CN201203591Y - 有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片 - Google Patents

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CN201203591Y CNU2008200904190U CN200820090419U CN201203591Y CN 201203591 Y CN201203591 Y CN 201203591Y CN U2008200904190 U CNU2008200904190 U CN U2008200904190U CN 200820090419 U CN200820090419 U CN 200820090419U CN 201203591 Y CN201203591 Y CN 201203591Y
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于海超
田雷
王平
齐虹
郑丽
司良有
王震
王永刚
尹延昭
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Abstract

有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，涉及到一种传感器芯片。它提高了具有一体化加热功能的湿度传感器对适用温湿度变化快的环境的适用性，还减小了加热功耗。它以单晶硅材料为衬底，结合半导体工艺和微机械加工工艺制成，在传感器结构衬底的对称轴上的热隔离通槽的两侧对称有两个结构相同的湿度传感器模块，每个湿度传感器模块从下到上依次为加热电阻、第一氧化绝缘层、第一氮化硅绝缘层、电容下极板、绝缘钝化层、湿度敏感介质层和多孔电容上极板；加热电阻的两端、多孔电容上极板和电容下极板分别通过四个电极引出。它具有可靠性和稳定性好、体积小、成本低、便于批量加工的优点，可应用于各种湿度传感器的制作。

Description

有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片
技术领域
本实用新型涉及到一种传感器芯片，具体涉及到带有加热功能的湿度传感器芯片。
背景技术
现有的湿度传感器多数不具有加热功能，少数的具有一体化加热功能的湿度传感器芯片主要是以玻璃材料为衬底，以铂电阻薄膜作为加热器，采用的工艺与半导体工艺不能兼容，加热电阻不易直接制作在电容的正下方，而且在需要快速测量湿度变化较快环境的湿度时需要两只传感器同时使用，一个工作测试，另一只加热除湿，这样需要的加热功率大，而且两只传感器芯片为分立组装，装配和测试较复杂。
实用新型内容
为了提高具有一体化加热功能的湿度传感器对适用温湿度变化比较快的环境适用性，以及减小加热功耗，本实用新型提出了一种具有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片。
本实用新型的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片的结构为：在传感器结构衬底的对称轴上有一热隔离通槽，所述传感器结构衬底的上表面上有两个湿度传感器模块，所述两个湿度传感器模块的结构相同并以所述热隔离通槽为轴左右对称位置，每个湿度传感器模块从下到上依次为第一氧化绝缘层、第一氮化硅绝缘层、绝缘钝化层、湿度敏感介质层和多孔电容上极板，加热电阻位于所述第一氧化绝缘层和传感器结构衬底之间，电容下极板位于所述第一氮化硅绝缘层和绝缘钝化层之间，并且所述电容下极板位于加热电阻的正上方；所述加热电阻的两端、多孔电容上极板和电容下极板分别通过四个电极引出，所述传感器结构衬底为单晶硅。
本实用新型采用单晶硅替代传统的石英玻璃为衬底，减小了湿度传感器在探空应用中雨水及太阳辐射的影响，缩小了传感器敏感芯片的尺寸，现有同类传感器的通常尺寸为5mm x 7mm，本实用新型的传感器的每个模块尺寸能够做到2mm x 2mm，根据实际需要还能够做得更小，较小的芯片尺寸同时也对减小热滞后有显著的效果。
本实用新型的传感器芯片，依据湿度敏感介质层的介电常数随吸附水分子量的多少而变化的原理，制成电容式的湿度传感器，在使用过程中，当传感器的环境由高湿转到低湿的时候，湿敏元件表面容易结霜或凝结水膜，而使传感器输出失效，本实用新型在湿度敏感介质层的正下方制作加热元件的方法，通过对加热元件以脉冲的方式加电加热进而除去传感器表面的霜或凝结水膜，以保证湿度传感器能够正常工作，准确地测试环境湿度。
本实用新型的传感器芯片，采用双模块结构，通过半导体工艺将具有加热功能的两只湿度传感器集成到一个芯片上，采用MEMS技术减小热损耗，同时通过MEMS技术实现两个模块的热隔离，实现单片多功能传感器芯片集成，扩展现有湿度传感器使用范围，解决现有传感器加热功耗大，为实现一个测试目标必须采用两套参数一致的、同功能传感器的困难，同时提高传感器的可靠性和稳定性。
本实用新型的传感器芯片，在单晶硅上实现MEMS结构就能够加工生产，能够大大提高生产能力、降低成本、提高产品的批次间和批次中的产品一致性。
附图说明
图1是本实用新型所述的传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片的结构为：在传感器结构衬底5的对称轴上有一热隔离通槽12，所述传感器结构衬底5的上表面上有两个湿度传感器模块，所述两个湿度传感器模块的结构相同并以所述热隔离通槽12为轴左右对称设置，每个湿度传感器模块从下到上依次为第一氧化绝缘层4、第一氮化硅绝缘层11、绝缘钝化层9、湿度敏感介质层2和多孔电容上极板1，加热电阻8位于所述第一氧化绝缘层4和传感器结构衬底5之间，电容下极板10位于所述第一氮化硅绝缘层11和绝缘钝化层9之间，并且所述电容下极板10位于加热电阻8的正上方；所述加热电阻8的两端、多孔电容上极板1和电容下极板10分别通过电极3引出，所述传感器结构衬底5为单晶硅。
所述多孔电容上极板1为多孔金属薄膜，所述多孔金属薄膜的厚度在20nm至60nm之间。所述多孔金属薄膜可采用金薄膜。所述多孔的金属薄膜能够使多孔电容上极板1下面的湿度敏感介质层充分与外界空气相接触，使测量更准确、可靠。
所述电容下极板10为金属薄膜，所述金属薄膜的厚度在700nm至1300nm之间，所述金属薄膜可采用金薄膜或铂薄膜。
所述电容下极板10与传感器结构衬底5欧姆接触。这样能够减小传感器结构沉底5和电容下极板10之间的绝缘层带来的寄生电容，提高传感器性能。
所述湿度敏感介质层2采用高分子感湿材料，所述湿度敏感介质层2的厚度在500nm至3000nm，包括两个端点。
所述加热电阻8为金属铂薄膜，所述金属铂薄膜的厚度在700nm至1300nm，包括两个端点。
所述加热电阻8还可以采用硼高掺杂单晶硅制作，所述硼高掺杂单晶硅的厚度在1000nm至3000nm，包括两个端点。所述加热电阻8采用硼高掺杂单晶硅材料，能够解决金属加热器与单晶硅热胀系数等工艺不匹配问题。
所述第一氧化绝缘层4是在加工过程中热氧化生成的二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜的厚度在100nm至350nm，包括两个端点。
所述第一氮化硅绝缘层11是在加工过程中采用LPCVD(低压化学汽相淀积)工艺时生成的Si3N4薄膜，所述Si3N4薄膜的厚度在100nm至200nm，包括两个端点。
所述绝缘钝化层9的材料为SiO2或Si3N4，所述绝缘钝化层9的厚度在600nm至2000nm，包括两个端点。所述绝缘钝化层9位于电容下极板10和多孔电容上极板1之间，能够有效的防止在元件使用过程中湿敏电容的上下电极短路问题，提高了传感器可靠性。
所述加热电阻8、电容上极板1和电容下极板10的引出电极均为金属薄膜，所述金属薄膜的厚度在700nm至1300nm，包括两个端点，所述金属薄膜可采用金薄膜。
所述传感器结构衬底5的厚度为10μm至150μm，包括两个端点。
所述热隔离通槽12的宽度为100μm到500μm，包括两个端点。
本实施方式的传感器芯片，采用双模块结构，通过半导体工艺将具有加热功能的两只湿度传感模块集成到一个芯片上，采用MEMS技术减小热损耗，同时通过MEMS技术实现两个模块的热隔离，实现单片多功能传感器芯片集成，扩展现有湿度传感器使用范围，减小了传感器的加热功耗，避免了为实现一个测试目标必须采用两套参数一致的、同功能传感器的问题，提高了传感器的可靠性和稳定性。
本实施方式的两个模块实现热隔离，能够实现双模块湿度芯片交替加热工作的功能，而且没有处于加热状态的一个模块中的加热电阻可以作为温度敏感元件使用，经调理电路设计，可以对测试模块湿敏电容温度补偿。
本实施方式的传感器芯片，依据湿度敏感介质层的介电常数随吸附水分子量的多少而变化的原理，制成电容式的湿度传感器芯片，在使用过程中，当传感器的环境由高湿转到低湿的时候，湿敏元件表面容易结霜或凝结水膜，而使传感器输出失效，本实用新型在湿度敏感介质层的正下方制作加热元件的方法，通过对加热元件以脉冲的方式加电加热进而除去传感器表面的霜或凝结水膜，以保证湿度传感器能够正常工作，准确地测试环境湿度。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片的区别在于，在微结构衬底5的底面有硅杯5-2及硅杯周边固支。
本实施方式在传感器微结构衬底5的底面增加的硅杯5-2及硅杯周边固支结构，不但能够便于制作小尺寸的芯片，还能够减小热损耗、提高热净化所用加热电阻除湿效率。
本实施方式所述的硅杯周边固支的下表面上依次覆盖有第二氧化绝缘层6和第二氮化硅绝缘层7，所述第二氧化绝缘层6是二氧化硅薄膜，所述第二氧化绝缘层6的厚度在100nm至350nm，包括两个端点；所述第二氮化硅绝缘层7是Si3N4薄膜，所述第二氮化硅绝缘层7的厚度在100nm至200nm，包括两个端点。

Claims (10)

1、有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于它的结构为：在传感器结构衬底(5)的对称轴上有一热隔离通槽(12)，所述传感器结构衬底(5)的上表面上有两个湿度传感器模块，所述两个湿度传感器模块的结构相同并以所述热隔离通槽(12)为轴左右对称设置，每个湿度传感器模块从下到上依次为第一氧化绝缘层(4)、第一氮化硅绝缘层(11)、绝缘钝化层(9)、湿度敏感介质层(2)和多孔电容上极板(1)，加热电阻(8)位于所述第一氧化绝缘层(4)和传感器结构衬底(5)之间，电容下极板(10)位于所述第一氮化硅绝缘层(11)和绝缘钝化层(9)之间，并且所述电容下极板(10)位于加热电阻(8)的正上方；所述加热电阻(8)的两端、多孔电容上极板(1)和电容下极板(10)分别通过四个电极(3)引出，所述传感器结构衬底(5)为单晶硅。
2、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于所述多孔电容上极板(1)为厚度在20nm至60nm之间的多孔金属薄膜。
3、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于所述电容下极板(10)为厚度在700nm至1300nm之间的金薄膜或铂薄膜。
4、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于，所述电容下极板(10)与传感器结构衬底(5)欧姆接触。
5、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于所述湿度敏感介质层(2)为厚度在500nm至3000nm之间的高分子感湿材料。
6、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于，所述加热电阻(8)为厚度在700nm至1300nm之间的金属铂薄膜，或者是厚度在1000nm至3000nm之间的硼高掺杂单晶硅。
7、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于，所述第一氧化绝缘层(4)是厚度在100nm至350nm之间的二氧化硅薄膜，所述第一氮化硅绝缘层(11)是厚度在100nm至200nm之间的Si3N4薄膜；所述绝缘钝化层(9)是厚度在600nm至2000nm之间的SiO2或Si3N4。
8、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于，所述传感器结构衬底(5)的厚度为10μm至150μm。
9、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于，所述热隔离通槽(12)的宽度为100μm到500μm。
10、根据权利要求1所述的有热净化功能的低功耗热隔离双模块集成湿度传感器芯片，其特征在于，所述传感器结构衬底(5)的底面还有硅杯(5-2)及硅杯周边固支。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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