專利名稱：用于調整集成相對濕度傳感器的特性的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
實施例涉及基于半導體晶片的器件。實施例還涉及相對濕度傳感器。實施例另外 涉及用于調整相對濕度傳感器的特性的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
濕度在各種工業(yè)和商業(yè)應用中起到非常重要的作用。監(jiān)視并控制濕度對于各種系 統(tǒng)的可靠操作而言具有非常大的重要性。例如，固態(tài)半導體器件出現(xiàn)于目前的大多數(shù)電子 組件中。利用半導體工藝來制造基于半導體的傳感器。濕度傳感器僅僅表示在工業(yè)應用中 有用的一類基于半導體的傳感器?，F(xiàn)代制造過程例如一般要求測量對應于_40°C與180°C 之間的露點或在與100%之間相對濕度的水分含量。還需要一種可以在這些過程中有 效地用來測量氣態(tài)氣氛中非常小的水分含量的耐用、緊湊、高效的水分檢測器?？梢杂迷S多技術來測量濕度。在基于半導體的系統(tǒng)中，例如，可以基于聚合物材料 的可逆吸水特性來測量濕度。將水吸收到傳感器結構中引起活性聚合物中的許多物理變 化。這些物理變化可以被轉換成電信號，該電信號涉及聚合物中的水濃度且其又涉及聚合 物周圍的空氣中的相對濕度。兩種最常見的物理變化是電阻的變化和介電常數(shù)的變化，其 可以分別被轉換成電阻變化和電容變化。然而，已經發(fā)現(xiàn)，被用作電阻組件的元件遭受這樣 的缺點，即存在由于因進行電阻測量所需的元件中的電流而引起的散熱所導致的內在耗散 效應。除其它問題之外，該結果還包括錯誤讀取。被構造成近似純電容的元件避免了電阻性元件的缺點。然而，在電容性元件的構 造中避免用于此類元件的某些構造可能出現(xiàn)的問題是重要的。另外，還可能存在在高相對 濕度值下招致的不精確性，在高相對濕度值下，高水含量導致由于元件的組件中的過大應 力和產生的機械位移而引起的問題。通過使元件的組件部分變薄，已經發(fā)現(xiàn)可以避免上述 問題且電容型元件可以提供極大濕度范圍內以及極大溫度和壓力及其它環(huán)境變量范圍內 的相對濕度含量的快速、精確的測量。通常，傳統(tǒng)的電容型濕度傳感器可以包括半導體襯底和一對電極，該對電極在半 導體襯底的表面上形成并跨越特定的距離彼此相對。還可以在電極之間設置并在半導體襯 底的表面上形成濕敏膜。該膜的電容響應于濕度而變化。傳感器通過檢測電極對之間的電 容響應于環(huán)境濕度的變化的變化來檢測濕度。電容感測型的濕度感測元件通常包括水分不 敏感、不導電結構，其具有安裝或沉積在該結構上的適當電極元件，以及覆蓋電極并被設置 為能夠從周圍的大氣吸水并在短的時間段內達到平衡的高度濕敏的電介質材料的層或涂 層。可以將用于集成相對濕度傳感器的響應偏移和斜率設置為特定值以便實現(xiàn)用于傳感器 的精確度的期望值。圖1舉例說明用于將相對濕度的測量變換成線性電壓的濕度傳感器的“現(xiàn)有技 術”電荷平衡電路100?？梢酝ㄟ^電荷的控制來輕易地處理濕度傳感器的高阻抗電容性質。 圖1包括被設計為對濕度不敏感且可以同時并由相同的材料制造的固定電容器Co、C 1、 C2、C3和Cref?？梢詫衩綦娙萜鰿x設計為對濕度敏感且相對于上述電容器在不同的時
3間并由不同的材料制造。開關矩陣120利用如時鐘發(fā)生器110可以提供的二相、不重疊、雙 極性時鐘來改變用于電容器Cx、CO和Cref的布線方案。反相器Al、A2和A3、以及電容C 1、和一對相關傳輸門130和140形成高增益比較器。電容器C2及其一對相關傳輸門150 和160是等價于電阻器的開關電容器，其可以與積分器的放大器A4和反饋電容器C3耦合。 可以通過激光調節(jié)(laser trimming)或通過蝕刻感測電容器Cx以產生空隙來改變感測電 容器Cx和固定電容器CO的電容值以便保持它們的值基本上相等。圖2A和2B分別舉例說明“相1”和“相2”操作期間的“現(xiàn)有技術”電荷平衡電路 200和250。在相1中，CO被上拉至Vcc且Cx被下拉至⑶N，在相2期間反之。因此，可以 產生周期性差動電壓，其為電容值的差的函數(shù)。以下等式以數(shù)學方式描述電路200和250 的操作?？梢苑謩e利用等式(1)和(2)來計算相1和2期間的相加節(jié)點處的電荷。負反饋 導致Qsl和Vsl基本上等于Qs2和Vs2。等式(3)以數(shù)學方式描述得到的用于完整電路操 作的傳遞函數(shù)。Qsl = Cx* Vsl+C0 * (Vsl-Vcc) +Cref * (Vsl-Vout) (1)Qs2 = Cx* (Vs2-Vcc) +CO * Vs2+Cref * Vs2 (2)Vout = Vcc * (Cx * (1+a * RH)/Cref)-Vcc * (CO/Cref) (3)在大多數(shù)現(xiàn)有技術濕度傳感器中，可以對濕敏電容器Cx進行激光調節(jié)以進行偏 移調整且可以改變基準電容器CO的光掩膜層以進行斜率調整。由于濕敏電容器的調節(jié)點 (trimming site)被暴露于各種應用條件，用于偏移調整的濕敏電容器Cx的激光調節(jié)可能 引入可靠性問題。并且，通過光掩膜層的變化進行的斜率調整是昂貴且耗時的?；谇笆鰞热?，請相信，如本文進一步詳細地公開的那樣，需要一種用于調整相對 濕度傳感器的特性以便提供濕度的更準確測量的改進的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內容
提供以下概要是為了促進對只有所公開的實施例才有的某些創(chuàng)新特征的理解且 其并不意圖是詳盡的描述?？梢酝ㄟ^將整個說明書、權利要求、附圖和摘要視為一個整體來 獲得實施例的各種方面的全面認識。因此，本發(fā)明的一方面是提供改進的傳感器方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的另一方面是提供用于相對濕度傳感器的電容平衡的改進的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的另一方面是提供用于調整相對濕度傳感器的特性的改進的方法和系統(tǒng)?，F(xiàn)在可以如這里所述地實現(xiàn)上述方面及其它目的和優(yōu)點。公開了用于調整相對濕 度傳感器的特性以便實現(xiàn)精確度的期望值的方法和系統(tǒng)。該傳感器包括一對電極，該對電 極具有插入器之間的間隙以在硅襯底上形成感測電容器，所述硅襯底具有在其表面上形成 的氧化硅膜。可以通過利用電壓調節(jié)器對電源電壓進行調整和/或調節(jié)(trim)來單獨地 控制感測電容器和固定電容器中的電荷以實現(xiàn)電荷平衡電路中的電容平衡。還可以通過分 別調整用于感測電容器和固定電容器的電壓來將相對濕度傳感器的斜率和偏移修改并控 制為特定的期望值?？梢詫⑺鲭姌O對連接到信號處理電路以用于檢測該對電極之間的靜電電容的變化?？梢栽诎雽w襯底上形成所述相對濕度傳感器，因此，可以在半導體襯底的主表面上形成用于檢測電容型濕度傳感器的變化的信號處理電路。
在所述電極對之間形成的電容依照環(huán)境濕度而變化。 可以在保持感測電容器和固定電容器的值基本上相等的同時調整其電容值。本文 所公開的調整感測電容器Cx和固定電容器CO的電荷水平的能力因此可以提供傳感器輸出 精確度的更好控制并從而提高傳感器的可靠性。


附圖用于進一步舉例說明實施例并連同詳細說明一起用于解釋本文公開的實施 例，在所述附圖中，相同的參考標號指示在各個視圖中相同或功能上類似的元件且其結合 到本說明書中并構成其一部分。圖1舉例說明用于將相對濕度轉換成線性電壓的“現(xiàn)有技術”電荷平衡電路；圖2A舉例說明相1操作期間的“現(xiàn)有技術”電荷平衡電路；圖2B舉例說明相2操作期間的“現(xiàn)有技術”電荷平衡電路；圖3舉例說明依照優(yōu)選實施例的相對濕度傳感器的剖面?zhèn)纫晥D；圖4舉例說明依照優(yōu)選實施例的用于將相對濕度轉換成線性電壓的改進電荷平 衡電路；圖5A舉例說明依照優(yōu)選實施例的相1操作期間的改進電荷平衡電路；圖5B舉例說明依照優(yōu)選實施例的相2操作期間的改進電荷平衡電路；以及圖6舉例說明依照優(yōu)選實施例的舉例說明用于調整相對濕度傳感器的特性的方 法的邏輯操作步驟的高級操作邏輯流程圖。
具體實施例方式在這些非限制性示例中討論的特定值和配置可以改變且僅僅是為了舉例說明至 少一個實施例而引用的，并且并不意圖限制其范圍。參照圖3，依照優(yōu)選實施例，舉例說明相對濕度傳感器300的剖面?zhèn)纫晥D。圖3所 描繪的濕度傳感器300可以用于例如空調器中的濕度控制或出于天氣觀測目的而檢測濕 度。然而，應理解的是根據(jù)設計目標和考慮因素，還可以實現(xiàn)濕度傳感器300的多種其它應 用。如圖3所描繪的，可以采用N型硅襯底310，在其上面，可以在半導體襯底310上形成氧 化硅膜320作為第一絕緣膜。第一和第二電極330和335在氧化硅膜320的相同平面上被 配置為彼此相對，間隙365插在它們之間?？梢圆捎媚軌蛟谡０雽w生產線中利用的材料來形成第一和第二電極330和 335。此類材料可以是例如Al、Ti、Au、Cu、聚Si等。在一個特定實施例中，可以在電極330 和335上形成氮化硅膜336作為第二絕緣膜。然而，可以認識到在其它實施例中，可以利用 除氮化硅之外的材料來實現(xiàn)膜336?？梢岳玫枘?36作為保護膜以覆蓋電極對330 和335?？梢酝ㄟ^等離子體CVD方法等來形成氮化硅膜336，從而使其在半導體襯底310上 的整個區(qū)域上具有相同的厚度。如圖3所示，電極對330和335可以裝配有第一電接觸370和第二電接觸375，通 過第一電接觸370和第二電接觸375電極330和335被分別連接到用于檢測電極對330與 335之間的靜電電容的變化的信號處理電路(圖3中未示出)。要求電接觸370和375暴
5露，以便將其連接到信號處理電路，因此其不被氮化硅膜336覆蓋。此外，根據(jù)此類實施例， 可以在半導體襯底310上形成電容型濕度傳感器300，因此，可以在半導體襯底310的主表 面上形成用于檢測電容型濕度傳感器300的變化的信號處理電路?？梢栽诘枘?20上形成具有根據(jù)濕度而變的電容率(permittivity)的感測 介質360，從而覆蓋電極330和335?？梢孕纬删哂型笣裥?moisture permeability)的多 孔鉬頂板350，從而覆蓋濕度感測介質360，水分(例如，水)被允許通過所述多孔鉬頂板 350滲入。頂板350具有比感測介質360高的介電常數(shù)。當水滲透到濕度感測介質360中 時，因為水的介電常數(shù)是大的，濕度感測介質360的介電常數(shù)依照水的量(由此，依照滲透) 而變。結果，由電極對330和335構成的(濕度感測介質360作為電介質材料的一部分) 電容器的靜電電容(由Cxl和Cx2所指示)。可以基于電極對330和335之間的靜電電容 來檢測濕度，因為包含在濕度感測介質360中的水的量對應于電容型濕度傳感器300周圍 的環(huán)境濕度。如上所述，可以通過在感測介質360上形成具有比感測介質360高的介電常數(shù)的 頂板350，來增加依照濕度感測介質360的濕度變化的電極對330和335之間的靜電電容的 變化。此外，由于受水分影響的頂板350的介電常數(shù)較高，所以增加依照濕度變化的電極對 330和335之間的靜電電容的變化。可以利用一般用來配置現(xiàn)有相對濕度傳感器的標準硅晶片處理技術來制造相對 濕度感測電容器Cxl和Cx2。半導體襯底310上的可以設置濕敏膜360的區(qū)域構成濕度感 測部分360。S卩，可以基于在檢測電極330和335與到感測電容器Cxl的電容路徑之間形成 的電容經由濕度感測部分360來檢測環(huán)境濕度，所述電容根據(jù)傳感器300周圍的濕度變化 而變化。參照圖4，舉例說明的是依照優(yōu)選實施例的用于將相對濕度轉換成線性電壓的改 進的電荷平衡電路400。可以利用電荷平衡電路400來將相對濕度轉換成線性電壓?？梢?通過電荷的控制來更容易地處理相對濕度傳感器300的高阻抗電容性質。圖4示出在電路 圖400方面包括相對濕度至電壓傳遞函數(shù)的主要組件?？梢詫㈦娙萜鰿0、C1、C2、C3和Cref 設計為對濕度不敏感且可以同時地并由相同的材料制造。因此，雖然其電容絕對值將改變， 但可以非常密切地跟蹤比值。可以將相對濕度感測電容器Cx設計為對濕度敏感且可以相 對固定電容器C0、C1、C2、C3和Cref在不同的時間并由不同的材料制造?？梢岳秒姾砷_關矩陣420來利用如時鐘發(fā)生器410可以提供的二相、不重疊、雙 極性時鐘來改變用于電容器Cx、CO和Cref的布線方案。請注意，可以始終將全部三個電 容器Cx、CO和Cref的一端連接在一起，由此提供電荷相加節(jié)點Qs。反相器Al、A2和A3、 和電容C 1、以及一對相關傳輸門430和440形成高增益比較器。C2及其一對相關傳輸門 450和460舉例說明等價于電阻器的開關電容器，其可以與放大器A4和反饋電容器C3耦 合以便形成積分器。電路400可以包括用于將電源電壓Vcc修改為用于感測電容器Cx的 VCx和用于固定電容器CO的VCO的可調電壓調節(jié)器470。圖5A和5B分別舉例說明“相1”和“相2”期間的改進的電荷平衡電路400的電 路連接500和550。暫時忽略Cref并集中于CO和Cx，請注意，它們有效地形成分壓器?？?以通過利用電壓調節(jié)器470對電源電壓Vcc進行調整和/或調節(jié)來單獨地控制感測電容器
6Cx和固定電容器CO中的電荷以便實現(xiàn)電容平衡。還可以通過分別調整用于感測電容器Cx 和固定電容器CO的電壓來將相對濕度傳感器300的斜率和偏移修改并控制為特定的期望值。因此，在相1中，可以通過利用電壓調節(jié)器470對電源電壓Vcc進行調整或調節(jié)來 將⑶上拉至VC0，并將Cx下拉至GND。同樣地，在相2中，可以將Cx上拉至VCx且可以將 CO下拉至GND。因此，可以產生周期性差動電壓，其為電容值的差的函數(shù)。本領域的技術人 員應將此視為半橋傳感器配置。在相1期間，反相器Al和A2使輸入節(jié)點短路至輸出節(jié)點， 其在用互補FET來實現(xiàn)時形成分壓器。圖5A指示在此配置中可以將三個FET Al、A2和A3設計為產生半供傳遞函數(shù)(half supply transfer function)，由此在相1期間將電荷相加節(jié)點和A3的輸出端兩者驅動至 Vcc/2。在相2期間，可以將這些傳輸門短路打開，以便產生高增益反相比較器，其允許電荷 相加節(jié)點電壓相對于Vcc/2的小的移動以將A3的輸出驅動至Vcc或GND。因此，比較器的 輸出A3控制積分器。在相1期間，A3的輸出和A4的非反相輸入均在Vcc/2，這將積分器置 于“保持”(Hold)狀態(tài)。因此，可以將相1視為測量或采樣相，在此期間可以對Cref充電。在相2期間，可以將Cref從積分器輸出斷開連接并重新連接到GND，且比較器響應 電荷相加節(jié)點。如果比較器輸出轉到GND，則積分器的輸出線性地增大。如果比較器輸出轉 到Vcc，則積分器的輸出線性地減小。如果電荷相加節(jié)點在相2期間有效地保持在Vcc/2， 則積分器保持在“保持”狀態(tài)。因此可以將相2視為負反饋調整相。以下等式以數(shù)學方式描 述電路500和550的操作。等式(1)和(2)分別計算相1和2期間的相加節(jié)點處的電荷。 負反饋導致Qsl和Vsl基本上等于Qs2和Vs2。等式(3)以數(shù)學方式描述得到的用于完整 電路操作的傳遞函數(shù)。Qsl = Cx* Vsl+C0 * (Vsl-VCO) +Cref * (Vsl-Vout) (1)Qs2 = Cx* (Vs2-VCx) +CO * Vs2+Cref * Vs2 (2)Vout = VCx * (Cx/Cref) -VCO * (CO/Cref) (3)如相對于圖3所述和所示，可以在Cxl與Cx2之間基本上同等地劃分對Cx進行的 調整以使由于失配誤差而引起的靈敏度下降最小化?？梢詫㈦娫措妷篤cc調節(jié)或調整至用 于RH(相對濕度)敏感電容器Cx的VCx和/或用于固定電容器CO的VCO，以便控制電容器 Cx和Co中的電荷。因此，可以將偏移(即ORH的輸出值)和相對濕度傳感器電路400的整 個RH跨度內的靈敏度修改并控制為特定的期望值。調整Cx和CO兩者中的電荷水平的能 力提供傳感器輸出精確度的更好控制。并且，通過將調節(jié)點從暴露的Cx替換為電路中的網(wǎng) 絡，可以相當可觀地提高傳感器的可靠性。參照圖6，依照優(yōu)選實施例，舉例說明了舉例說明用于調整相對濕度傳感器300的 特性的方法600的邏輯操作步驟的高級操作邏輯流程圖。如方框610處所示，可以提供諸 如圖3所描繪的傳感器300的相對濕度傳感器。其后，如方框620處所指示的，可以通過對 由感測電容器Cx提供的信號進行采樣來執(zhí)行感測電容器Cx的電容測量。如方框630處所示，可以在電荷平衡電路中連接感測電容器Cx和固定電容器CO 以便確定電容值。接下來，如方框640處所述，可以分別通過將電源電壓Vcc調節(jié)至VCx和 VCO來調整感測電容器Cx和固定電容器CO的電容值。如方框650處所描繪的，可以監(jiān)視電 荷平衡電路以檢測感測電容器Cx和固定電容器CO的變化。在等式(7)和⑶中描述了得到的用于完整電路操作的傳遞函數(shù)。 Vout = VCx * [Cx* (1+ α * RH) /Cref] -VCO * (CO/Cref) (7)Vout = (VCx/Cref) * [Cx * (1+α * RH) ] -VCO * (CO/Cref)，(8)其中，‘ α ’表示聚酰亞胺系數(shù)的性質且RH表示相對濕度。本器件用來感測傳感 器周圍的周圍環(huán)境中的相對濕度。在操作期間，感測相對濕度水平，然后傳感器300生成與 相對濕度成比例的電壓輸出。然后，此電壓可以被其它電路用來實現(xiàn)諸如相對濕度控制、用 于構建HVAC的焓控制、天氣感測儀表、用于干燥的過程控制、用于其中相對濕度是控制過 程的輸出或與要控制的某過程變量有關的參數(shù)的批量或連續(xù)生產的過程控制、干燥應用中 的循環(huán)長度或結束、及其它應用等功能。應認識到可以理想地將各種上述及其它特征和功能的變化或其替換組合成許多 其它不同的系統(tǒng)或應用。并且，應認識到隨后本領域的技術人員可以進行各種目前未預見 或未預期的替換、修改、變更或改善，其還意圖被以下權利要求涵蓋。
權利要求
一種用于調整相對濕度傳感器的特性的方法，包括提供電極對，其間形成有間隙并在該間隙內包括濕敏膜，所述電極對、所述膜和所述間隙形成感測電容器，其中，濕度的變化影響所述濕敏膜，從而改變所述感測電容器的電容值；通過在電荷平衡電路中連接所述感測電容器和固定電容器來執(zhí)行相對濕度測量以便確定所述感測電容器的電容值；以及單獨地對所述感測電容器和所述固定電容器的電源電壓進行調節(jié)以控制所述感測電容器和所述固定電容器中的電荷以便將所述相對濕度傳感器的斜率和偏移修改并控制為其特定期望值。
2.權利要求1的方法，還包括監(jiān)視所述電荷平衡電路以便檢測所述感測電容器的變化 的步驟。
3.權利要求1的方法，其中，對所述電源電壓進行調節(jié)以便單獨地控制所述感測電容 器和所述固定電容器的電荷直至實現(xiàn)偏移和斜率的期望值為止。
4.權利要求1的方法，其中，所述電荷平衡電路將相對濕度變換成線性輸出電壓。
5.權利要求1的方法，其中，所述電源電壓包括電壓調節(jié)器以便修改所述電源電壓。
6.一種相對濕度傳感器，包括電極對，其間形成有間隙并在該間隙內包括濕敏膜，所述電極對、所述膜和所述間隙形 成感測電容器，其中，濕度的變化影響所述濕敏膜，從而改變所述感測電容器的電容值。
7.權利要求6的相對濕度傳感器，還包括在電荷平衡電路中連接所述感測電容器的固 定電容器，所述電荷平衡電路用來確定所述感測電容器的電容值。
8.權利要求6的相對濕度傳感器，還包括適合于單獨地控制所述感測電容器和所述固 定電容器中的電荷的電源電壓，其中，電源電壓的控制使得能夠對所述相對濕度傳感器的 斜率和偏移進行修改和控制。
9.一種相對濕度傳感器，包括電極對，其間形成有間隙并在該間隙內包括濕敏膜，所述電極對、所述膜和所述間隙形 成感測電容器，其中，濕度的變化影響所述濕敏膜，從而改變所述感測電容器的電容值；固定電容器，其在電荷平衡電路中連接所述感測電容器，所述電荷平衡電路用來確定 所述感測電容器的電容值；以及電源電壓，其適合于單獨地控制所述感測電容器和所述固定電容器中的電荷，其中，電 源電壓的控制使得能夠對所述相對濕度傳感器的斜率和偏移進行修改和控制。
10.權利要求9的相對濕度傳感器，還包括監(jiān)視器，其適合于監(jiān)視所述電荷平衡電路以 檢測所述感測電容器的變化，其中，所述電源電壓適合于被調節(jié)以便單獨地控制所述感測 電容器和所述固定電容器的電荷直至實現(xiàn)偏移和斜率的期望值為止。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于調整相對濕度傳感器的特性以便實現(xiàn)精確度的期望值的方法和系統(tǒng)。相對濕度傳感器、電荷平衡電路包括一系列感測電容器Cx1、Cx2，其包括薄多孔鉑頂板、濕敏聚酰亞胺電介質和在半導體基底上的兩個金屬底板；以及兩個固定氧化物電容Cref和C0。濕度的變化影響濕敏電介質，從而引起所述電容電路中的感測電容值的變化?？梢酝ㄟ^使用電壓調節(jié)器對電源電壓進行調整和/或調節(jié)來單獨地控制感測電容器和固定電容器C0中的電荷；從而可以將相對濕度傳感器的斜率和偏移修改并控制為特定的期望值。
文檔編號G01N25/56GK101978277SQ200980109450
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月23日 優(yōu)先權日2008年3月20日
發(fā)明者R·A·戴維斯, Y·阿利米 申請人:霍尼韋爾國際公司