CN102565149A - 一种具有温漂补偿的电容湿度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有温漂补偿的电容式湿度传感器及其制作方法，传感器本体采用表面微机械加工技术在半导体衬底上形成隔离层，以及隔离层上的感湿悬臂和上、下电极。其中感湿悬臂由从下到上叠置的第一湿敏材料层、隔湿层、第二湿敏材料层组成，上电极覆盖第一湿敏材料层的下表面，并与下电极形成敏感电容。当环境湿度变化时，第一湿敏材料层和第二湿敏材料层体积变化不同，即引起感湿悬臂的变形，进而带动上电极的变形，使得上电极于下电极之间的电容改变，利用电容值的变化可表征环境湿度的变化。而当环境温度变化时，感湿悬臂的两层湿敏材料层体积变化相同，即达到了温漂补偿的效果，使得本发明具有低温漂的优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及采用表面微机械加工实现的湿度传感器技术领域，特别是一种具有温漂补偿的电容湿度传感器及其制作方法。
背景技术
湿度传感器应用广泛，传统湿度传感器以湿敏电阻等为主，这类传感器虽然成本低，但精度较差。电容式湿度传感器是另一类常见的湿度传感器结构，该类传感器灵敏度高，是目前湿度传感器的主要形式。电容型湿度传感结构通常采用高分子材料作为感湿介质，由于感湿材料的热膨胀系数较大造成感湿特性也发生变化，因此需要作温度补偿。如瑞士Sensirion的湿度传感器采用两个一致的叉指状结构构成湿度敏感头，其中一个对湿度敏感，一个不敏感。由于具有同样的温度特性，测量时通过电容差分，补偿了温度对湿度敏感的影响。但这种结构的缺陷在于：一是占芯片面积大，二是需要复杂电路来实现电容差分补偿问题。因此如何设计传感器既能满足温度补偿又测试简单，仍是目前业界研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有温漂补偿的电容湿度传感器，其结构简单，在能够正常感知湿度变化的同时，能够补偿材料温度效应造成的温漂问题。此外本发明还提供这种具有温漂补偿的电容湿度传感器的制作方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具有温漂补偿的电容湿度传感器，其包括半导体衬底层、绝缘层、感湿悬臂以及感应电极；其中：
绝缘层覆盖于半导体衬底层的上表面；
感湿悬臂的一端固定于绝缘层上，另一端位于绝缘层的上方并悬空；感湿悬臂由从下到上依次叠置的第一湿敏材料层、隔湿层和第二湿敏材料层组成，其中第一湿敏材料层与第二湿敏材料层的厚度相同；
感应电极包括上电极和下电极；上电极覆盖感湿悬臂中第一湿敏材料层的下表面，并固定；下电极固定于绝缘层上；且上电极悬空的一端平行于下电极，并位于下电极的上方。
为了更明显的传递环境湿度造成的应力，增加湿度传感器的灵敏度，感湿悬臂中第一湿敏材料层、第二湿敏材料层的厚度大于隔湿层、上电极的厚度。
本发明提供的制造上述具有温漂补偿的电容湿度传感器的方法，包括以下步骤：
（1）选取硅片作为半导体衬底层的材料；
（2）对半导体衬底层进行氧化，使得在半导体衬底层的上表面氧化形成绝缘层；
（3）在绝缘层上溅射一层金属薄膜，并光刻刻蚀形成下电极；
（4）在绝缘层上旋涂光刻胶，并光刻形成牺牲层；牺牲层覆盖下电极的一个端部；
（5）在牺牲层上表面溅射一层金属薄膜，并对金属薄膜进行光刻形成上电极，且上电极的一端平行于下电极，并位于下电极的上方；
（6）在上电极的上表面旋涂一层湿敏材料，作为第一湿敏材料层；并在第一湿敏材料层的上表面通过等离子增强化学气象沉积法形成隔湿薄膜，作为隔湿层；再在隔湿层的上表面旋涂一层湿敏材料，作为第二湿敏材料层；
（7）对第一湿敏材料层、隔湿层以及第二湿敏材料层叠置形成的整体进行光刻，使得上电极覆盖第一湿敏材料层的下表面；
（8）利用丙醇释放步骤（4）中形成的牺牲层，使得第一湿敏材料层、隔湿层、第二湿敏材料层以及上电极位于牺牲层上方的端部悬空；第一湿敏材料层、隔湿层与第二湿敏材料层叠置形成的整体呈悬臂结构，即为感湿悬臂。
本发明的具有温漂补偿的电容湿度传感器在应用时，感湿悬臂上的上电极与绝缘层上的下电极形成一个敏感电容。当环境湿度变化时，位于上方暴露在环境中得第二湿敏材料层会受到环境湿度影响，从而引起体积变化；而位于隔湿层于上电极之间的第一湿敏材料层则不会受到环境湿度影响，或者影响很小，因此其体积不变或者变化也很小；但是由于第一湿敏材料层于第二湿敏材料层之间为相互固定，两层体积变化不一致必会引起感湿悬臂整体的变形，从而带动上电极的变形，也就改变了敏感电容的电容值。
本发明的有益效果为：在能够较灵敏的感知环境湿度变化的同时，本发明能够克服材料温度效应造成的温漂问题。即当环境温度发生变化时，由于感湿悬臂中第一湿敏材料层于第二湿敏材料层的材质相同，且厚度一致，故具有相同的膨胀系数，体积变化一致，则不会对上极板产生影响，也就不会改变上极板于下极板之间的电容，即具有低温漂的优异性能。
此外，本发明结构简单，可利用表面为机械加工技术进行制造，工艺亦很简单。
附图说明
图1所示为本发明的具有温漂补偿的电容湿度传感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式作进一步描述。
如图1所示，本发明的具有温漂补偿的电容湿度传感器包括半导体衬底层1、绝缘层2、感湿悬臂以及感应电极；其中：
绝缘层2覆盖于半导体衬底层1的上表面；
感湿悬臂的一端固定于绝缘层2上，另一端位于绝缘层2的上方并悬空；感湿悬臂由从下到上依次叠置的第一湿敏材料层41、隔湿层42和第二湿敏材料层43组成，其中第一湿敏材料层41与第二湿敏材料层43的厚度相同；
感应电极包括上电极31和下电极32；上电极31覆盖感湿悬臂中第一湿敏材料层41的下表面，并固定；下电极32固定于绝缘层2上；且上电极31悬空的一端平行于下电极32，并位于下电极32的上方。
为了更明显的传递环境湿度造成的应力，增加湿度传感器的灵敏度，感湿悬臂中第一湿敏材料层41、第二湿敏材料层43的厚度大于隔湿层42、上电极31的厚度。
制造上述具有温漂补偿的电容湿度传感器的方法，包括以下步骤：
（1）选取硅片作为半导体衬底层1的材料；
（2）对半导体衬底层1进行氧化，使得在半导体衬底层的上表面氧化形成绝缘层2；
（3）在绝缘层2上溅射一层金属薄膜，并光刻刻蚀形成下电极32；
（4）在绝缘层2上旋涂光刻胶，并光刻形成牺牲层；牺牲层覆盖下电极32的一个端部；
（5）在牺牲层上表面溅射一层金属薄膜，并对金属薄膜进行光刻形成上电极31，且上电极31的一端平行于下电极32，并位于下电32极的上方；
（6）在上电极31的上表面旋涂一层湿敏材料，作为第一湿敏材料层41；并在第一湿敏材料层41的上表面通过等离子增强化学气象沉积法形成隔湿薄膜，作为隔湿层42；再在隔湿层42的上表面旋涂一层湿敏材料，作为第二湿敏材料层43；
（7）对第一湿敏材料层41、隔湿层42以及第二湿敏材料层43叠置形成的整体进行光刻，使得上电极32覆盖第一湿敏材料41的下表面；
（8）利用丙醇释放步骤（4）中形成的牺牲层，使得第一湿敏材料层41、隔湿层42、第二湿敏材料层43以及上电极31位于牺牲层上方的端部悬空；第一湿敏材料层41、隔湿层42与第二湿敏材料层43叠置形成的整体呈悬臂结构，即为感湿悬臂。
具有温漂补偿的电容湿度传感器在应用时，感湿悬臂上的上电极与绝缘层上的下电极形成一个敏感电容。当环境湿度变化时，位于上方暴露在环境中得第二湿敏材料层会受到环境湿度影响，从而引起体积变化；而位于隔湿层于上电极之间的第一湿敏材料层则不会受到环境湿度影响，或者影响很小，因此其体积不变或者变化也很小；但是由于第一湿敏材料层于第二湿敏材料层之间为相互固定，两层体积变化不一致必会引起感湿悬臂整体的变形，从而带动上电极的变形，也就改变了敏感电容的电容值。
而当环境温度发生变化时，由于感湿悬臂中第一湿敏材料层于第二湿敏材料层的材质相同，且厚度一致，故具有相同的膨胀系数，体积变化一致，则不会对上极板产生影响，也就不会改变上极板于下极板之间的电容，即具有低温漂的优异性能。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
Claims (3)
1.一种具有温漂补偿的电容湿度传感器，其特征是，包括半导体衬底层、绝缘层、感湿悬臂以及感应电极；其中：
绝缘层覆盖于半导体衬底层的上表面；
感湿悬臂的一端固定于绝缘层上，另一端位于绝缘层的上方并悬空；感湿悬臂由从下到上依次叠置的第一湿敏材料层、隔湿层和第二湿敏材料层组成；其中第一湿敏材料层与第二湿敏材料层的厚度相同；
感应电极包括上电极和下电极；上电极覆盖感湿悬臂中第一湿敏材料层的下表面，并固定；下电极固定于绝缘层上；且上电极悬空的一端平行于下电极，并位于下电极的上方。
2.根据权利要求1所述的具有温漂补偿的电容湿度传感器，其特征是，感湿悬臂中第一湿敏材料层、第二湿敏材料层的厚度大于隔湿层、上电极的厚度。
3.一种制造权利要求1或2所述的具有温漂补偿的电容湿度传感器的方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）选取硅片作为半导体衬底层的材料；
（2）对半导体衬底层进行氧化，使得在半导体衬底层的上表面氧化形成绝缘层；
（3）在绝缘层上溅射一层金属薄膜，并光刻刻蚀形成下电极；
（4）在绝缘层上旋涂光刻胶，并光刻形成牺牲层；牺牲层覆盖下电极的一个端部；
（5）在牺牲层上表面溅射一层金属薄膜，并对金属薄膜进行光刻形成上电极，且上电极的一端平行于下电极，并位于下电极的上方；
（6）在上电极的上表面旋涂一层湿敏材料，作为第一湿敏材料层；并在第一湿敏材料层的上表面通过等离子增强化学气象沉积法形成隔湿薄膜，作为隔湿层；再在隔湿层的上表面旋涂一层湿敏材料，作为第二湿敏材料层；
（7）对第一湿敏材料层、隔湿层以及第二湿敏材料层叠置形成的整体进行光刻，使得上电极覆盖第一湿敏材料层的下表面；
（8）利用丙醇释放步骤（4）中形成的牺牲层，使得第一湿敏材料层、隔湿层、第二湿敏材料层以及上电极位于牺牲层上方的端部悬空；第一湿敏材料层、隔湿层与第二湿敏材料层叠置形成的整体呈悬臂结构，即为感湿悬臂。
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