湿度传感器 |
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| 申请号 | CN201620014676.0 | 申请日 | 2016-01-08 | 公开(公告)号 | CN205944090U | 公开(公告)日 | 2017-02-08 |
| 申请人 | 霍尼韦尔国际公司; | 发明人 | C.科比亚努; B.塞尔班; C.博斯坦; S.D.科斯蒂; O.比尤; A.斯特拉图拉特; M.布雷兹努; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及湿度 传感器 。一种 湿度传感器 具有感测组件和参考组件。每个组件可以通过使用具有上部栅极介电层的晶体管来指示湿度，所述上部栅极介电层具有根据对 水 分改变的暴露而变化的 介电常数 。感测组件可以具有其暴露于周围环境的上部栅极介电层。参考组件可以具有其没有对任何环境的暴露的上部栅极介电层。感测和参考晶体管输出可以利用差分 电子 器件来处理，从而提供输出来指示周围环境中的湿度。差分处理可以反映具有高共模抑制比的输出。沉积在薄栅极介电层上的上部栅极介电层的示例可以是疏水性 聚合物 材料。可以代替地使用其它材料。组件和处理电子器件可以是利用集成 电路 技术制造的晶体管电路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种湿度传感器，包括： |
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| 说明书全文 | 湿度传感器技术领域[0001] 本公开内容涉及传感器并且特别地涉及湿度传感器。 背景技术[0002] 湿度传感器可以用于工业应用中的过程控制，并且用于家庭和办公室中的环境空气质量监控。用于蜂窝电话和其它移动应用的相对湿度（RH）传感器可以在向便携式应用添加更多功能的现有趋势内变成新兴的技术。在这样的应用领域中对湿度传感器的广泛使用可以变得可能，这是由于传感器技术的小型化以及与硅集成电路的结合。实用新型内容 [0003] 本公开内容揭示了具有感测组件和参考组件的环境湿度传感器。每个组件可以通过使用MOSFET晶体管来指示湿度，所述MOSFET晶体管具有包含上层的经堆叠的栅极电介质，所述上层具有根据对水分改变的暴露而变化的介电常数。感测组件可以具有其被暴露于周围环境的电介质。参考组件可以具有相同的经堆叠的栅极介电层，但是没有对任何环境的暴露。来自组件的介电常数输出可以利用差分（differential）电子器件来处理，从而提供输出来指示周围环境中的湿度。差分处理可以反映具有高共模抑制比的输出。上部栅极介电层的示例可以是疏水性聚合物材料。可以代替地使用其它类似的材料。组件和处理电子器件可以是利用集成电路技术所制造的晶体管电路。附图说明 [0004] 图1是示例性湿度传感器的说明性横截面的图解；以及 [0005] 图2是与示例性湿度传感器相关联的电子器件的说明性示意图的图解。 具体实施方式[0007] 本描述可以提供实现本系统和方法的一个或多个说明性且特定的示例或方式。可以存在实现系统和方法的许多其它示例或方式。 [0008] 在本湿度传感器中可以使用在MOSFET晶体管的水平处扩展的电容感测原理。传感器和相关联的电子器件可以集成在相同的芯片上，具有MOSFET晶体管，所述MOSFET晶体管具有例如铂栅极电极和作为栅极介电堆叠的一层的聚酰亚胺电介质。在基于MOSFET晶体管的湿度传感器的中心可以是具有上部栅极介电层的经堆叠的栅极介电层，所述上部栅极介电层具有根据吸附的和吸收的水的量而变化的介电常数，被沉积在下部栅极介电层之上。 [0009] 由于使用了差分感测，本湿度传感器可以具有良好的漂移行为，其中场效应晶体管（FET）通过根据周围环境中的湿度改变来直接提供漏极电流改变，可以执行感测和信号调节。二者都具有相关联的经堆叠的介电栅极绝缘层的感测FET和参考FET可以并入相同的材料，也就是说，可以使用被沉积在下部栅极绝缘层上的上部疏水性聚合物介电层，其中在感测FET和参考FET之间的差异在于用于感测FET的栅极金属化，其可以是多孔的使得环境湿气可以容易地通过金属层中的孔隙渗透到达感测聚合物，而参考FET栅极金属化可以是非多孔的并且防止环境湿气到达聚合物电介质。FET栅极的金属层可以形成用于相应的参考和感测FET的输出接触部。外部湿度可以改变栅极电容并且因而改变感测FET的阈值电压，而用于参考FET的阈值电压可以保持不变。在存在环境湿度的情况下，对于被施加到参考和感测FET二者的相同的栅极电压和源极电压，仅仅是感测FET的漏极电流和输出电压应当改变。因此，在来自感测FET的输出电压和来自参考FET的输出电压之间的差异可以提供与环境湿度成比例的信号。该布置可以提供消除老化和温度效应的附加优点。 [0010] 为了准确读取电压差，可以使用电子信号放大器。本传感器可以并入用于湿度检测的差分电路。来自感测FET和参考FET的输出可以连接到仪表放大器（instrumentation amplifier），所述仪表放大器具有例如三个运算放大器，所述运算放大器可以提供大于50dB的高共模抑制比（CMRR）。 [0011] 图1是可以形成在p型硅衬底100上的示例性湿度传感器10的图解。传感器10可以具有感测场效应晶体管（FET）120和参考场效应晶体管130。FET 120和139是n沟道FET。然而，传感器10可以使用p沟道FET。 [0012] 感测和参考n沟道FET 120和130中的每一个可以具有n型源极142和146、n型漏极144和148，以及包括分别桥接n型源极142和146以及n型漏极144和148的热生长的SiO2薄层 156和158的下部栅极介电层。 [0013] 可以存在分别覆盖感测和参考FET 120和130的SiO2薄层156和158的下部栅极电介质的疏水性介电聚合物的上部栅极电介质的层152和154。感测和参考FET 120和130可以分别并入限定与FET相关联的腔体的相对厚的SiO2层140，以及铝源极接触电极122和132和铝漏极接触电极124和134，如图1中所指示的那样。另外，参考FET 130可以由形成该FET的栅极电极的致密金属层126覆盖和密封。感测FET 120可以被形成该FET的栅极电极的多孔金属层128覆盖。栅极电极126和128的金属可以由铂或金形成。 [0014] 在参考FET 130中，上部疏水性聚合物层154和下部薄SiO2层158的栅极介电堆叠可以被p型硅衬底100、相关联的厚SiO2层140以及形成参考FET 130的栅极电极的致密金属层126完全包封。 [0015] 感测FET 120的结构可以类似于参考FET 130，因为上部疏水性聚合物层152和下部薄SiO2层156的栅极介电堆叠可以实际上完全被p型硅衬底100、相关联的厚SiO2层140以及形成感测FET的栅极电极的多孔金属层128包封；然而，感测FET 120的多孔金属层128可以允许水蒸汽在疏水性聚合物层152和环境气氛之间交换。 [0016] 作为适合用于本设备的上部栅极介电层的疏水性介电聚合物可以与许多FET技术一起使用，作为例如在本基于FET的湿度传感器中的n-MOS、p-MOS或CMOS FET的组件。适合的疏水性介电聚合物可以选自许多聚酰亚胺和聚砜之中并且可以结合芳香族聚酰亚胺和聚砜和/或交联的聚酰亚胺和聚砜。当聚酰亚胺或聚砜是交联的聚酰亚胺或聚砜时，交联半部（moiety）有效地可以是包括以下各项的组中之一：2,2,3,3,4,4,5,5-八氟-1,6-己二醇；1,5-戊二醇；1,10-癸二醇（decanediol）；和1,4-苯二甲醇（benzenedimethanol）。交联可以通过与聚酰亚胺或聚砜的垂悬（pendant）羧酸基的酯化作用来实现。 [0017] 作为适合用于本设备的疏水性聚合物的非限制性示例，以下聚合物可以被制备并且用于构造本湿度传感器； [0018] [0019] 并且示例性的聚酰亚胺主链分段可以是 [0020] [0021] 其中R’选自： [0022] -O2CCH2(CF2)4CH2CO2-；-O2C(CH2)5CO2-；-O2C(CH2)10CO2-；和-O2CCH2(C6H4)CH2CO2-。 [0023] 以及聚砜诸如： [0024] [0025] 其中R选自： [0026] -O2CCH2(CF2)4CH2CO2-；-O2C(CH2)5CO2-；-O2C(CH2)10CO2-；和 -O2CCH2(C6H4)CH2CO2-。 [0027] 示例性的上部疏水性聚合物栅极介电层152和154可以通过旋转涂覆而施加到堆叠的栅极介电结构的下部热生长的二氧化硅层156和158并且随后以高达400摄氏度（degree C）的温度热处理。可以设想其它施加方法和条件。可以通过光刻胶（photoresist）/蚀刻过程来实施疏水性聚合物层152和154的图案化，尽管可以使用经掩蔽的沉积。将多孔性引入到所沉积的疏水性聚合物层中可以允许感测疏水性聚合物层对于环境湿度中的改变更具响应性。类似地，通过延迟完全平衡，过度厚的疏水性层可能倾向于减缓FET传感器对环境湿度中的改变的响应。 [0028] 图2是用于本湿度传感器FET元件的电路图。电路可以对感测FET 220和参考FET 230的信号进行差分放大，从而形成差分湿度传感器。参考标号260可以指示并入了被连接以产生大于50dB的高共模抑制比（CMRR）的三个运算放大器301、302和303的仪表放大器或电路。电路260可以被设计成与p沟道FET和/或n沟道FET对接。 [0029] 在图2中，E1和E2分别表示感测FET 220和参考FET 230的输出电压。可以选择电阻器R1-R7以满足R5/R4 = R7/R6 = k以及2*(R1/R2) = 2*(R3/R2) = G的条件，使得R1 = R3，从而导致输出电压Vout = -k(G+1)*E1-E2) = Ad*(E1-E2)，而共模抑制比（CMRR）接近无穷大并且共模增益理论上可以是零并且实际事实上是零。差分增益Ad可以根据R2改变来被改变，而不影响CMRR。 [0030] 差分方法(Vout = Ad*(E1-E2)可以通过减去来自温度、聚合物老化以及电子噪声效应的共模信号而最小化传感器漂移。 [0031] 电压E1的值可以不同于E2，这是由于在感测FET的聚酰亚胺中的水蒸汽吸收。这样的水蒸汽可以增大聚酰亚胺电容的介电常数，并且因而还改变感测FET的阈值电压，并且最终，它可以改变漏极电流。水蒸汽将不一定进入参考FET，因此E2电压值可以遵循由于共模信号（例如，温度、老化、噪声）所引起的改变。 [0032] 由感测FET和参考FET产生的信号的差分放大可以实现在与感测和参考FET相同的芯片上，可以实现在与其上形成感测和参考FET的芯片不同的芯片上，或可以由诸如Texas Instruments Incorporated, Analog Device公司之类的供应商所提供的分离设备（例如8221）等来提供。可以采用可替换的技术和衬底以产生基于FET的差分湿度传感器，诸如n-MOS、p-MOS、CMOS等等，其中上部疏水性聚合物栅极介电层可以施加到下部栅极绝缘层并且随后利用水蒸汽不可渗透或可渗透的金属层来被覆盖以分别形成参考FET和感测FET。 [0033] 包含感测和参考FET的硅芯片的一部分可以并入具有铝层的源极和漏极接触部，通过溅射和剥离技术制备的大约50-100nm的超薄金或铂层的多孔金属电极，通过溅射和剥离技术制备的大约0.7-1μm的厚金或铂层的致密金属电极，通过硅衬底的热氧化而生长的大约1.5-2μm的SiO2的厚层，通过硅衬底的热氧化而生长的大约0.2-0.3μm的SiO2的薄层（下部栅极介电层），聚酰亚胺、诸如聚合物感测层0.2-1μm（下部栅极介电层）、如同本文中描述的通过旋转涂覆所沉积的且最终以400摄氏度在N2中处理的那些。 [0034] 此外，可以通过使用各种技术来制造本湿度传感器。例如，厚（1.5到2微米）热学硅氧化物层可以形成在p型硅衬底上，随后对热学硅氧化物进行选择性蚀刻以形成窗口。磷原子然后可以被注入/扩散到衬底中以创建n掺杂的区，其形成参考和感测FET的源极和漏极。二氧化硅的下部栅极介电层或其它适当的栅极绝缘材料然后可以在衬底上热生长，随后进行掩蔽和蚀刻以限定沟道区。薄二氧化硅栅极绝缘层或其它适当的栅极绝缘材料的生长可以形成下部栅极介电层并且确保在硅-二氧化硅界面处的良好表面态密度。本文中标识的合适疏水性聚合物之一然后可以作为上部栅极介电层而施加在薄二氧化硅栅极绝缘层、或其它适当的栅极层材料上，这例如通过旋转涂覆和干燥/加热。聚合物层可以在空气中以 90-120℃软烘焙并且然后在干燥的氮气氛中以高达400摄氏度使其固化之前以光刻胶图案化以限定栅极绝缘堆叠的疏水性聚合物层。附加的光刻胶和图案化步骤（比如在剥离技术中）可以用于制备衬底，以用于通过溅射将多孔金属（例如金）层施加在感测场效应晶体管的栅极绝缘体的疏水性聚合物层上以及将厚的致密金属（金）层施加在参考场效应晶体管的栅极的疏水性聚合物层上。金属层（其可以是铂而不是金）连同FET的其它元件的沉积可以完成疏水性聚合物的封装，使得在参考FET中，上部疏水性聚合物栅极电介质被密封以防止水分到达聚合物。通过感测FET的组件对疏水性聚合物的封装可以是类似的；然而，多孔金属层可以允许水分在疏水性聚合物和环境气氛之间交换。在一些实例中，在施加栅极金属层之前可以沉积铬的薄层以改善其粘附。用于接触源极、漏极和栅极电极的铝层的溅射和图案化可以完成参考和感测FET的制造。 [0035] 如果采用通过使用不同技术（例如n-MOS、p-MOS、CMOS等等）实现的FET是合期望的，则可以修改这些步骤中的一个或多个。类似地，如果在相同的衬底上制造仪表放大器是合期望的，则可以采用一个或多个附加的过程步骤。 [0036] 随后，仪表放大器的第一输入端可以连接到感测场效应晶体管的输出端，并且仪表放大器的第二输入端可以连接到参考场效应晶体管的输出端。仪表放大器可以并入被连接以产生大于50dB的高共模抑制比（CMRR）的三个运算放大器，如图2中所图示的那样。 [0037] 为了扼要重述，湿度传感器可以并入衬底、参考场效应晶体管和感测场效应晶体管。参考场效应晶体管可以并入在衬底上形成的源极、在衬底上形成的漏极、栅极、覆盖源极的至少一部分和漏极的至少一部分以及其间衬底的下部栅极介电层，以及覆在下部栅极绝缘层上的疏水性聚合物的上部介电层。 [0038] 参考场效应晶体管的疏水性聚合物的层可以被不可渗透水蒸汽的层覆盖。栅极可以并入不可渗透水蒸汽的层。感测场效应晶体管可以此外并入在衬底上形成的源极、在衬底上形成的漏极、栅极、覆盖源极的至少一部分和漏极的至少一部分以及其间衬底的下部栅极绝缘层，以及覆在下部栅极绝缘层上的疏水性聚合物的上部栅极介电层。 [0039] 感测场效应晶体管的疏水性聚合物的层可以由可渗透水蒸汽的层覆盖。栅极可以并入可渗透水蒸汽的层。 [0040] 覆在参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的下部栅极绝缘层上的上部疏水性聚合物可以是聚砜与双(频哪醇合)二硼（bis(pinacolato)diboron）以及二叔丁基二吡啶（diterbutylbipyridine）在存在铱催化剂的情况下反应、随后与4-甲酰-4’-溴代联苯（4-formyl-4'-bromo diphenyl）在存在钯催化剂的情况下反应、随后与八氟己二醇的温和氧化和交联的反应产物。 [0041] 传感器此外可以并入仪表放大器，所述仪表放大器具有被连接到参考场效应晶体管的输出端的第一输入端以及具有被连接到感测场效应晶体管的输出端的第二输入端。 [0042] 仪表放大器可以并入被配置为具有大于50dB的共模抑制比的差分放大器的三个运算放大器。 [0043] 覆在参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的下部栅极绝缘层上的上部介电疏水性聚合物层可以是聚酰亚胺。 [0044] 覆在下部栅极绝缘层上的上部介电聚酰亚胺层可以是芳香族聚酰亚胺。 [0045] 覆在参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的下部栅极绝缘层上的上部疏水性聚合物层可以是聚砜。 [0046] 覆在参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的下部栅极绝缘层上的上部介电疏水性聚合物层可以是芳香族聚砜。 [0047] 覆在参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的下部栅极绝缘层上的上部介电疏水性聚合物层可以是交联的疏水性聚合物。 [0048] 交联的疏水性聚合物层可以是与选自包括以下各项的组中的一项交联：2,2,3,3,4,4,5,5-八氟-1,6-己二醇；1,5-戊二醇；1,10-癸二醇；和1,4-苯二甲醇。 [0049] 并入了覆盖参考场效应晶体管的介电疏水性聚合物层的不可渗透水蒸汽的层的金属栅极以及具有覆盖感测场效应晶体管的介电疏水性聚合物层的可渗透水蒸汽的层的金属栅极分别可以具有从包括铂和金的组中选择的材料。 [0050] 湿度传感器可以并入：具有上部栅极介电层的参考组件，所述上部栅极介电层具有根据水分的改变而改变的常数并且没有对任何环境的暴露，并且具有指示常数值的输出；具有上部栅极介电层的感测组件，所述上部栅极介电层具有根据水分的改变而改变的常数并且具有对周围环境的暴露，并且具有指示常数值的输出；以及仪表放大器，其具有被连接到参考组件的输出端的第一输入端以及具有被连接到感测组件的输出端的第二输入端，其中仪表放大器可以被配置为差分放大器，具有指示周围环境中的湿度的输出。 [0051] 参考组件可以并入在掺杂的衬底中形成的第一电极区、在掺杂的衬底中形成的第二电极区、覆盖第一电极区的至少一部分和第二电极区的至少一部分以及其间未掺杂的衬底的下部栅极绝缘层；位于下部栅极绝缘层上的疏水性聚合物的上部栅极介电层；第三金属电极，其并入了在疏水性聚合物的上部栅极介电层上形成的金属层，导致疏水性聚合物的层没有对任何环境的暴露、不可渗透水蒸汽。疏水性聚合物的上部栅极介电层可以是参考组件的电介质。 [0052] 感测组件可以并入在掺杂的衬底中形成的第一电极区；在掺杂的衬底中形成的第二电极区；覆盖第一电极区的至少一部分和第二电极区的至少一部分以及其间的未掺杂衬底的下部栅极绝缘层；位于下部绝缘层上的介电疏水性聚合物的上部栅极介电层；以及第三电极，其具有在疏水性聚合物的层上形成的金属层，导致疏水性聚合物的上部栅极介电层具有对于周围环境的暴露。介电疏水性聚合物的上部栅极介电层可以是感测组件的感测电介质。 [0053] 参考组件可以是一种场效应晶体管，其具有作为漏极的第一电极区、作为源极的第二电极区、和作为栅极的第三电极。感测组件可以是一种场效应晶体管，其具有作为漏极的第一电极区、作为源极的第二电极区和作为栅极的第三电极。参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的介电疏水性聚合物的上部栅极介电层可以并入已经通过使用包括以下各项的组中的一项交联的聚酰亚胺和聚砜中的至少一个：2,2,3,3,4,4,5,5-八氟-1,6-己二醇；1,5-戊二醇；1,10-癸二醇；和1,4-苯二甲醇。 [0054] 构造湿度传感器的方法可以并入以下步骤：在衬底上形成参考场效应晶体管；在衬底上形成感测场效应晶体管，其中参考场效应晶体管和感测场效应晶体管各自都可以具有源极和漏极；将接触电极沉积到参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的每个源极和漏极；使桥接并且至少部分地覆盖参考场效应晶体管的源极和漏极的下部栅极绝缘层生长；沉积上部栅极绝缘层，其桥接并且至少部分地覆盖感测场效应晶体管的源极和漏极，其中参考场效应晶体管和感测场效应晶体管各自还并入从包括聚酰亚胺和聚砜的组中选择的介电疏水性聚合物层，所述疏水性聚合物层覆盖下部栅极绝缘层，所述下部栅极绝缘层桥接和至少部分覆盖相应参考场效应晶体管和感测场效应晶体管的源极和漏极；利用水分不可渗透的栅极金属层来封装参考场效应晶体管的疏水性聚合物层；利用水分可渗透的栅极金属层来封装感测场效应晶体管的疏水性聚合物层；以及将仪表放大器的第一输入端连接到参考场效应晶体管的输出端并且将仪表放大器的第二输入端连接到感测场效应晶体管的输出端，其中仪表放大器具有大于50dB的共模抑制比。 [0057] 尽管已经关于至少一个说明性示例描述了本系统和/或方法，但是在阅读本说明书时，许多变型和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。因此意图是鉴于相关领域来尽可能宽泛地解释随附权利要求以包括所有这样的变型和修改。 |
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