一种加热式湿度传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种加热式湿度传感器，包括：衬底（1），还包括：湿度敏感电容和加热电路。衬底（1）为方形薄片，作为支撑结构置于最低层。加热电路环绕于湿度敏感电容的周围。加热式湿度传感器使用时，在同一数据采集板上安装两只独立的加热式湿度传感器，一只加热式湿度传感器加热除湿以及降温的过程中，另一只加热式湿度传感器进行湿度测量；一个工作周期后，两只加热式湿度传感器互换工作方式。本实用新型在50℃～-90℃的环境温度范围内，湿度测量范围为0％～100％RH，湿度测量误差小于±3%，湿度分辨率小于0.1%，常温环境响应时间低于1s。
【专利说明】一种加热式湿度传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种湿度传感器，特别是一种加热式湿度传感器。
【背景技术】
[0002]高空气象环境复杂多变，空中湿度随高度有较大的空间变率，温度处于持续下降的状态；并且湿度传感器在上升通过云、雨等高湿环境时容易受到污染，在低温环境下还容易发生结霜现象，这些直接导致湿度探测精度的严重偏差。
[0003]传统的电容式湿度传感器仅包括湿度敏感电容部分，由衬底、电容上电极、电容下电极、电极焊盘和电容感湿介质层构成。为实现高空低温高湿环境测试，引入加热除湿技术，即由加热电阻丝和焊盘组成的加热电路，工作时电流通过加热电阻，电阻丝发热起到除湿的作用。例如一种MEMS方法制作的集成加热电路的双湿度探测模块集成湿度传感器，其结构为在衬底上覆盖加热电路，在加热电路上方分别包含两个湿度敏感电容，包覆加热的方式使得湿敏电容热量散失过程缓慢，两个湿度敏感电容集成在同一芯片上，加热过程散发出的热量会彼此干扰湿度敏感电容湿度测量的准确度，而且该种传感器的制造方法步骤复杂，器件成品率较低。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种加热式湿度传感器，解决目前气象探测用湿度传感器在高空低温环境下，表面易被水污染和发生结霜现象以及湿度测试准确度和灵敏度较低的问题。
[0005]一种加热式湿度传感器，包括:衬底，还包括:湿度敏感电容和加热电路，其中湿度敏感电容包括:电容下电极金属基底层、电容下电极、电容感湿介质层、电容上电极、电容下电极焊盘、电容下电极焊盘金属基底层、电容上电极焊盘和电容上电极焊盘金属基底层，加热电路包括:加热电阻、加热电阻金属基底层、加热电阻焊盘和加热电阻焊盘金属基底层。衬底为方形薄片，作为支撑结构置于最低层。电容下电极金属基底层、电容下电极焊盘金属基底层、电容上电极焊盘金属基底层位于衬底上，电容下电极、电容下电极焊盘和电容上电极焊盘分别位于相同形状尺寸的电容下电极金属基底层、电容下电极焊盘金属基底层、电容上电极焊盘金属基底层上。电容下电极金属基底层和电容下电极焊盘金属基底层连接，电容下电极金属基底层和电容上电极焊盘金属基底层之间有间隙，电容下电极焊盘金属基底层和电容上电极焊盘金属基底层置于电容下电极金属基底层的两侧。电容感湿介质层覆盖在电容下电极上，未覆盖电容下电极焊盘和上电极焊盘。电容上电极位于覆盖有电容感湿介质层的电容下电极上方，电容上电极尾部引线与电容上电极焊盘接触。加热电路环绕于湿度敏感电容的周围，加热电阻金属基底层和加热电阻焊盘金属基底层位于衬底上，加热电阻和加热电阻焊盘分别位于相同形状尺寸的加热电阻金属基底层和加热电阻焊盘金属基底层上。加热电阻金属基底层和加热电阻焊盘金属基底层连接，两个加热电阻焊盘金属基底层置于加热电阻金属基底层的两侧。电容感湿介质层覆盖在加热电阻上未覆盖加热电阻焊盘，电容感湿介质层起到表面钝化的作用。
[0006]加热式湿度传感器的衬底选用石英、玻璃、陶瓷或表面氧化后的硅片中的一种，衬底的至少一面为抛光面且表面绝缘，衬底的厚度为0.2mm?0.5mm。
[0007]加热电阻金属基底层和加热电阻焊盘金属基底层为相同材质，采用NiCr、Cr、TiWu或者Ta中的任何一种，厚度为30nm?250nm。
[0008]加热电阻和加热电阻焊盘为相同材质，采用NiCr或者Pt中的任何一种，厚度为IOOnm ?400nm，电阻值为 30 Ω ?150 Ω。
[0009]电容下电极金属基底层、电容下电极焊盘金属基底层和电容上电极焊盘金属基底层为相同材质，采用NiCr、Cr、Tiffu或者Ta中的任何一种，厚度为30nm?250nm。
[0010]电容下电极、电容下电极焊盘和电容上电极焊盘为相同材质，采用Au、Cu、Al或者Pt中的任何一种材料，厚度为IOOnm?400nm。
[0011]电容感湿介质层的厚度为300nm?lOOOnm。
[0012]电容上电极采用Au、Cu、Al或者Pt中的任何一种，厚度为5nm?lOOnm，电容上电极采用网格型开孔结构，开孔均为5 μ m?50 μ m的正方形孔洞，均匀分布；未开孔部位呈岛链状透气结构。
[0013]加热式湿度传感器工作时，在湿度敏感电容上施加电压差，电荷在电场的作用下移动，由于电容上电极和电容下电极之间的电容感湿介质层是不导电的，阻碍了电荷的移动而使得电荷积累在电容上电极和电容下电极上，造成电荷的储存并形成电容。电容感湿介质层吸附或释放水分子，当空间中水分子浓度变化时，电容感湿介质层吸附的水分子数量也随之相应变化，引起电容感湿介质层介电常数的变化，导致对电荷运动的阻碍能力也随之发生变化，因此电容电极上的电荷存储量会随着电容感湿介质层水分子的吸附量的变化发生变化，导致最终的电容值发生变化。电容上电极焊盘和电容下电极焊盘焊接引线至数据采集装置，通过测量电容电极之间容值的变化来进行湿度探测。加热电路工作时，在加热电阻焊盘上施加电压，电流通过蛇形的加热电阻时，加热电阻自身产生热量，热量传递到芯片其他区域，将湿度敏感电容以及整个芯片加热。此外，覆盖在加热电阻上的电容感湿介质层还起到防止加热电阻在沾水情况下短路的作用。电容下电极金属基底层、电容下电极焊盘金属基底层、电容上电极焊盘金属基底层、加热电阻金属基底层、加热电阻焊盘金属基底层均为过渡金属层，只起到提高电容下电极、电容下电极焊盘、电容上电极焊盘、加热电阻、加热电阻焊盘附着力的作用，不会影响电位差下电荷的移动。
[0014]加热式湿度传感器使用时，在同一数据采集板上安装两只独立的加热式湿度传感器，一只加热式湿度传感器加热除湿以及降温的过程中，另一只加热式湿度传感器进行湿度测量；一个工作周期后，两只加热式湿度传感器互换工作方式，一只进行湿度测量，另一只进行加热除湿和降温。加热式湿度传感器进行加热除湿和降温的过程中不进行湿度测量，进行湿度测量的过程中不进行加热除湿。
[0015]本实用新型的加热式湿度传感器，在50°C?_90°C的环境温度范围内，湿度测量范围为0%?100% RH，湿度测量误差小于±3%，湿度分辨率小于0.1%，常温环境响应时间低于ls，实现了加热和湿度探测功能的集成，通过加热电路加热时间小于5s，可以使-60°C环境中的电容温度迅速升高至+70°C以上，起到加热除湿的功能，适用于高空气象探测。本发明采用平面半导体工艺将带加热电路的湿度传感器制作到微小芯片上，加热式湿度传感器的尺寸可根据所需电容值及加热功率进行调整，最小尺寸小于3.5mmX 2.0mm。采用先湿法刻蚀再聚合的方式制作的电容感湿介质层同时起到湿度响应和加热电阻钝化的作用，防止沾水短路，该方法不需进行感湿层干法刻蚀和钝化层制作，优化了工艺路线，降低了加工难度，并且加热式湿度传感器的一致性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1 一种加热式湿度传感器的结构示意图；
[0017]图2 —种加热式湿度传感器的俯视图。
[0018]1.衬底 2.加热电阻金属基底层 3.加热电阻4.加热电阻焊盘金属基底层5.加热电阻焊盘6.电容下电极金属基底层 7.电容下电极8.电容下电极焊盘金属基底层9.电容上电极焊盘金属基底层10.电容下电极焊盘11.电容上电极焊盘12.电容感湿介质层13.电容上电极。
【具体实施方式】
[0019]一种加热式湿度传感器，包括:衬底1、湿度敏感电容和加热电路；其中湿度敏感电容包括:电容下电极金属基底层6、电容下电极7、电容感湿介质层12、电容上电极13、电容下电极焊盘10、电容下电极焊盘金属基底层8、电容上电极焊盘11和电容上电极焊盘金属基底层9，加热电路包括:加热电阻3、加热电阻金属基底层2、加热电阻焊盘5和加热电阻焊盘金属基底层4。衬底I为方形薄片，作为支撑结构置于最低层。电容下电极金属基底层6、电容下电极焊盘金属基底层8、电容上电极焊盘金属基底层9位于衬底I上，电容下电极7、电容下电极焊盘10和电容上电极焊盘11分别位于相同形状尺寸的电容下电极金属基底层6、电容下电极焊盘金属基底层8、电容上电极焊盘金属基底层9上。电容下电极金属基底层6和电容下电极焊盘金属基底层8连接，电容下电极金属基底层6和电容上电极焊盘金属基底层9之间有间隙，电容下电极焊盘金属基底层8和电容上电极焊盘金属基底层9置于电容下电极金属基底层6的两侧。电容感湿介质层12覆盖在电容下电极7上，未覆盖电容下电极焊盘10和上电极焊盘11。电容上电极13位于覆盖有电容感湿介质层12的电容下电极7上方，电容上电极13尾部引线与电容上电极焊盘11接触。加热电路环绕于湿度敏感电容的四周，加热电阻金属基底层2和加热电阻焊盘金属基底层4位于衬底I上，加热电阻3和加热电阻焊盘5分别位于相同形状尺寸的加热电阻金属基底层2和加热电阻焊盘金属基底层4上。加热电阻金属基底层2和加热电阻焊盘金属基底层4连接，两个加热电阻焊盘金属基底层4置于加热电阻金属基底层2的两侧。电容感湿介质层12覆盖在加热电路的加热电阻3上，未覆盖加热电阻焊盘5。
[0020]加热式湿度传感器工作时，在湿度敏感电容上施加电压差，电荷在电场的作用下移动，由于电容上电极13和电容下电极7之间的电容感湿介质层12是不导电的，阻碍了电荷的移动而使得电荷积累在电容上电极13和电容下电极7上，造成电荷的储存并形成电容。电容感湿介质层12吸附或释放水分子，当空间中水分子浓度变化时，电容感湿介质层12吸附的水分子数量也随之相应变化，引起电容感湿介质层12介电常数的变化，导致对电荷运动的阻碍能力也随之发生变化，因此电容电极上的电荷存储量会随着电容感湿介质层12水分子的吸附量的变化发生变化，导致最终的电容值发生变化。电容上电极焊盘11和电容下电极焊盘10焊接引线至数据采集装置，通过测量电容电极之间容值的变化来进行湿度探测。加热电路工作时，在加热电阻焊盘5上施加电压，电流通过蛇形的加热电阻3时，加热电阻3自身产生热量，热量传递到芯片其他区域，将湿度敏感电容以及整个芯片加热。此外，覆盖在加热电阻3上的电容感湿介质层12还起到防止加热电阻3在沾水情况下短路的作用。电容下电极金属基底层6、电容下电极焊盘金属基底层8、电容上电极焊盘金属基底层9、加热电阻金属基底层2、加热电阻焊盘金属基底层4均为过渡金属层，只起到提高电容下电极7、电容下电极焊盘10、电容上电极焊盘11、加热电阻3、加热电阻焊盘5附着力的作用，不会影响电位差下电荷的移动。
[0021]加热式湿度传感器使用时，在同一数据采集板上安装两只独立的加热式湿度传感器，一只加热式湿度传感器加热除湿以及降温的过程中，另一只加热式湿度传感器进行湿度测量；一个工作周期后，两只加热式湿度传感器互换工作方式，一只进行湿度测量，另一只进行加热除湿和降温。加热式湿度传感器进行加热除湿和降温的过程中不进行湿度测量，进行湿度测量的过程中不进行加热除湿。
[0022]实施例一
[0023]加热式湿度传感器的衬底I选用石英，衬底I的其中一面为抛光面且表面绝缘，衬底I的厚度为0.3mm。
[0024]加热电阻金属基底层2和加热电阻焊盘金属基底层4均采用NiCr，NiCr金属层厚度为30nm。
[0025]加热电阻3和加热电阻焊盘5均采用Pt，Pt金属层厚度为lOOnm，电阻值为50 Ω。
[0026]电容下电极金属基底层6、电容下电极焊盘金属基底层8和电容上电极焊盘金属基底层9均采用NiCn厚度为lOOnm。
[0027]电容下电极7、电容下电极焊盘10和电容上电极焊盘11均采用Au，厚度为200nm。
[0028]电容感湿介质层12的厚度为600nm。
[0029]电容上电极13采用Au，厚度为10nm，电容上电极13采用网格型开孔结构，开孔为IOum的正方形孔洞，均匀分布；未开孔部位呈岛链状透气结构。
[0030]实施例二
[0031]加热式湿度传感器的衬底I选用玻璃，衬底I双面为抛光面的且表面绝缘，衬底I的厚度为0.5mm。
[0032]加热电阻金属基底层2和加热电阻焊盘金属基底层4均采用Cr，Cr金属层厚度为 50nmo
[0033]加热电阻3和加热电阻焊盘5均采用NiCr，NiCr金属层厚度为200nm，电阻值为70 Ω。
[0034]电容下电极金属基底层6、电容下电极焊盘金属基底层8和电容上电极焊盘金属基底层9均采用NiCn厚度为180nm。
[0035]电容下电极7、电容下电极焊盘10和电容上电极焊盘11均采用Al，厚度为150nm。
[0036]电容介质薄膜层12厚度为400nm。
[0037]电容上电极13采用Al，厚度为20nm，电容上电极13采用网格型开孔结构，开孔为20 μ m的正方形孔洞，均匀分布，未开孔部位呈岛链状透气结构。
【权利要求】
1.一种加热式湿度传感器，包括:衬底(I )，其特征在于还包括:湿度敏感电容和加热电路，其中湿度敏感电容包括:电容下电极金属基底层(6)、电容下电极(7)、电容感湿介质层(12)、电容上电极(13)、电容下电极焊盘(10)、电容下电极焊盘金属基底层(8)、电容上电极焊盘(11)和电容上电极焊盘金属基底层(9 )，加热电路包括:加热电阻(3 )、加热电阻金属基底层(2)、加热电阻焊盘(5)和加热电阻焊盘金属基底层(4);衬底(I)为方形薄片，作为支撑结构置于最低层；电容下电极金属基底层(6)、电容下电极焊盘金属基底层(8)、电容上电极焊盘金属基底层(9 )位于衬底(I)上，电容下电极(7 )、电容下电极焊盘(10 )和电容上电极焊盘(11)分别位于相同形状尺寸的电容下电极金属基底层(6)、电容下电极焊盘金属基底层(8)、电容上电极焊盘金属基底层(9)上；电容下电极金属基底层(6)和电容下电极焊盘金属基底层(8)连接，电容下电极金属基底层(6)和电容上电极焊盘金属基底层(9)之间有间隙，电容下电极焊盘金属基底层(8)和电容上电极焊盘金属基底层(9)置于电容下电极金属基底层(6)的两侧；电容感湿介质层(12)覆盖在电容下电极(7)上，未覆盖电容下电极焊盘(10 )和上电极焊盘；电容上电极(13 )位于覆盖有电容感湿介质层(12 )的电容下电极(7 )上方，电容上电极(13 )尾部弓丨线与电容上电极焊盘(11)接触；加热电路环绕于湿度敏感电容的周围，加热电阻金属基底层(2)和加热电阻焊盘金属基底层(4)位于衬底(I)上，加热电阻(3)和加热电阻焊盘(5)分别位于相同形状尺寸的加热电阻金属基底层(2)和加热电阻焊盘金属基底层(4)上；加热电阻金属基底层(2)和加热电阻焊盘金属基底层(4)连接，两个加热电阻焊盘金属基底层(4)置于加热电阻金属基底层(2)的两侧；电容感湿介质层(12)覆盖在加热电阻(3)上未覆盖加热电阻焊盘(5)，电容感湿介质层(12)起到表面钝化的作用。
2.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:加热式湿度传感器的衬底(I)选用石英、玻璃、陶瓷或表面氧化后的硅片中的一种，衬底(I)的至少一面为抛光面且表面绝缘，衬底(I)的厚度为0.2mm~0.5mm。
3.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:加热电阻金属基底层(2)和加热电阻焊盘金属基底层(4)为相同材质，采用NiCr、Cr、TiWu或者Ta中的任何一种，厚度为 30nm ~250nm。
4.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:加热电阻(3)和加热电阻焊盘(5)为相同材质，采用NiCr或者Pt中的任何一种，厚度为IOOnm~400nm，电阻值为30 Ω ~150Ω。
5.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:电容下电极金属基底层(6)、电容下电极焊盘金属基底层(8)和电容上电极焊盘金属基底层(9)为相同材质，采用NiCr, Cr、Tiffu或者Ta中的任何一种，厚度为30nm~250nm。
6.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:电容下电极(7)、电容下电极焊盘(10)和电容上电极焊盘(11)为相同材质，采用Au、Cu、Al或者Pt中的任何一种材料，厚度为IOOnm~400nm。
7.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:电容感湿介质层(12)的厚度为 300nm ~lOOOnm。
8.根据权利要求1所述的加热式湿度传感器，其特征在于:电容上电极(13)采用Au、Cu、Al或者Pt中的任何一种，厚 度为5nm~lOOnm，电容上电极(13)采用网格型开孔结构，开孔均为5 μm~50 μ m的正方形孔洞，均匀分布；未开孔部位呈岛链状透气结构。
【文档编号】G01W1/11GK203606311SQ201320758802
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】边旭明, 张伟, 彭文武, 黄晓杰, 邓娟 申请人:北京长峰微电科技有限公司