用于调整集成相对湿度传感器的特性的方法和系统

摘要

本发明提出一种用于调整相对湿度传感器的特性以便实现精确度的期望值的方法和系统。相对湿度传感器、电荷平衡电路包括一系列感测电容器Cx1、Cx2，其包括薄多孔铂顶板、湿敏聚酰亚胺电介质和在半导体基底上的两个金属底板；以及两个固定氧化物电容Cref和C0。湿度的变化影响湿敏电介质，从而引起所述电容电路中的感测电容值的变化。可以通过使用电压调节器对电源电压进行调整和/或调节来单独地控制感测电容器和固定电容器C0中的电荷；从而可以将相对湿度传感器的斜率和偏移修改并控制为特定的期望值。

说明书

技术领域

实施例涉及基于半导体晶片的器件。实施例还涉及相对湿度传感器。实施例另外涉及用于调整相对湿度传感器的特性的方法和系统。

背景技术

湿度在各种工业和商业应用中起到非常重要的作用。监视并控制湿度对于各种系统的可靠操作而言具有非常大的重要性。例如，固态半导体器件出现于目前的大多数电子组件中。利用半导体工艺来制造基于半导体的传感器。湿度传感器仅仅表示在工业应用中有用的一类基于半导体的传感器。现代制造过程例如一般要求测量对应于-40℃与180℃之间的露点或在1％与100％之间相对湿度的水分含量。还需要一种可以在这些过程中有效地用来测量气态气氛中非常小的水分含量的耐用、紧凑、高效的水分检测器。

可以用许多技术来测量湿度。在基于半导体的系统中，例如，可以基于聚合物材料的可逆吸水特性来测量湿度。将水吸收到传感器结构中引起活性聚合物中的许多物理变化。这些物理变化可以被转换成电信号，该电信号涉及聚合物中的水浓度且其又涉及聚合物周围的空气中的相对湿度。两种最常见的物理变化是电阻的变化和介电常数的变化，其可以分别被转换成电阻变化和电容变化。然而，已经发现，被用作电阻组件的元件遭受这样的缺点，即存在由于因进行电阻测量所需的元件中的电流而引起的散热所导致的内在耗散效应。除其它问题之外，该结果还包括错误读取。

被构造成近似纯电容的元件避免了电阻性元件的缺点。然而，在电容性元件的构造中避免用于此类元件的某些构造可能出现的问题是重要的。另外，还可能存在在高相对湿度值下招致的不精确性，在高相对湿度值下，高水含量导致由于元件的组件中的过大应力和产生的机械位移而引起的问题。通过使元件的组件部分变薄，已经发现可以避免上述问题且电容型元件可以提供极大湿度范围内以及极大温度和压力及其它环境变量范围内的相对湿度含量的快速、精确的测量。

通常，传统的电容型湿度传感器可以包括半导体衬底和一对电极，该对电极在半导体衬底的表面上形成并跨越特定的距离彼此相对。还可以在电极之间设置并在半导体衬底的表面上形成湿敏膜。该膜的电容响应于湿度而变化。传感器通过检测电极对之间的电容响应于环境湿度的变化的变化来检测湿度。电容感测型的湿度感测元件通常包括水分不敏感、不导电结构，其具有安装或沉积在该结构上的适当电极元件，以及覆盖电极并被设置为能够从周围的大气吸水并在短的时间段内达到平衡的高度湿敏的电介质材料的层或涂层。可以将用于集成相对湿度传感器的响应偏移和斜率设置为特定值以便实现用于传感器的精确度的期望值。

图1举例说明用于将相对湿度的测量变换成线性电压的湿度传感器的“现有技术”电荷平衡电路100。可以通过电荷的控制来轻易地处理湿度传感器的高阻抗电容性质。图1包括被设计为对湿度不敏感且可以同时并由相同的材料制造的固定电容器C0、C 1、C2、C3和Cref。可以将湿敏电容器Cx设计为对湿度敏感且相对于上述电容器在不同的时间并由不同的材料制造。开关矩阵120利用如时钟发生器110可以提供的二相、不重叠、双极性时钟来改变用于电容器：Cx、C0和Cref的布线方案。反相器A1、A2和A3、以及电容C 1、和一对相关传输门130和140形成高增益比较器。电容器C2及其一对相关传输门150和160是等价于电阻器的开关电容器，其可以与积分器的放大器A4和反馈电容器C3耦合。可以通过激光调节(laser trimming)或通过蚀刻感测电容器Cx以产生空隙来改变感测电容器Cx和固定电容器C0的电容值以便保持它们的值基本上相等。

图2A和2B分别举例说明“相1”和“相2”操作期间的“现有技术”电荷平衡电路200和250。在相1中，C0被上拉至Vcc且Cx被下拉至GDN，在相2期间反之。因此，可以产生周期性差动电压，其为电容值的差的函数。以下等式以数学方式描述电路200和250的操作。可以分别利用等式(1)和(2)来计算相1和2期间的相加节点处的电荷。负反馈导致Qs1和Vs1基本上等于Qs2和Vs2。等式(3)以数学方式描述得到的用于完整电路操作的传递函数。

Qs1＝Cx^＊Vs1+C0^＊(Vs1-Vcc)+Cref^＊(Vs1-Vout)(1)

Qs2＝Cx^＊(Vs2-Vcc)+C0^＊Vs2+Cref^＊Vs2(2)

Vout＝Vcc^＊(Cx^＊(1+α^＊RH)/Cref)-Vcc^＊(C0/Cref)(3)

在大多数现有技术湿度传感器中，可以对湿敏电容器Cx进行激光调节以进行偏移调整且可以改变基准电容器C0的光掩膜层以进行斜率调整。由于湿敏电容器的调节点(trimming site)被暴露于各种应用条件，用于偏移调整的湿敏电容器Cx的激光调节可能引入可靠性问题。并且，通过光掩膜层的变化进行的斜率调整是昂贵且耗时的。

基于前述内容，请相信，如本文进一步详细地公开的那样，需要一种用于调整相对湿度传感器的特性以便提供湿度的更准确测量的改进的方法和系统。

发明内容

提供以下概要是为了促进对只有所公开的实施例才有的某些创新特征的理解且其并不意图是详尽的描述。可以通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要视为一个整体来获得实施例的各种方面的全面认识。

因此，本发明的一方面是提供改进的传感器方法和系统。

本发明的另一方面是提供用于相对湿度传感器的电容平衡的改进的方法和系统。

本发明的另一方面是提供用于调整相对湿度传感器的特性的改进的方法和系统。

现在可以如这里所述地实现上述方面及其它目的和优点。公开了用于调整相对湿度传感器的特性以便实现精确度的期望值的方法和系统。该传感器包括一对电极，该对电极具有插入器之间的间隙以在硅衬底上形成感测电容器，所述硅衬底具有在其表面上形成的氧化硅膜。可以通过利用电压调节器对电源电压进行调整和/或调节(trim)来单独地控制感测电容器和固定电容器中的电荷以实现电荷平衡电路中的电容平衡。还可以通过分别调整用于感测电容器和固定电容器的电压来将相对湿度传感器的斜率和偏移修改并控制为特定的期望值。

可以将所述电极对连接到信号处理电路以用于检测该对电极之间的静电电容的变化。

可以在半导体衬底上形成所述相对湿度传感器，因此，可以在半导体衬底的主表面上形成用于检测电容型湿度传感器的变化的信号处理电路。

在所述电极对之间形成的电容依照环境湿度而变化。

可以在保持感测电容器和固定电容器的值基本上相等的同时调整其电容值。本文所公开的调整感测电容器Cx和固定电容器C0的电荷水平的能力因此可以提供传感器输出精确度的更好控制并从而提高传感器的可靠性。

附图说明

附图用于进一步举例说明实施例并连同详细说明一起用于解释本文公开的实施例，在所述附图中，相同的参考标号指示在各个视图中相同或功能上类似的元件且其结合到本说明书中并构成其一部分。

图1举例说明用于将相对湿度转换成线性电压的“现有技术”电荷平衡电路；

图2A举例说明相1操作期间的“现有技术”电荷平衡电路；

图2B举例说明相2操作期间的“现有技术”电荷平衡电路；

图3举例说明依照优选实施例的相对湿度传感器的剖面侧视图；

图4举例说明依照优选实施例的用于将相对湿度转换成线性电压的改进电荷平衡电路；

图5A举例说明依照优选实施例的相1操作期间的改进电荷平衡电路；

图5B举例说明依照优选实施例的相2操作期间的改进电荷平衡电路；以及

图6举例说明依照优选实施例的举例说明用于调整相对湿度传感器的特性的方法的逻辑操作步骤的高级操作逻辑流程图。

具体实施方式

在这些非限制性示例中讨论的特定值和配置可以改变且仅仅是为了举例说明至少一个实施例而引用的，并且并不意图限制其范围。

参照图3，依照优选实施例，举例说明相对湿度传感器300的剖面侧视图。图3所描绘的湿度传感器300可以用于例如空调器中的湿度控制或出于天气观测目的而检测湿度。然而，应理解的是根据设计目标和考虑因素，还可以实现湿度传感器300的多种其它应用。如图3所描绘的，可以采用N型硅衬底310，在其上面，可以在半导体衬底310上形成氧化硅膜320作为第一绝缘膜。第一和第二电极330和335在氧化硅膜320的相同平面上被配置为彼此相对，间隙365插在它们之间。

可以采用能够在正常半导体生产线中利用的材料来形成第一和第二电极330和335。此类材料可以是例如Al、Ti、Au、Cu、聚Si等。在一个特定实施例中，可以在电极330和335上形成氮化硅膜336作为第二绝缘膜。然而，可以认识到在其它实施例中，可以利用除氮化硅之外的材料来实现膜336。可以利用氮化硅膜336作为保护膜以覆盖电极对330和335。可以通过等离子体CVD方法等来形成氮化硅膜336，从而使其在半导体衬底310上的整个区域上具有相同的厚度。

如图3所示，电极对330和335可以装配有第一电接触370和第二电接触375，通过第一电接触370和第二电接触375电极330和335被分别连接到用于检测电极对330与335之间的静电电容的变化的信号处理电路(图3中未示出)。要求电接触370和375暴露，以便将其连接到信号处理电路，因此其不被氮化硅膜336覆盖。此外，根据此类实施例，可以在半导体衬底310上形成电容型湿度传感器300，因此，可以在半导体衬底310的主表面上形成用于检测电容型湿度传感器300的变化的信号处理电路。

可以在氮化硅膜320上形成具有根据湿度而变的电容率(permittivity)的感测介质360，从而覆盖电极330和335。可以形成具有透湿性(moisture permeability)的多孔铂顶板350，从而覆盖湿度感测介质360，水分(例如，水)被允许通过所述多孔铂顶板350渗入。顶板350具有比感测介质360高的介电常数。当水渗透到湿度感测介质360中时，因为水的介电常数是大的，湿度感测介质360的介电常数依照水的量(由此，依照渗透)而变。

结果，由电极对330和335构成的(湿度感测介质360作为电介质材料的一部分)电容器的静电电容(由Cx1和Cx2所指示)。可以基于电极对330和335之间的静电电容来检测湿度，因为包含在湿度感测介质360中的水的量对应于电容型湿度传感器300周围的环境湿度。

如上所述，可以通过在感测介质360上形成具有比感测介质360高的介电常数的顶板350，来增加依照湿度感测介质360的湿度变化的电极对330和335之间的静电电容的变化。此外，由于受水分影响的顶板350的介电常数较高，所以增加依照湿度变化的电极对330和335之间的静电电容的变化。

可以利用一般用来配置现有相对湿度传感器的标准硅晶片处理技术来制造相对湿度感测电容器Cx1和Cx2。半导体衬底310上的可以设置湿敏膜360的区域构成湿度感测部分360。即，可以基于在检测电极330和335与到感测电容器Cx1的电容路径之间形成的电容经由湿度感测部分360来检测环境湿度，所述电容根据传感器300周围的湿度变化而变化。

参照图4，举例说明的是依照优选实施例的用于将相对湿度转换成线性电压的改进的电荷平衡电路400。可以利用电荷平衡电路400来将相对湿度转换成线性电压。可以通过电荷的控制来更容易地处理相对湿度传感器300的高阻抗电容性质。图4示出在电路图400方面包括相对湿度至电压传递函数的主要组件。可以将电容器C0、C1、C2、C3和Cref设计为对湿度不敏感且可以同时地并由相同的材料制造。因此，虽然其电容绝对值将改变，但可以非常密切地跟踪比值。可以将相对湿度感测电容器Cx设计为对湿度敏感且可以相对固定电容器C0、C1、C2、C3和Cref在不同的时间并由不同的材料制造。

可以利用电荷开关矩阵420来利用如时钟发生器410可以提供的二相、不重叠、双极性时钟来改变用于电容器：Cx、C0和Cref的布线方案。请注意，可以始终将全部三个电容器Cx、C0和Cref的一端连接在一起，由此提供电荷相加节点Qs。反相器A1、A2和A3、和电容C 1、以及一对相关传输门430和440形成高增益比较器。C2及其一对相关传输门450和460举例说明等价于电阻器的开关电容器，其可以与放大器A4和反馈电容器C3耦合以便形成积分器。电路400可以包括用于将电源电压Vcc修改为用于感测电容器Cx的VCx和用于固定电容器C0的VC0的可调电压调节器470。

图5A和5B分别举例说明“相1”和“相2”期间的改进的电荷平衡电路400的电路连接500和550。暂时忽略Cref并集中于C0和Cx，请注意，它们有效地形成分压器。可以通过利用电压调节器470对电源电压Vcc进行调整和/或调节来单独地控制感测电容器Cx和固定电容器C0中的电荷以便实现电容平衡。还可以通过分别调整用于感测电容器Cx和固定电容器C0的电压来将相对湿度传感器300的斜率和偏移修改并控制为特定的期望值。

因此，在相1中，可以通过利用电压调节器470对电源电压Vcc进行调整或调节来将C0上拉至VC0，并将Cx下拉至GND。同样地，在相2中，可以将Cx上拉至VCx且可以将C0下拉至GND。因此，可以产生周期性差动电压，其为电容值的差的函数。本领域的技术人员应将此视为半桥传感器配置。在相1期间，反相器A1和A2使输入节点短路至输出节点，其在用互补FET来实现时形成分压器。

图5A指示在此配置中可以将三个FET A1、A2和A3设计为产生半供传递函数(half supply transfer function)，由此在相1期间将电荷相加节点和A3的输出端两者驱动至Vcc/2。在相2期间，可以将这些传输门短路打开，以便产生高增益反相比较器，其允许电荷相加节点电压相对于Vcc/2的小的移动以将A3的输出驱动至Vcc或GND。因此，比较器的输出A3控制积分器。在相1期间，A3的输出和A4的非反相输入均在Vcc/2，这将积分器置于“保持”(Hold)状态。因此，可以将相1视为测量或采样相，在此期间可以对Cref充电。

在相2期间，可以将Cref从积分器输出断开连接并重新连接到GND，且比较器响应电荷相加节点。如果比较器输出转到GND，则积分器的输出线性地增大。如果比较器输出转到Vcc，则积分器的输出线性地减小。如果电荷相加节点在相2期间有效地保持在Vcc/2，则积分器保持在“保持”状态。因此可以将相2视为负反馈调整相。以下等式以数学方式描述电路500和550的操作。等式(1)和(2)分别计算相1和2期间的相加节点处的电荷。负反馈导致Qs1和Vs1基本上等于Qs2和Vs2。等式(3)以数学方式描述得到的用于完整电路操作的传递函数。

Qs1＝Cx^＊Vs1+C0^＊(Vs1-VC0)+Cref^＊(Vs1-Vout)(1)

Qs2＝Cx^＊(Vs2-VCx)+C0^＊Vs2+Cref^＊Vs2(2)

Vout＝VCx^＊(Cx/Cref)-VC0^＊(C0/Cref)(3)

如相对于图3所述和所示，可以在Cx1与Cx2之间基本上同等地划分对Cx进行的调整以使由于失配误差而引起的灵敏度下降最小化。可以将电源电压Vcc调节或调整至用于RH(相对湿度)敏感电容器Cx的VCx和/或用于固定电容器C0的VC0，以便控制电容器Cx和Co中的电荷。因此，可以将偏移(即0RH的输出值)和相对湿度传感器电路400的整个RH跨度内的灵敏度修改并控制为特定的期望值。调整Cx和C0两者中的电荷水平的能力提供传感器输出精确度的更好控制。并且，通过将调节点从暴露的Cx替换为电路中的网络，可以相当可观地提高传感器的可靠性。

参照图6，依照优选实施例，举例说明了举例说明用于调整相对湿度传感器300的特性的方法600的逻辑操作步骤的高级操作逻辑流程图。如方框610处所示，可以提供诸如图3所描绘的传感器300的相对湿度传感器。其后，如方框620处所指示的，可以通过对由感测电容器Cx提供的信号进行采样来执行感测电容器Cx的电容测量。

如方框630处所示，可以在电荷平衡电路中连接感测电容器Cx和固定电容器C0以便确定电容值。接下来，如方框640处所述，可以分别通过将电源电压Vcc调节至VCx和VC0来调整感测电容器Cx和固定电容器C0的电容值。如方框650处所描绘的，可以监视电荷平衡电路以检测感测电容器Cx和固定电容器C0的变化。在等式(7)和(8)中描述了得到的用于完整电路操作的传递函数。

Vout＝VCx^＊[Cx^*(1+α^＊RH)/Cref]-VC0^＊(C0/Cref)(7)

Vout＝(VCx/Cref)^＊[Cx^＊(1+α^＊RH)]-VC0^＊(C0/Cref)，(8)

其中，‘α’表示聚酰亚胺系数的性质且RH表示相对湿度。本器件用来感测传感器周围的周围环境中的相对湿度。在操作期间，感测相对湿度水平，然后传感器300生成与相对湿度成比例的电压输出。然后，此电压可以被其它电路用来实现诸如相对湿度控制、用于构建HVAC的焓控制、天气感测仪表、用于干燥的过程控制、用于其中相对湿度是控制过程的输出或与要控制的某过程变量有关的参数的批量或连续生产的过程控制、干燥应用中的循环长度或结束、及其它应用等功能。

应认识到可以理想地将各种上述及其它特征和功能的变化或其替换组合成许多其它不同的系统或应用。并且，应认识到随后本领域的技术人员可以进行各种目前未预见或未预期的替换、修改、变更或改善，其还意图被以下权利要求涵盖。