有不同于第二传感器元件12的敏感性。因此，需要第一传感器元件11和第二传感器元件具有彼此不同的电容。
在上面描述的传感器101中，如图1A所示，电极11a的梳齿部分和电极11b的梳齿部分之间的距离L1设置为不同于电极12a的梳齿部分和电极12b的梳齿部分之间的间隔距离L2。从而，第一变化率不同于第二变化率，使得第一传感器元件11的电容Cv1在同一相对湿度变得不同于第二传感器元件12的电容Cv2。
通过调整梳状电极的梳齿部分之间的间隔距离，梳齿部分的长度和数量，湿度敏感性层4的材料和厚度，或类似参数，每个传感器元件11，12的电容(敏感性不同)可以调整到希望的值。
图3A示出了电容性湿度传感器102，其为传感器101的更改。在传感器102中，第一和第二传感器元件21，22在一对梳状电极21a，21b的梳齿部分之间和一对梳状电极22a，22b的梳齿部分之间具有相同的间隔距离L0。然而，梳状电极21a，21b的梳齿部分的长度D1设置为不同于梳状电极22a，22b的梳齿部分的长度D2。从而，第一传感器元件21和第二传感器元件22的电容相对于相对湿度的变化以不同比率变化。
图3B示出了电容性湿度传感器103，其为传感器101的另一个更改。在传感器103中，第一传感器元件31的一对梳状电极31a，31b的梳齿部分之间的间隔距离设置为等于第二传感器元件32的一对梳状电极32a，32b的梳齿部分之间的间隔距离。并且，第一传感器元件31的梳状电极31a，31b的梳齿部分的长度设置为等于第二传感器元件32的梳状电极32a，32b的梳齿部分的长度。然而，如图3B所示，梳状电极31a，31b的梳齿部分的数量设置为不同于梳状电极32a，32b的梳齿部分的数量。从而，第一传感器元件31和第二传感器元件32的电容相对于相对湿度的变化以不同比率变化。
图3C示出了电容性湿度传感器104，其为传感器101的另一个更改。在传感器104中，第一传感器元件41的一对梳状电极41a，41b的梳齿部分的数量设置为不同于第二传感器元件42的一对梳状电极42a，42b的梳齿部分的数量。从而，第一传感器元件41和第二传感器元件42的电容相对于相对湿度的变化以不同比率变化。然而，如图3B和3C所示，在电极垫的位置，关于梳齿部分延伸的方向传感器104不同于传感器103。
图4A和4B示出了根据本发明的第二个实施例的电容性湿度传感器105。
传感器105具有第一传感器元件51和第二传感器元件52，其为具有堆叠的电极的电容性元件。第一传感器元件51具有底端电极51a和顶端电极51b。第二传感器元件52具有底端电极52a和顶端电极52b。由绝缘层3和湿度敏感层4构成的叠层部件插入底端电极51a和顶端电极51b之间。同样，叠层部件插入底端电极52a和顶端电极52b之间。例如，绝缘层3可以由氮化硅制成(Si3N4)。
底端电极51a，52a穿过由二氧化硅制成的绝缘层2形成在硅半导体基底1上。底端电极51a，52a在与用于半导体元件的铝布线相同的过程中形成，半导体元件形成在不同于传感器元件51，52的基底1的位置上。因此，底端电极51a，52a可以在铝布线形成时形成。绝缘层3为用于基底1的保护层并保护铝布线。
例如，湿度敏感层4可以由聚酰亚胺树脂制成。如图4B所示，在传感器105中，湿度敏感层4在第一传感器元件51和第二传感器元件52之间彼此分隔。然而，每个湿度敏感层4可以在同一时间形成并具有同一厚度。
在传感器105中，第一传感器元件51的底端电极51a和顶端电极51b的面对面积(重叠部分)设置为不同于第二传感器元件52的底端电极52a和顶端电极52b的面对面积。从而，第一传感器元件51和第二元件52的电容相对于相对湿度的变化以不同比率变化。
并且，第一传感器元件51与第二传感器元件52串联连接。因此，如上面描述，传感器元件51，52的电容可以通过第一传感器元件51的电压和第二传感器元件52的电压之间的比值检测。在形成在基底1上的信号处理电路中，基于电压比值的变化计算相对湿度。从而，传感器105检测大气中的相对湿度。
高耐湿的金属可以用作用于顶端电极51b，52b的材料。顶端电极51b，52b形成整体。因此，第一传感器元件51和第二传感器元件52对相对湿度变化的响应度和对环境的耐久性可以设置为相等。换句话说，如果第一传感器元件51的面对面积(重叠部分)设置为等于底端电极52a的面对面积，第一传感器元件51和第二元件52的电容相对于相对湿度的变化以同一比率变化。
在传感器105中，湿度敏感层4形成到每个传感器元件51，52上。湿度敏感层4保护底端电极51a，52a。另外，顶端电极51b，52b由高耐湿金属制成。因此，传感器105可以在高温和高湿度环境下长期稳定使用。因为不需要把保护材料涂覆到传感器元件51，52，可以避免由额外的涂层过程造成的响应度的降低和制造成本的增加。结果，传感器105具有小的尺寸并以低的成本制造。
在上面描述的实施例中，传感器用对相对湿度具有不同敏感性的两个传感器元件构成。在这种情况，两个传感器元件之间的静差电容(当相对湿度为0％时的电容)的不同可能很大。因此，考虑到检测电路的配置可能不保证足够的输出范围。
这种变化和更改将理解为在由附加的权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种用于使用电容的变化检测湿度的变化的电容性湿度传感器，其包括：
第一传感器元件(11，21，31，41，51)；
与第一传感器元件(11，21，31，41，51)串联连接的第二传感器元件(12，22，32，42，52)；及
具有依照湿度变化的介电常数的湿度敏感层(4)，其中
第一传感器元件(11，21，31，41，51)和第二传感器元件(12，22，32，42，52)被湿度敏感层(4)覆盖，
第一传感器元件(11，21，31，41，51)的电容(Cv1)相对于湿度的变化以第一变化率变化，及
第二传感器元件(12，22，32，42，52)的电容(Cv2)相对于湿度的变化以不同于第一变化率的第二变化率变化。
2.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
半导体基底(1)；及
设置在半导体基底(1)上的保护层(3)，其中
第一传感器元件(11，21，31，41)为具有一对设置在半导体基底(1)的一个表面上以预定的间隙彼此面对的梳状电极(11a，11b，21a，21b，31a，31b，41a，41b)的电容性元件，
第二传感器元件(12，22，32，42)为具有设置在半导体基底(1)的一个表面上以预定的间隙彼此面对的梳状电极(12a，12b，22a，22b，32a，32b，42a，42b)的电容性元件，以及
湿度敏感层(4)穿过保护层(3)设置在半导体基底(1)上，以覆盖第一传感器元件(11，21，31，41)和第二传感器元件(12，22，32，42)。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中
第一传感器元件(11)的梳状电极(11a，11b)的邻近梳齿部分之间的距离(L1)不同于第二传感器元件(12)的梳状电极(12a，12b)的邻近梳齿部分之间的距离(L2)。
4.根据权利要求2所述的传感器，其中
第一传感器元件(21)的梳状电极(21a，21b)的梳齿部分的长度(D1)不同于第二传感器元件(22)的梳状电极(22a，22b)的梳齿部分的长度(D2)。
5.根据权利要求2所述的传感器，其中
第一传感器元件(31)的梳状电极(31a，31b)的梳齿部分的数量不同于第二传感器元件(32)的梳状电极(32a，32b)的梳齿部分的数量。
6.根据权利要求2所述的传感器，其中
湿度敏感层(4)为形成在第一传感器元件(11，21，31，41)和第二传感器元件(12，22，32，42)上的单个的部件。
7.根据权利要求2所述的传感器，其中
在进行用于设置在不同于第一传感器元件(11，21，31，41)和第二传感器元件(12，22，32，42)的基底(1)的位置上的半导体元件的铝布线时，提供第一传感器元件(11，21，31，41)的梳状电极(11a，11b，21a，21b，31a，31b，41a，41b)和第二传感器元件(12，22，32，42)的梳状电极(12a，12b，22a，22b，32a，32b，42a，42b)，以及
保护层(3)由氮化硅制成并用作铝布线的保护层。
8.根据权利要求1所述的传感器，还包括
第一传感器元件(51)和第二传感器元件(52)布置在其上的半导体基底(1)；及
用湿度敏感层(4)层叠的保护层(3)，其中
第一传感器元件(51)为具有底端电极(51a)和顶端电极(51b)的电容性元件，
保护层(3)和湿度敏感层(4)插入第一传感器元件(51)的底端电极(51a)和顶端电极(51b)之间，
第二传感器元件(52)为具有底端电极(52a)和顶端电极(52b)的电容性元件，及
保护层(3)和湿度敏感层(4)插入第二传感器元件(52)的底端电极(52a)和顶端电极(52b)之间。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中
第一传感器元件(51)的底端电极(51a)和顶端电极(51b)的面对面积不同于第二传感器元件(52)的底端电极(52a)和顶端电极(52b)的面对面积。
10.根据权利要求8或9所述的传感器，其中
第一传感器元件(51)和第二传感器元件(52)的顶端电极(51b，52b)形成整体。
11.根据权利要求8所述的传感器，其中
在进行用于设置在不同于第一传感器元件(51)和第二传感器元件(52)的基底(1)的位置上的半导体元件的铝布线时，提供第一传感器元件(51)和第二传感器元件(52)的底端电极(51a，52a)，以及
保护层(3)由氮化硅制成并用作铝布线的保护层。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中
湿度敏感层(4)由聚酰亚胺树脂制成。
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