專利名稱：帶有鈍化層的電容型濕度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及帶有鈍化層的電容型濕度傳感器。
在此濕度傳感器中，濕度敏感膜直接與這對梳狀電極接觸，而梳狀電極由金屬材料或類似材料制成。因而，此電極是暴露于濕氣中，而濕氣被吸收進入濕度敏感膜并通過濕度敏感膜。于是，電極老化，而濕度傳感器的耐用性下降。為了避免電極老化，在襯底上形成一個鈍化膜覆蓋這對梳狀電極，這是在美國專利申請No.US 2002-0141136-A1中提出的。然而，帶有鈍化層的濕度傳感器滯后現(xiàn)象嚴重，當濕度分別增加和減小時，電容器的靜電電容量的增加和減小曲線之間出現(xiàn)這種滯后。這一滯后現(xiàn)象引起測量準確度下降。
還存在另一種電容型濕度傳感器，比如平行板型濕度傳感器。平行板型濕度傳感器具有一對互相對向設置的電極平板。濕度敏感膜夾在一對電極板之間。比如，根據(jù)日本專利S60-166854A的平行板型濕度傳感器的構(gòu)成包括一個在襯底上形成的下部電極板、在下部電極板上形成的濕度敏感膜和在此濕度敏感膜上形成的上部電極板。于是濕度敏感膜就夾在上部電極板和下部電極板中間。上部電極板具有透濕性而向外暴露。所以在此濕度傳感器中滯后足夠小，因為在濕度敏感膜中吸收的濕氣通過此上部電極板蒸發(fā)。然而，此上部電極板的耐濕性將下降，因為上部電極板是由金屬材料制成，并且，比如，金屬材料會受到吸收的濕氣銹蝕。此外，當上部電極板是藉助真空蒸發(fā)或濺射方法形成時，濕度敏感膜在濕度傳感器作為加工件置于其內(nèi)的工作室內(nèi)會發(fā)生擴散。于是，工作室就會受到擴散的濕度敏感膜的污染。
電容型濕度傳感器包括襯底、兩個電極、鈍化層和一個濕度敏感層。兩個電極由金屬材料制成，配置于襯底上并在同一平面上，而且是互相對向設置，中間有間隔。鈍化層由氮化硅制成，覆蓋兩個電極和該間隔。濕度敏感層由具有吸收特性的高聚物有機材料制成。濕度敏感層的介電常數(shù)隨著濕度而改變。最好是襯底上配置一個絕緣層，而兩個電極是在該絕緣層上形成。
更具體言之，這兩個電極是由一對基底電極和從基底電極延伸出來的梳齒電極組成的。兩個電極的這一對梳齒電極交替地互相面對。間隔就是兩個電極的梳齒電極中間的間隔。
當此間隔加寬時，濕度傳感器的滯后減小。特別是當此間隔等于鈍化膜的膜厚的兩倍或更厚時，滯后將減小到相對濕度的10％RH以下。另外，當間隔等于鈍化膜的膜厚的三倍或更厚時，滯后將減小到相對濕度的5％RH以下。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式
的電容型濕度傳感器的示意平面圖。
圖2為示出沿著圖1中的II-II線的電容型濕度傳感器的示意剖面圖。
圖3為示出相對濕度和濕度傳感器的靜電電容量的改變之間的關系曲線，其中一對梳齒電極之間的間隔為1.5μm，而氮化硅層的膜厚為1.6μm。
圖4為示出相對濕度和濕度傳感器的靜電電容量的改變之間的關系曲線，其中一對梳齒電極之間的間隔為5μm，而氮化硅層的膜厚為1.6μm。
圖5為示出濕度傳感器中的一對梳齒電極中間的間隔和氮化硅層不同膜厚時的滯后畸變之間的關系曲線(實線)，以及平行板型濕度傳感器中的關系曲線(點線)。
圖6為示出在濕度傳感器中的一對梳齒電極中間的間隔不同時氮化硅層中的凹槽的形狀的示意剖面圖。
在此
具體實施例方式
中，電極31、32的構(gòu)成包括電極焊盤31C、32C、基底電極31A、32A和多個分別從基底電極31A、32A延伸出來的梳齒電極31B、32B。每個梳齒電極31B、32B都是交替地互相面對。因此，這一對梳狀電極31、32就形成電容。采用梳狀圖形作為電極31、32，電極31、32的布置區(qū)最小，并且一對梳齒電極31B、32B的總對向面積最大。因此，一對電極31、32中間的電容的靜電電容量的可檢測改變值最大。電極焊盤31C、32C用作連接外部信號處理器(圖中未示出)的連接器。
信號處理器測定一對電極31、32中間的電容的靜電電容量并且檢測靜電電容量的改變。電極焊盤31C、32C需要暴露在外以使電極焊盤31C、32C用作連接外部信號處理器的連接器。因此，電極焊盤31C、32C不用鈍化層覆蓋。然而，信號處理器也可以在同一半導體襯底10上形成，于是電極焊盤31C、32C就可以用鈍化層覆蓋。
之后，在半導體襯底10上淀積氮化硅層40作為鈍化層使其覆蓋一對電極31、32。氮化硅層40，比如，可利用等離子化學汽相淀積(即等離子CVD)淀積，可使半導體襯底10上的氮化硅層40的膜厚在各個部分都均勻。
之后，在氮化硅層40上形成濕度敏感層50。如圖1中的點線所示，濕度敏感層50覆蓋一對電極31、32，不包括電極焊盤31C、32C。濕度敏感層50由吸收濕氣的高聚物有機材料組成。比如，濕度敏感層50由聚酰亞胺聚合物、乙酸丁酸纖維素(即CAB)等等構(gòu)成。濕度敏感層50形成方法如下。藉助旋轉(zhuǎn)涂敷法或篩網(wǎng)法在氮化硅層上涂敷高聚物有機材料。之后，使此高聚物有機材料硬化。
當濕度傳感器周圍大氣中的濕氣吸收進入濕度敏感層50時，濕度敏感層50的介電常數(shù)相應于所吸收的濕氣而改變。濕度敏感層50的介電常數(shù)的這一改變大到足以檢測到，因為被吸收的濕氣中的H2O的介電常數(shù)足夠大。這對梳狀電極31、32形成一個電容，其中的濕度敏感層50用作介電層。于是，此電容的靜電電容量就隨著濕度敏感層50的介電常數(shù)的改變而改變。在濕度敏感層50中吸收的濕氣與濕度傳感器所在的大氣中的濕氣相對應。因此，濕氣就可通過測定電容的靜電電容量的改變來檢測。
如圖2所示，濕度敏感層50是形成于氮化硅層40之上，而不是直接形成于電極31、32之上。在互相對向設置的一對梳齒電極31B、32B之間在氮化硅層40上形成一個凹槽41，因為氮化硅層40的膜厚在半導體襯底10上在每個部分都是均勻的。
考慮到相關技術，試驗制成了帶有鈍化層的電容型濕度傳感器。在這種情況下，濕度傳感器表現(xiàn)出的相對濕度和濕度傳感器的靜電電容量的改變之間的關系如圖3所示。在圖3中，橫軸代表濕度傳感器中緯度大氣中的相對濕度，而縱軸代表濕度傳感器的靜電電容量的改變?？v軸由靜電電容量在0％RH歸一化。A代表相對濕度從0％RH上升到100％RH時的濕度傳感器的靜電電容量的改變的上升曲線。B代表相對濕度從100％RH下降到0％RH時的濕度傳感器的靜電電容量的改變的下降曲線。C代表上升曲線和下降曲線中間的靜電電容量的改變的最大差值。靜電電容量的改變的這一最大差值C轉(zhuǎn)換為相對濕度，于是就可計算出最大滯后畸變D。最大差值C和最大滯后畸變D下面敘述。在圖3中，當相對濕度分別上升和下降時滯后出現(xiàn)在靜電電容量改變的上升曲線和下降曲線之間。此處，在此濕度傳感器中，電極31B、32B之間的間隔是1.5μm，而氮化硅層的膜厚是1.6μm。
根據(jù)上述試驗，可以認為滯后或許是這樣引起的。凹槽41中的濕度敏感層50強烈影響與大氣中的濕度相對應的靜電電容量。這是因為凹槽41中的濕度敏感層50是位于一對梳狀電極31B、32B之間并且與一對梳齒電極31B、32B鄰接。然而，凹槽41中的濕度敏感層50也夾在凹槽41中的氮化硅層40中間。
當濕氣從濕度敏感層50的表面被吸收并且通過和到達凹槽41的濕度敏感層50時，凹槽41中的濕度敏感層50中的濕氣很難蒸發(fā)，因為凹槽41中的濕度敏感層50是夾在氮化硅層40之中，而氮化硅層40的透濕性很低。
在濕度傳感器周圍的大氣中的相對濕度從100％RH下降到0％RH時，凹槽41中的濕度敏感層50中的濕氣的蒸發(fā)延遲。因此，凹槽41中的濕度敏感層50中的多余濕氣使電容的靜電電容量增加。而在相對濕度從0％RH增加到100％RH時，上述電容的靜電電容量增加不出現(xiàn)。因此，當相對濕度分別上升和下降時滯后出現(xiàn)在電容的靜電電容量改變的上升曲線和下降曲線之間。
因此，可以認為，如果加寬凹槽41，凹槽41中的濕度敏感層50中的濕氣或許易于移動和便于蒸發(fā)。于是，滯后或許可以減小。在此具體實施方式
中，為加寬凹槽41，將一對梳齒電極31B、32B之間的間隔加寬。詳細言之，在上述試驗中，電極31B、32B之間的間隔是1.5μm，而氮化硅層40的膜厚是1.6μm。與上述試驗相比，制成和試驗了電極31B、32B之間的間隔為5μm和氮化硅層40的膜厚為1.6μm的濕度傳感器。
在此場合，濕度傳感器表現(xiàn)出圖4所示的相對濕度和濕度傳感器的靜電電容量的改變之間的關系。在圖4中，A代表相對濕度從0％RH上升到100％RH時的濕度傳感器的靜電電容量的改變的上升曲線，而B代表相對濕度從100％RH下降到0％RH時的濕度傳感器的靜電電容量的改變的下降曲線。此處，靜電電容量的改變的上升曲線和下降曲線與相對濕度的關系交互相同，并未觀察到明顯的滯后?？梢钥隙ǎ斒猃X電極31B、32B之間的間隔加寬時，滯后減小。
另外，凹槽41的寬度不僅是由一對梳齒電極31B、32B之間的間隔決定，而且也由氮化硅層40的膜厚決定。因此，制成并試驗了具有各種不同的氮化硅層40膜厚的濕度傳感器，結(jié)果如圖5所示。
在圖5中，曲線E代表氮化硅層的膜厚為0.8μm的濕度傳感器。曲線F代表氮化硅層的膜厚為1.6μm的濕度傳感器。曲線G代表氮化硅層的膜厚為3.2μm的濕度傳感器。曲線H代表平行板型濕度傳感器。最大滯后畸變的計算方法如下。如圖3所示，上升曲線和下降曲線之間的靜電電容量的改變的最大差值C變換為相對濕度而可計算出最大滯后畸變D。
在氮化硅層40的膜厚是0.8μm的場合，當一對梳齒電極31B、32B之間的間隔小于1μm時，最大滯后畸變大于20％RH，如曲線E所示。然而，當電極31B、32B之間的間隔為大約1.6μm(即等于氮化硅層40膜厚的兩倍)時，最大滯后畸變減小到8％RH，即小于10％RH。此外，當電極31B、32B之間的間隔為大約2.4μm(即等于氮化硅層40膜厚的三倍)時，最大滯后畸變減小到3％RH，即小于5％RH。這種隨著間隔的加寬最大滯后畸變減小的趨勢也出現(xiàn)于氮化硅層40的膜厚是1.6μm和3.2μm時，分別如曲線F和G所示。
另外，在不同間隔情況下的氮化硅層40上的凹槽41的剖面如圖6A至6C所示。圖6A至6C中示出的濕度傳感器中的間隔分別為1.5、3.0和5.0μm。此處，各濕度傳感器的氮化硅層40的膜厚是1.6μm。如圖6A所示，當間隔是1.5μm時，氮化硅層40上的凹槽41的開口窄而凹槽41深。然而，當間隔分別為示于圖6B和6C的3.0μm和5.0μm(即等于氮化硅層的兩倍和三倍)時，凹槽41的開口足夠?qū)挕?br> 考慮到示于圖5中的最大滯后畸變的膜厚依賴的結(jié)果，最好是此間隔為氮化硅層40的膜厚的二倍。在此場合，最大滯后畸變減小到8％RH，而凹槽41的開口足夠?qū)挕?br> 此外，當此間隔為氮化硅層40的膜厚的三倍時，最大滯后畸變減小到3％RH，而濕度傳感器可以以更高的準確度檢測相對濕度。
還存在另外一種電容型濕度傳感器，比如平行板型濕度傳感器。平行板型濕度傳感器的最大滯后畸變約為3％RH。如圖5中的曲線H所示。因此，根據(jù)本具體實施方式
的濕度傳感器表現(xiàn)出的最大滯后畸變幾乎與平行板型濕度傳感器相同。
此外，根據(jù)本具體實施方式
濕度傳感器是在普通的半導體生產(chǎn)線上制成，所以與在制造中生產(chǎn)線會受到污染的平行板型濕度傳感器相比，根據(jù)本具體實施方式
的濕度傳感器在制造中不會出現(xiàn)污染問題。
權(quán)利要求
1.一種電容型濕度傳感器，其包括襯底(10)；兩個電極(31、32)，配置于襯底(10)上并在同一平面上，而且是互相對向設置，中間有間隔；鈍化層(40)，配置于兩個電極(31、32)上，覆蓋兩個電極；以及濕度敏感層(50)，直接與鈍化層(40)相接觸，以覆蓋兩個電極(31、32)，濕度敏感層(50)的介電常數(shù)根據(jù)周圍濕度而改變，其中該間隔為鈍化層(40)的膜厚的兩倍或以上。
2.如權(quán)利要求1中記載的電容型濕度傳感器，其中該間隔為鈍化層的膜厚的三倍或以上。
3.如權(quán)利要求1或2中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，其中該鈍化層由氮化硅制成。
4. 如權(quán)利要求1-3中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，還包括位于襯底(10)和兩個電極(31、32)之間的絕緣層(20)。
5.如權(quán)利要求1-4中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，其中兩個電極(31、32)中的每一個都包括一個基底電極(31A、32A)和從基底電極延伸出來的多個梳齒電極(31B、32B)；其中該兩個電極(31、32)的多個梳齒電極(31B、32B)交替地互相面對；其中該間隔定義為該兩個電極(31、32)的梳齒電極對(31B、32B)之間的間隔。
6.如權(quán)利要求1-5中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，其中濕度敏感層(50)由吸濕的高聚物有機材料制成。
7.如權(quán)利要求1-6中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，其中該兩個電極(31、32)由金屬材料制成。
8.如權(quán)利要求1-7中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，其中襯底(10)由半導體材料制成。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一項中記載的電容型濕度傳感器，其中間隔小于10μm，并且鈍化層(40)的膜厚小于3.2μm。
全文摘要
電容型濕度傳感器包括襯底(10)、兩個電極(31、32)、鈍化層(40)和一個濕度敏感層(50)。兩個電極(31、32)配置于襯底(10)上并在同一平面上，而且是互相對向設置，中間有一個間隔。鈍化層(40)覆蓋兩個電極(31、32)。濕度敏感層(50)配置于間隔上或間隔之間，并且濕度敏感層(50)的介電常數(shù)相應于濕度而改變。隨著間隔的加寬，濕度傳感器中的滯后減小。特別是，當間隔等于鈍化層(40)兩倍或更大時，滯后可減小到小于相對濕度的10％RH。
文檔編號G01N27/22GK1445538SQ03107340
公開日2003年10月1日 申請日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者浜本和明, 豐田稻男 申請人:株式會社電裝