CN209894749U - 一种双电容式温湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双电容式温湿度传感器，包括衬底，衬底上依次设置有绝缘层和第一钝化层，第一钝化层上设置有多晶硅电极，多晶硅电极上方设置有叉指负电极和叉指正电极，叉指正电极表面覆有一层湿度敏感介质；叉指负电极和叉指正电极形成叉指结构，叉指负电极和叉指正电极之间有第一空气层，构成水平电容；叉指正电极与其下方的第二多晶硅电极直接连接，叉指负电极与其下方的第一多晶硅电极之间设置有第二空气层，且第一多晶硅电极上覆有第二钝化层，叉指负电极与第一多晶硅电极构成垂直电容。本实用新型提供的双电容式温湿度传感器，具有温漂低，响应快，面积相对较小，集成化的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于MEMS(微电子机械系统)工艺的电容式湿度传感器，尤其是一种具有低温漂的双敏感电容式湿度传感器结构。
背景技术
随着社会更加现代化，湿度传感器在日常生活中的应用也愈加广泛。而湿度传感器有电容式、电阻式、压阻式、光学式等类型，其中，电容式传感器凭借灵敏度高、功耗小、制造成本低而在商用中最为广泛。
温度漂移是传感器性能的一个重要指标。温度漂移一般是指，会随着环境温度变化而变化，即传感器工作在不同的环境温度下，传感器输出信号会发生漂移，影响后续的测试准确性和一致性。特别在湿度测量过程，温度对于测试的结果影响极大。为了在一定程度上抵消或减小其输出的温漂，常采用一些温度补偿措施，比如通过软件或者电桥等补偿电路设计来实现，设计和实现过程相对较为复杂。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种双电容式温湿度传感器，具有温漂低，响应快，面积相对较小，集成化等优点。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种双电容式温湿度传感器，包括衬底，衬底上依次设置有绝缘层和第一钝化层，第一钝化层上设置有多晶硅电极，多晶硅电极上方设置有叉指负电极和叉指正电极，叉指正电极表面覆有一层湿度敏感介质；叉指负电极和叉指正电极形成叉指结构，叉指负电极和叉指正电极之间有第一空气层，构成水平电容；所述多晶硅电极包括位于叉指负电极下方的第一多晶硅电极和位于叉指正电极下方的第二多晶硅电极，叉指正电极与其下方的第二多晶硅电极直接连接，叉指负电极与其下方的第一多晶硅电极之间设置有第二空气层，且第一多晶硅电极上覆有第二钝化层，叉指负电极与第一多晶硅电极构成垂直电容。
所述水平电容及垂直电容为两组，并通过可动梁连接，可动梁分别与两组电容的叉指负电极连接。
还包括级联梁，级联梁与可动梁连接，级联梁为“H”形状，其四个端部均通过锚区与衬底固定。
所述衬底上具有凹槽，级联梁放置于衬底的凹槽中，并且级联梁与凹槽之间设置有第三空气层。
所述衬底的材质为硅。
所述叉指负电极和叉指正电极的材质为镍。
所述湿度敏感介质的材质为氧化石墨烯。
所述第一钝化层、第二钝化层的材质为氮化硅。
所述绝缘层的材质为二氧化硅。
本实用新型的工作原理为：本实用新型的双电容式温湿度传感器包括湿度敏感电容和温度补偿电容，其中，覆有湿度敏感介质的叉指正电极，裸露的叉指负电极以及空气层构成传感器的水平湿度敏感电容结构，当感湿介质层吸湿后，该电容结构的混合介电层的介电常数会发生变化，进而引起检测电容值发生变化，从而实现横向湿度敏感电容对环境湿度变化的检测功能。覆有湿度敏感介质的叉指正电极与多晶硅电极构成垂直温度敏感电容结构，当温度发生变化时，由于锚区热形变以及级联梁的热形变，引起垂直电容两个极板间的距离发生变化，进而实现金属电极和多晶硅电极之间的纵向温度敏感电容对环境温度的变化的检测，用以补偿温度对于湿度测试结果的影响。
有益效果：本实用新型提供的双电容式温湿度传感器，具有温漂低，响应快，面积相对较小，集成化的优点。叉指电极为体硅工艺加工的具有高深宽比的叉指结构，具有成本低、敏感电容大的优点。衬底为玻璃衬底，可以减少寄生电容。
附图说明
图1是本实用新型的双电容式温湿度传感器的截面图；
图2是本实用新型的双电容式温湿度传感器的俯视图；
图3是垂直电容结构示意图；
图4是水平电容结构示意图；
图中，1-衬底，2-绝缘层，3-第一钝化层，4-多晶硅电极，4-1-第一多晶硅电极，4-2-第二多晶硅电极，5-第二钝化层，6-叉指负电极，7-湿度敏感介质，8-叉指正电极，9-第一空气层，10-第二空气层，11-锚区，12-第三空气层，13-级联梁，14-可动梁。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做更进一步的解释。
如图1，本实用新型的一种双电容式温湿度传感器，包括衬底1，衬底上依次设置有绝缘层2和第一钝化层3，第一钝化层3上设置有多晶硅电极4，多晶硅电极4上方设置有叉指负电极6和叉指正电极8，叉指正电极8表面覆有一层湿度敏感介质7；叉指负电极6和叉指正电极8形成叉指结构，叉指负电极6和叉指正电极8之间有第一空气层9。如图4所示，覆有一层湿度敏感介质7的叉指正电极8、第一空气层9、叉指负电极6构成水平电容Cmm。
多晶硅电极4包括位于叉指负电极6下方的第一多晶硅电极4-1和位于叉指正电极8下方的第二多晶硅电极4-2，叉指正电极8与其下方的第二多晶硅电极4-2直接连接，叉指负电极6与其下方的第一多晶硅电极4-1之间设置有第二空气层10，且第一多晶硅电极4-1上覆有第二钝化层5。如图3所示，叉指负电极6、第二空气层10、覆有第二钝化层5的第一多晶硅电极4-1构成垂直电容Cmp。
如图2，水平电容及垂直电容为两组，分别位于衬底1上的一端和中间，两组电容通过可动梁14连接，可动梁14分别与两组电容的叉指负电极6连接。相对于只有一组电容的情况，设置两组电容，所得的测试结果更为精确。
如图2，可动梁14还连接有两个级联梁13，级联梁13由一根横梁和两根纵梁组成，两根纵梁分别位于横梁的两端，构成一个“H”形状，两根纵梁的四个端部均通过锚区11与衬底1固定。级联梁13的横梁固定在可动梁14上。其中一个级联梁13放置在两组电容之间，另一个级联梁13放置在位于衬底1中间那一组电容与衬底1上远离两组电容的端部之间。
如图2，衬底1上具有凹槽，级联梁13放置于衬底1的凹槽中，并且级联梁13与凹槽之间设置有第三空气层12，使级联梁13能够相对于衬底1运动。
优选的，衬底1的材质为硅。叉指负电极6和叉指正电极8的材质为镍。湿度敏感介质7的材质为氧化石墨烯。第一钝化层3、第二钝化层5的材质为氮化硅。绝缘层2的材质为二氧化硅。
覆有湿度敏感介质7的叉指正电极8，叉指负电极6以及第一空气层9构成传感器的水平湿度敏感电容结构，当湿度敏感介质7吸湿后，该电容结构的混合介电层的介电常数会发生变化，进而引起检测电容值发生变化，从而实现横向湿度敏感电容对环境湿度变化的检测功能。覆有湿度敏感介质7的叉指正电极8与多晶硅电极4构成垂直温度敏感电容结构，当温度发生变化时，由于锚区11热形变以及级联梁13的热膨胀后具有离面运动，引起垂直方向叉指负电极6与多晶硅电极4的间距增大，进而实现叉指负电极6和多晶硅电极4之间的纵向温度敏感电容对环境温度的变化的检测，用以补偿温度对于湿度测试结果的影响。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种双电容式温湿度传感器，其特征在于：包括衬底(1)，衬底上依次设置有绝缘层(2)和第一钝化层(3)，第一钝化层(3)上设置有多晶硅电极(4)，多晶硅电极(4)上方设置有叉指负电极(6)和叉指正电极(8)，叉指正电极(8)表面覆有一层湿度敏感介质(7)；叉指负电极(6)和叉指正电极(8)形成叉指结构，叉指负电极(6)和叉指正电极(8)之间有第一空气层(9)，构成水平电容；所述多晶硅电极(4)包括位于叉指负电极(6)下方的第一多晶硅电极(4-1)和位于叉指正电极(8)下方的第二多晶硅电极(4-2)，叉指正电极(8)与其下方的第二多晶硅电极(4-2)直接连接，叉指负电极(6)与其下方的第一多晶硅电极(4-1)之间设置有第二空气层(10)，且第一多晶硅电极(4-1)上覆有第二钝化层(5)，叉指负电极(6)与第一多晶硅电极(4-1)构成垂直电容。
2.根据权利要求1所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述水平电容及垂直电容为两组，并通过可动梁(14)连接，可动梁(14)分别与两组电容的叉指负电极(6)连接。
3.根据权利要求2所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：还包括级联梁(13)，级联梁(13)与可动梁(14)连接，级联梁(13)为“H”形状，其四个端部均通过锚区(11)与衬底(1)固定。
4.根据权利要求3所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述衬底(1)上具有凹槽，级联梁(13)放置于衬底(1)的凹槽中，并且级联梁(13)与凹槽之间设置有第三空气层(12)。
5.根据权利要求1所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述衬底(1)的材质为硅。
6.根据权利要求1所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述叉指负电极(6)和叉指正电极(8)的材质为镍。
7.根据权利要求1所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述湿度敏感介质(7)的材质为氧化石墨烯。
8.根据权利要求1所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述第一钝化层(3)、第二钝化层(5)的材质为氮化硅。
9.根据权利要求1所述的双电容式温湿度传感器，其特征在于：所述绝缘层(2)的材质为二氧化硅。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110108763A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-08-09 | 南京邮电大学 | 一种低温漂电容式湿度传感器 |
| CN113311031A (zh) * | 2021-07-01 | 2021-08-27 | 北京航天微电科技有限公司 | 一种双面电容型湿度传感器及其制备方法 |
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2019
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