本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種集成于單芯片上的高精度溫濕度傳感器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的單芯片溫濕度傳感器通常是利用CMOS電路制作基于bandgap(帶隙)的溫度傳感器電路，但這種電路結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的探測(cè)精度較低。

由于上述溫度傳感器電路是制作于芯片襯底上與襯底連為一體，因此具有熱導(dǎo)通性能，從而可通過設(shè)置于襯底底部的金屬將外部溫度傳導(dǎo)到傳感器電路來感知溫度；而該芯片上的濕度傳感器則是通過在襯底的頂部進(jìn)行制作的，例如目前市售的Sensirion(盛思銳公司)型號(hào)為SHTC1的溫濕度傳感器。

上述傳統(tǒng)的芯片在實(shí)際使用時(shí)，需要將芯片裝載在PCB電路板上，并需要將芯片正面(頂部)朝向外部環(huán)境，以感知環(huán)境濕度。而在芯片底部則是通過將襯底與封裝的金屬相連來感知溫度。

然而，在上述傳統(tǒng)的溫濕度傳感器芯片中，其實(shí)際底部溫度感應(yīng)的是襯底溫度，將主要受到芯片襯底溫度、PCB板溫度等的影響，因而并不能真正反映外部濕度環(huán)境下的溫度。

同時(shí)，現(xiàn)有溫濕度傳感器針對(duì)相對(duì)濕度的測(cè)試值，又與該濕度環(huán)境下的溫度值直接相關(guān)，如圖1所示，通過溫濕度傳感器測(cè)試得到的相對(duì)濕度-溫度(Relative Humidity-Temperature)關(guān)系曲線，其與縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的溫度值與曲線上方框中標(biāo)注的該濕度環(huán)境下的實(shí)際溫度值之間存在著較大的差異。

因此，現(xiàn)有單芯片溫濕度傳感器的集成方案存在很大的技術(shù)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種單芯片高精度溫濕度傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種單芯片高精度溫濕度傳感器，包括以嵌入方式集成于共享襯底上的濕度傳感器和溫度傳感器；

所述濕度傳感器自下而上包括：設(shè)于襯底中的第一CMOS前道器件，設(shè)于襯底上第一絕緣層中的第一CMOS后道電路，設(shè)于第一絕緣層上的叉狀電容極板，以及填充于叉狀電容極板之間的濕敏材料層；

所述溫度傳感器嵌設(shè)于濕度傳感器中，自下而上包括：共享設(shè)于襯底中的第二CMOS前道器件，共享設(shè)于第一絕緣層中的第二CMOS后道電路，絕緣嵌設(shè)于叉狀電容極板與第一絕緣層之間的溫敏電阻；

其中，所述溫度傳感器將濕度傳感器的叉狀電容極板作為其溫敏電阻與外部環(huán)境之間的導(dǎo)熱通道層進(jìn)行共享，因此可以極大地減小芯片面積，適宜制作應(yīng)用于特定場(chǎng)所的針狀傳感器；并且，利用位于芯片頂部的叉狀電容極板作為溫度傳感器溫敏電阻與外部環(huán)境之間的導(dǎo)熱通道層，可以避免其在感知環(huán)境溫度時(shí)受到襯底及其連接的PCB電路板等的溫度影響，因此可以精確反映外部濕度環(huán)境下的溫度，從而大大縮小了單芯片集成時(shí)的技術(shù)誤差。

優(yōu)選地，所述溫敏電阻與叉狀電容極板之間通過導(dǎo)熱的第二絕緣層進(jìn)行隔離。

優(yōu)選地，所述濕敏材料層為氧化石墨烯、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金屬氧化物或多孔陶瓷材料。

優(yōu)選地，所述溫敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)的摻雜非晶硅或氧化釩。

優(yōu)選地，至少在所述叉狀電容極板側(cè)部以及第一絕緣層表面設(shè)有鈍化隔離層。

本發(fā)明還提供了一種單芯片高精度溫濕度傳感器，包括以并列方式集成于共享襯底上的濕度傳感器和溫度傳感器；

所述濕度傳感器自下而上包括：設(shè)于襯底中的第一CMOS前道器件，設(shè)于襯底上第一絕緣層中的第一CMOS后道電路，設(shè)于第一絕緣層上的叉狀電容極板，以及填充于叉狀電容極板之間的濕敏材料層；

所述溫度傳感器設(shè)于濕度傳感器一側(cè)，自下而上包括：設(shè)于襯底中的第二CMOS前道器件，設(shè)于第一絕緣層中的第二CMOS后道電路，設(shè)于第一絕緣層上的溫敏電阻，以及絕緣設(shè)于溫敏電阻上的導(dǎo)熱通道層。本技術(shù)方案中，溫度傳感器與濕度傳感器并列位于共享襯底上，可以極大地降低芯片厚度，適宜制作應(yīng)用于特定場(chǎng)所的薄片型傳感器；并且，將作為溫度傳感器溫敏電阻感知外部環(huán)境溫度的導(dǎo)熱通道層設(shè)置于芯片的頂部，可以避免其在感知環(huán)境溫度時(shí)受到襯底及其連接的PCB電路板等的溫度影響，因此可以精確反映外部濕度環(huán)境下的溫度，從而大大縮小了單芯片集成時(shí)的技術(shù)誤差。

優(yōu)選地，所述溫敏電阻與導(dǎo)熱通道層之間通過導(dǎo)熱的第二絕緣層進(jìn)行隔離。

優(yōu)選地，所述濕敏材料層為氧化石墨烯、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金屬氧化物或多孔陶瓷材料。

優(yōu)選地，所述溫敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)的摻雜非晶硅或氧化釩。

優(yōu)選地，至少在所述叉狀電容極板側(cè)部、導(dǎo)熱通道層側(cè)部以及第一絕緣層表面設(shè)有鈍化隔離層。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過將作為溫度傳感器溫敏電阻感知外部環(huán)境溫度的導(dǎo)熱通道層設(shè)置于芯片的頂部，可以避免其在感知環(huán)境溫度時(shí)受到襯底及其連接的PCB電路板等的溫度影響，因此可以精確反映外部濕度環(huán)境下的溫度，從而大大縮小了單芯片集成時(shí)的技術(shù)誤差；其中，采用嵌入方式集成于共享襯底上并共享叉狀電容極板的溫濕度傳感器，可具有更小的面積，適宜制作針狀傳感器，而采用并列方式集成于共享襯底上的溫濕度傳感器，可具有更薄的厚度，適宜制作薄片型傳感器，因此可廣泛應(yīng)用于不同的特定需求場(chǎng)所。

附圖說明

圖1是一種相對(duì)濕度與濕度環(huán)境下測(cè)試溫度的關(guān)系示意圖；

圖2是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的一種單芯片高精度溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的一種單芯片高精度溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

需要說明的是，在下述的具體實(shí)施方式中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。

在以下本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的一種單芯片高精度溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的一種單芯片高精度溫濕度傳感器，包括以嵌入方式集成于共享襯底10上的濕度傳感器和溫度傳感器。

請(qǐng)參閱圖2。所述濕度傳感器自下而上包括：設(shè)于與溫度傳感器共享的襯底10中的第一CMOS前道器件(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，設(shè)于襯底上與溫度傳感器共享的第一絕緣層11中的第一CMOS后道電路(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，設(shè)于第一絕緣層上的叉狀電容極板13，以及填充于叉狀電容極板之間的濕敏材料層14。濕敏材料層可作為一整體形態(tài)從側(cè)面包裹住叉狀電容極板，使得濕敏材料層與叉狀電容極板的頂部表面裸露出來。其中，可通過位于最外圍的叉狀電容極板連接至其下方的第一CMOS后道電路，再進(jìn)一步通過第一CMOS后道電路連接下方的第一CMOS前道器件。

所述襯底10可采用適用于制作溫濕度傳感器的所有襯底，通常可采用硅片襯底進(jìn)行溫濕度傳感器集成?？刹捎矛F(xiàn)有CMOS平面工藝，在所述襯底中制作所述濕度傳感器的前道器件(第一CMOS前道器件)，以及在第一絕緣層中制作所述濕度傳感器的后道電路(第一CMOS后道電路，可包括通孔及金屬互連層等結(jié)構(gòu))?？蓞⒖棘F(xiàn)有技術(shù)加以理解，本例不作贅述。

所述第一絕緣層11可采用常規(guī)的材料形成，例如二氧化硅等。所述叉狀電容極板13可采用常規(guī)的金屬材料制作，例如鋁等；兩個(gè)叉指狀的電容極板以交錯(cuò)的方式相對(duì)設(shè)置，并位于同一水平面，在作為正、負(fù)兩個(gè)電極的叉指之間形成同層間電容。

所述濕敏材料層14可以采用氧化石墨烯、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金屬氧化物或多孔陶瓷材料等形成。也可以采用其他已知的有機(jī)聚合物濕敏材料及其衍生物、與其他單體的共聚物等形成；或者采用其他已知的多孔介質(zhì)濕敏材料及其他多孔半導(dǎo)體材料等。

所述溫度傳感器嵌設(shè)于濕度傳感器中，其自下而上包括：共享設(shè)于襯底10中的第二CMOS前道器件(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，共享設(shè)于第一絕緣層11中的第二CMOS后道電路(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，絕緣嵌設(shè)于叉狀電容極板13底部與第一絕緣層11表面之間的溫敏電阻12。溫敏電阻連接至其下方的第二CMOS后道電路，再進(jìn)一步通過第二CMOS后道電路連接下方的第二CMOS前道器件?？蓞⒖棘F(xiàn)有技術(shù)加以理解，本例不作贅述。

所述溫敏電阻12與叉狀電容極板13之間可通過高導(dǎo)熱的第二絕緣層16(可采用常規(guī)高熱導(dǎo)材料或者高阻材料)進(jìn)行隔離。

所述溫敏電阻12可采用負(fù)溫度系數(shù)的摻雜非晶硅或氧化釩制作，其負(fù)溫度系數(shù)約為-3％左右，因而可具有更高的感溫靈敏度和精度。

為了增強(qiáng)隔離效果，還可在所述叉狀電容極板13側(cè)部、第一絕緣層11表面以及濕敏材料層14底部與第二絕緣層16表面之間等部位設(shè)置鈍化隔離層15；鈍化隔離層15可采用例如二氧化硅等材料制作。

在本具體實(shí)施方式中，所述溫度傳感器將濕度傳感器的叉狀電容極板作為其溫敏電阻與外部環(huán)境之間的導(dǎo)熱通道層進(jìn)行共享，因此可以極大地減小芯片面積，從而適宜制作應(yīng)用于特定場(chǎng)所的針狀傳感器；并且，利用位于芯片頂部的叉狀電容極板作為溫度傳感器溫敏電阻與外部環(huán)境之間的導(dǎo)熱通道層，可以避免其在感知環(huán)境溫度時(shí)受到襯底及其連接的PCB電路板等的溫度影響，因此可以精確反映外部濕度環(huán)境下的溫度，從而大大縮小了單芯片集成時(shí)的技術(shù)誤差。

本發(fā)明還通過以下具體實(shí)施方式提供了一種單芯片高精度溫濕度傳感器。

請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的一種單芯片高精度溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的一種單芯片高精度溫濕度傳感器，包括以并列方式集成于共享襯底20上的濕度傳感器和溫度傳感器。

請(qǐng)參閱圖3。所述濕度傳感器自下而上包括：設(shè)于與溫度傳感器共享的襯底20中的第一CMOS前道器件(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，設(shè)于襯底上與溫度傳感器共享的第一絕緣層21中的第一CMOS后道電路(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，設(shè)于第一絕緣層上的叉狀電容極板22，以及填充于叉狀電容極板之間的濕敏材料層23。濕敏材料層可作為一整體形態(tài)從側(cè)面包裹住叉狀電容極板，使得濕敏材料層與叉狀電容極板的頂部表面裸露出來。其中，可通過位于最外圍的叉狀電容極板連接至其下方的第一CMOS后道電路，再進(jìn)一步通過第一CMOS后道電路連接下方的第一CMOS前道器件。

所述襯底20可采用適用于制作溫濕度傳感器的所有襯底，通?？刹捎霉杵r底進(jìn)行溫濕度傳感器集成?？刹捎矛F(xiàn)有CMOS平面工藝，在所述襯底中制作所述濕度傳感器的前道器件(第一CMOS前道器件)，以及在第一絕緣層中制作所述濕度傳感器的后道電路(第一CMOS后道電路，可包括通孔及金屬互連層等結(jié)構(gòu))?？蓞⒖棘F(xiàn)有技術(shù)加以理解，本例不作贅述。

所述第一絕緣層21可采用常規(guī)的材料形成，例如二氧化硅等。所述叉狀電容極板22可采用常規(guī)的金屬材料制作，例如鋁等；兩個(gè)叉指狀的電容極板以交錯(cuò)的方式相對(duì)設(shè)置，并位于同一水平面，在作為正、負(fù)兩個(gè)電極的叉指之間形成同層間電容。

所述濕敏材料層23可以采用氧化石墨烯、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲脂、多孔金屬氧化物或多孔陶瓷材料等形成。也可以采用其他已知的有機(jī)聚合物濕敏材料及其衍生物、與其他單體的共聚物等形成；或者采用其他已知的多孔介質(zhì)濕敏材料及其他多孔半導(dǎo)體材料等。

所述溫度傳感器設(shè)于濕度傳感器一側(cè)，其自下而上包括：共享設(shè)于襯底20中的第二CMOS前道器件(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，共享設(shè)于第一絕緣層21中的第二CMOS后道電路(圖略、請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)加以理解)，設(shè)于第一絕緣層上的溫敏電阻27，以及絕緣設(shè)于溫敏電阻上方的導(dǎo)熱通道層24。

所述溫敏電阻27與導(dǎo)熱通道層24之間可通過高導(dǎo)熱的第二絕緣層26(可采用常規(guī)高熱導(dǎo)材料或者高阻材料)進(jìn)行隔離。

所述導(dǎo)熱通道層24可采用與叉狀電容極板22相同的常規(guī)金屬材料制作，例如鋁等；也可采用與叉狀電容極板不同的金屬材料制作。

所述溫敏電阻27可采用負(fù)溫度系數(shù)的摻雜非晶硅或氧化釩制作，其負(fù)溫度系數(shù)約為-3％左右，因而可具有更高的感溫靈敏度和精度。

為了增強(qiáng)隔離效果，還可在所述叉狀電容極板22側(cè)部、導(dǎo)熱通道層24側(cè)部、第一、第二絕緣層21、26露出的表面以及濕敏材料層23底部與第一絕緣層21表面之間等部位設(shè)置鈍化隔離層25；鈍化隔離層25可采用例如二氧化硅等材料制作。

在本具體實(shí)施方式中，溫度傳感器與濕度傳感器并列位于共享襯底上，可以極大地降低芯片厚度，適宜制作應(yīng)用于特定場(chǎng)所的薄片型傳感器；并且，將作為溫度傳感器溫敏電阻感知外部環(huán)境溫度的導(dǎo)熱通道層設(shè)置于芯片的頂部，可以避免其在感知環(huán)境溫度時(shí)受到襯底及其連接的PCB電路板等的溫度影響，因此可以精確反映外部濕度環(huán)境下的溫度，從而大大縮小了單芯片集成時(shí)的技術(shù)誤差。

綜上所述，本發(fā)明通過將作為溫度傳感器溫敏電阻感知外部環(huán)境溫度的導(dǎo)熱通道層設(shè)置于芯片的頂部，可以避免其在感知環(huán)境溫度時(shí)受到襯底及其連接的PCB電路板等的溫度影響，因此可以精確反映外部濕度環(huán)境下的溫度，從而大大縮小了單芯片集成時(shí)的技術(shù)誤差；其中，采用嵌入方式集成于共享襯底上并共享叉狀電容極板的溫濕度傳感器，可具有更小的面積，適宜制作針狀傳感器，而采用并列方式集成于共享襯底上的溫濕度傳感器，可具有更薄的厚度，適宜制作薄片型傳感器，因此可廣泛應(yīng)用于不同的特定需求場(chǎng)所。

以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。