專利名稱：一種用于測量表面覆蓋物的電容傳感器及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量表面覆蓋物的傳感器，尤其是一種用于測量露和霜的傳感器。
背景技術(shù)：
在用于測量傳感器表面覆蓋物的電容傳感器，擁有兩個(gè)或兩組電極，構(gòu)成電容器。 為了制造這種電容器，通常利用微電子或MEMS加工工藝(例如光刻)，在基片的表面形成梳指狀的電極陣列。電極之間的空氣的相對介電常數(shù)近似地等于1。傳感器表面覆蓋了需要檢測的覆蓋物時(shí)，覆蓋物的相對介電常數(shù)大約1，因此覆蓋物的增加會(huì)引起兩組電極之間電容的增加，并可以利用信號(hào)調(diào)理電路檢測出電容的變化。所述方法的一個(gè)重要應(yīng)用，就是測量霜或露。例如電容式露點(diǎn)儀，就是利用電容的變化測量露。電容式露點(diǎn)儀一般由控制電路、半導(dǎo)體制冷器、電容傳感器和溫度傳感器等組件構(gòu)成，電容式器傳感器和溫度傳感器被安裝在半導(dǎo)體制冷器的一側(cè)，由控制電路控制電容傳感器的溫度，當(dāng)溫度降低到露點(diǎn)時(shí)，電容傳感器表面出現(xiàn)露。美國專利4948263中公開了一種露點(diǎn)傳感器，這種傳感器的襯底的表面有電極陣列構(gòu)成的電容。論文 Fast dew -point hygrometer for laryngolgy applications, Proceedings of IEEE Sensors, 2004, vol.3, pp. 1488中介紹的露點(diǎn)傳感器，用光刻的方法形成了電容的電極陣列。論文Optimization of semiconductor dew point hygrometer mirrors surface temperature homogeneity, Sensors and Actuator A，2001，vol. 92，pp. 10 中介紹了一種露點(diǎn)傳感器，在利用MEMS技術(shù)制造的膜片上形成電容電極?，F(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)局限，是其電容的電極底部的襯底的介電常數(shù)大于1，因此邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的電容值比較大，而這種邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的電容一般來說是固定不變的電容。為了提高測量表面覆蓋物的效果，特別是提高表面覆蓋物引起電容變化的靈敏度，傳感器的設(shè)計(jì)者通常希望在沒有覆蓋物的情況下的初始電容盡可能小，從而可以使得覆蓋物引起的電容的變化比例盡可能大，并使得電容檢測的電路更易于實(shí)現(xiàn)。例如，假設(shè)一個(gè)電容在沒有覆蓋物的情況下的的初始值10pF，覆蓋了一定量的露可引起IpF的電容變化，則其變化比例為 10%。如將其電容的初始值降低為5pF，則IpF的電容變化可使電容變化的比例增加到20%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于測量表面覆蓋物(特別是露和霜的)的裝置，所述裝置具有初始電容小和電容變化比例大的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
一種用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，包括信號(hào)調(diào)理電路、襯底、設(shè)置在襯底一側(cè)表面上帶有電容電極的電容；在所述襯底上設(shè)置有用于減少電容邊緣效應(yīng)的空腔。
優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，空腔的開口在襯底上設(shè)置電容的一側(cè)表面上。 優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，空腔的截面形狀是U形。優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，電容電極由兩層金屬材料疊加構(gòu)成，與襯底相接觸的第一層材料是鈦或鉻，第二層材料是金或鉬。優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，電容電極為梳齒狀電極。優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，在襯底上設(shè)置電容的一側(cè)表面上，所述空腔使得電容電極的一部分區(qū)域懸空，電容電極的另一部分區(qū)域與襯底的表面連接。優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，空腔的開口設(shè)置在襯底上未設(shè)置電容的另一側(cè)表面上。進(jìn)一步的，前述的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，在襯底上設(shè)置電容的一側(cè)表面上有腐蝕形成的空腔。優(yōu)選的，本發(fā)明的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器中，電容的電極上覆蓋了絕緣層。一種采用電容傳感器測量表面覆蓋物的方法，通過測量傳感器的電極之間的電容與初始電容的相差量，利用所述相差量反映傳感器上覆蓋物的量，還包括在傳感器的襯底上設(shè)置用于減少電容邊緣效應(yīng)的空腔的步驟。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有如下有益效果
本發(fā)明的工藝步驟簡單，可利用微加工工藝制造，利用在襯底上形成的空腔減小邊緣效應(yīng)引起的電容，提高電容變化的幅度，為電容檢測提供便利。本發(fā)明的優(yōu)勢對于露點(diǎn)傳感器尤為重要。在對電容傳感器表面覆蓋的露或霜進(jìn)行測量的過程中，由于覆蓋在傳感器表面的露或霜在一些情況下變化非常緩慢，準(zhǔn)確地測量露點(diǎn)變得困難。為解決這個(gè)問題，需要提高電容的變化量的比例，因此減小邊緣效應(yīng)引起的電容是一個(gè)重要的措施，本發(fā)明在一定程度上解決可這個(gè)問題。本發(fā)明的另一個(gè)效果是使就是襯底的上表面以下的區(qū)域中的空腔中也可以容納露和霜，因此電極周圍的空間中可以容納更多的露或霜，從而提高了電容的變化范圍。


圖1是襯底、襯底上電極和空腔的剖面示意圖。圖2是包含有絕緣層的一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。圖3是利用各向同性腐蝕形成空腔的一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。圖4是利用各向異性和各向同性腐蝕形成空腔的一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。圖5是利用各向同性腐蝕使電極的部分區(qū)域懸空的一個(gè)實(shí)施例的俯視示意圖。圖6是利用硅片背面腐蝕形成MEMS膜片的一個(gè)實(shí)施例的示剖面意圖。具體實(shí)施方案
本發(fā)明提出的用于覆蓋物測量的電容傳感器由襯底、電容電極、襯底上的空腔和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。電容電極在襯底的上方，空腔在襯底中。空腔的開口可以在襯底表面上，并且可以在相鄰電極之間?？涨坏淖饔?，是減小邊緣效應(yīng)引起的電容。電容電極可以是梳指形狀，也可以是其它形狀。信號(hào)調(diào)理電路提供測量電容的功能。所述裝置的一種制造方法是在襯底上形成電容電極，然后利用相鄰電極之間的空隙，去除一部分襯底材料，從而形成空腔。形成空腔的方法可以包括干法刻蝕，濕法腐蝕和腐蝕性氣體腐蝕，也可以使用多種腐蝕方法的組合形成空腔。如果僅使用各向異性的干法刻蝕形成空腔，空腔的截面的形狀可以近似地認(rèn)為是矩形；如果僅使用各向同性腐蝕形成空腔，空腔的截面形狀可以近似地認(rèn)為是一個(gè)矩形和兩個(gè)扇形的結(jié)合；如果先進(jìn)行各向異性刻蝕，再進(jìn)行各向同性腐蝕，可以獲得U形的空腔截面。在一些應(yīng)用中，為提高相鄰電極之間的絕緣性需要在電容傳感器的電極表面覆蓋一層絕緣層，例如二氧化硅。可以在形成空腔后在電 極表面形成絕緣層，以實(shí)現(xiàn)相鄰電極之間的隔離。電容的電極可由兩層金屬材料疊加構(gòu)成，與襯底相接觸的第一層材料是可以是鈦或鉻，第二層材料可以是是金或鉬。本發(fā)明還提出了通過各向同性腐蝕形成懸空的電容電極的方法。這種方法利用各向同性腐蝕，將電極下方的襯底材料除去，并使電極懸空，可以進(jìn)一步降低邊緣效應(yīng)的電容。如果懸空的電極不與襯底連接，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將會(huì)降低。為了提高懸空的電容電極的可靠性，避免電極的結(jié)構(gòu)損壞，本發(fā)明還提出了利用圖形化的腐蝕掩膜形成支撐結(jié)構(gòu)，提高電極結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法；這種方法可以使電容電極的一部分區(qū)域懸空，另一部分區(qū)域與襯底的表面連接。為獲得減小初始電容的效果，不但可以在襯底設(shè)置電容的一側(cè)形成空腔，也可以在襯底沒有設(shè)置電容的另一側(cè)形成空腔。如果使用硅作為襯底材料，可以利用腐蝕的方法在硅襯底的背面形成空腔。利用本發(fā)明中提出的電容傳感器測量表面覆蓋物的方法是在傳感器的襯底上設(shè)置用于減少電容邊緣效應(yīng)的空腔，測量傳感器的電極之間的電容與初始電容的相差量，利用所述相差量反映傳感器上覆蓋物的量。為了清楚地說明襯底的方向，在本說明書中，襯底的上表面或正面是指襯底上有電容電極的一面，另一面被稱為襯底的背面。下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述 圖1所示的一個(gè)實(shí)施例，可由下述工藝步驟實(shí)現(xiàn)
在襯底101上形成梳指狀交叉的電極201，電極材料是導(dǎo)體，襯底的上表面是絕緣的； 利用反應(yīng)離子刻蝕，在相鄰電極之間的襯底上形成空腔301，用電極作為反應(yīng)離子刻蝕的刻蝕掩膜；
這種方法可以形成較深的空腔，從而擴(kuò)大空腔的體積。采用反應(yīng)離子刻蝕的原因，是其可以提供較高的空腔截面深寬比。需要指出的是，電極材料通常選用金屬，由于一些金屬不易附著在襯底表面，通常使用鈦、鉻等易于附著的金屬作為第一層金屬，在第一層金屬上面再覆蓋其它金屬，例如金或鉬。由于金和鉬具有良好的耐腐蝕性能，因此在形成空腔的過程中可以作為腐蝕掩膜。為了簡便，本說明書的附圖中沒有顯示出電極的多層結(jié)構(gòu)，而實(shí)際上電極可以是多層結(jié)構(gòu)組成的。在一些實(shí)際設(shè)計(jì)中，希望相鄰的電極之間是絕緣的，因此需要在電極的表面覆蓋一層電介質(zhì)。圖2所示的一個(gè)實(shí)施例，是在完成圖1中的制造步驟后，利用化學(xué)汽相淀積或電子束蒸發(fā)，在電極表面覆蓋絕緣層202。所述絕緣層的材料可以包含二氧化硅。圖3所示的一個(gè)實(shí)施例，可由下述工藝步驟實(shí)現(xiàn)
在襯底101上形成梳指狀交叉的電極201，電極材料是金屬，襯底的上表面的材料是二氧化硅；
利用各向同性腐蝕方法，例如氫氟酸溶液或氟化氫氣體，在相鄰電極之間的襯底上形成空腔302，用電極作為腐蝕掩膜。通過控制腐蝕溶液的溫度和腐蝕時(shí)間，可以獲得不同尺寸的空腔。該方案 不但可以去除相鄰電極之間的襯底材料，而且可以通過側(cè)向腐蝕去除電極的下方的一部分襯底材料。由于電極的下方的空間中也有電場，去掉這部分襯底材料可以進(jìn)一步地降低邊緣效應(yīng)引起的電容。需要指出的是，如果增加腐蝕的時(shí)間，就會(huì)去除更多的襯底材料，在一定的腐蝕時(shí)間后，電容的電極就會(huì)懸空，也就是不和襯底接觸。在一些應(yīng)用中，電極的懸空會(huì)降低可靠性。圖4所示的一個(gè)實(shí)施例，可由下述工藝步驟實(shí)現(xiàn)
在襯底101上形成梳指狀交叉的電極201，電極材料是金屬，襯底的上表面的材料是二氧化硅；
利用反應(yīng)離子刻蝕，在相鄰電極之間的襯底上形成空腔，用電極作為刻蝕掩膜； 利用氫氟酸溶液或氟化氫氣體繼續(xù)腐蝕襯底，擴(kuò)大空腔303的截面積，并使空腔303的截面形狀成為U形。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是結(jié)合了圖1和圖3中兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，不但可以形成較深的空腔，還可以側(cè)向腐蝕一部分襯底材料，進(jìn)一步減小邊緣效應(yīng)引起的電容。圖5所示的實(shí)施例，是一種利用各向同性腐蝕方法，降低邊緣效應(yīng)引起的電容的結(jié)構(gòu)。其制造方法是首先，在襯底上形成梳指狀交叉的電極，襯底的上表面由絕緣材料構(gòu)成，絕緣材料可以是二氧化硅。其次，通過光刻形成腐蝕掩膜，腐蝕掩膜的邊緣是231 (虛線231圍成的矩形內(nèi)部的區(qū)域是沒有被腐蝕掩膜覆蓋的)，掩膜材料可以是氮化硅，光刻膠或聚酰亞胺。然后，利用腐蝕液(例如氫氟酸)或腐蝕性氣體(例如氟化氫蒸汽)，通過沒有覆蓋腐蝕掩膜的區(qū)域(虛線構(gòu)成的矩形內(nèi)部的區(qū)域)中的相鄰電極之間暴露出襯底的區(qū)域，對襯底進(jìn)行腐蝕，直至沒有覆蓋腐蝕掩膜的區(qū)域中的電極221由于其底下的襯底表面被腐蝕而懸空；覆蓋腐蝕掩膜的區(qū)域中的電容電極的區(qū)域下方的襯底只有腐蝕掩膜的邊緣區(qū)域被腐蝕，另一部分沒有被腐蝕的襯底對電極提供機(jī)械支撐，222是被襯底支撐的電極區(qū)域；241 內(nèi)的區(qū)域是襯底表面被腐蝕的范圍。最后，去除腐蝕掩膜。該結(jié)構(gòu)的電極的一部分區(qū)域222通過支撐部分連接在襯底上，電極的另一部分區(qū)域221懸空。這種結(jié)構(gòu)的的優(yōu)點(diǎn)是，被襯底支撐的區(qū)域222可以提高懸空的電極的機(jī)械強(qiáng)度，降低電極損壞的可能性，減少電極因?yàn)閼?yīng)力或者外界力的作用而產(chǎn)生的變形。同時(shí)，在沒有被腐蝕掩膜保護(hù)的區(qū)域中，可以去除更多的襯底材料，從而進(jìn)一步減小因?yàn)檫吘壭?yīng)而產(chǎn)生的電容。圖5中所示的實(shí)施例的制造方法，亦可參考圖4所對應(yīng)的實(shí)施例的制造方法，先進(jìn)行各向異性刻蝕，再進(jìn)行各向同性腐蝕。圖6所示的實(shí)施例，是一種利用MEMS加工技術(shù)進(jìn)一步降低邊緣效應(yīng)引起的電容的結(jié)構(gòu)。該裝置的襯底111的材料是硅，在硅的正面表面有一層絕緣層112。絕緣層的材料可以是二氧化硅或氮化硅。在絕緣層的上方有電容的電極201。利用硅片腐蝕技術(shù)，例如利用氫氧化鉀溶液，在絕緣層的下方形成空腔。制造這種結(jié)構(gòu)的一種方法可以概述為 在襯底的正面形成電容的電極201 ； 在襯底的背面進(jìn)行光刻，刻蝕腐蝕掩膜，形成腐蝕窗口 ； 在襯底的背面進(jìn)行腐蝕以獲得空腔305，電極下方的襯底上的絕緣層形成膜片； 從襯底的正面刻蝕膜片，直至刻蝕形成的空腔304穿透膜片，也就是使膜片被刻蝕穿通。該結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過對硅襯底的腐蝕，降低邊緣效應(yīng)引起的電容。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是其空腔304可以作為通風(fēng)的通孔。在露點(diǎn)傳感器和一些其它應(yīng)用中，為提高電容表面結(jié)露的速度，希望增加電容的相鄰電極之間的通風(fēng)，該結(jié)構(gòu)的通孔有助于氣流流過相鄰電極之間的空間，因此可以提高結(jié)露的速度。如果不需要提高電容的相鄰電極之間的通風(fēng)，所述工藝的最后一步可以取消，也就是說，襯底的背面腐蝕完成后，不對襯底的正面進(jìn)行刻蝕。這種設(shè)計(jì)有助于提高膜片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另一種實(shí)施方案，是在襯底的背面腐蝕完成后，在襯底的正面形成空腔，所述空腔的深度小于膜片的厚度。襯底正面的空腔可以在一定程度上減小邊緣效應(yīng)引起的電容。由于膜片沒有被刻蝕穿通，因此這種設(shè)計(jì)中膜片的機(jī)械強(qiáng)度高于圖6中所示的被刻蝕穿通的膜片。為了便于顯示，本說明書中的所有附圖均不是按照實(shí)際比例繪制的。為了簡略，本說明書的附圖中沒有顯示焊盤。實(shí)際的電容式露點(diǎn)傳感器或露水傳感器等測量系統(tǒng)除了本說明書附圖中顯示的裝置外，還可以包括信號(hào)調(diào)理電路和其它裝置。信號(hào)調(diào)理電路可以測量電容。由于本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對電容的結(jié)構(gòu)，因此信號(hào)調(diào)理電路和其他裝置沒有在說明書中顯示。本發(fā)明的實(shí)施，并不僅限于所述實(shí)施例和附圖中的方式，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活選用合適的制造方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，包括信號(hào)調(diào)理電路、襯底、設(shè)置在襯底一側(cè)表面上帶有電容電極的電容；其特征在于在所述襯底上設(shè)置有用于減少電容邊緣效應(yīng)的空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，其特征在于所述空腔的開口在襯底上設(shè)置電容的一側(cè)表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，其特征在于所述空腔的截面形狀是U形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，其特征在于所述電容電極由兩層金屬材料疊加構(gòu)成，與襯底相接觸的第一層材料是鈦或鉻，第二層材料是金或鉬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，其特征在于所述電容電極為梳齒狀電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量傳感器表面覆蓋物的裝置，其特征在于所述空腔使得電容電極的一部分區(qū)域懸空，電容電極的另一部分區(qū)域與襯底的表面連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量傳感器表面覆蓋物的裝置，其特征在于所述空腔的開口設(shè)置在襯底上未設(shè)置電容的另一側(cè)表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量傳感器表面覆蓋物的裝置，其特征在于所述電容電極上覆蓋了絕緣層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于測量傳感器表面覆蓋物的裝置，其特征在于在襯底上設(shè)置電容的一側(cè)表面上有腐蝕形成的空腔。
10.一種采用電容傳感器測量表面覆蓋物的方法，通過測量傳感器的電極之間的電容與初始電容的相差量，利用所述相差量反映傳感器上覆蓋物的量，其特征在于還包括在傳感器的襯底上設(shè)置用于減少電容邊緣效應(yīng)的空腔的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于測量表面覆蓋物的電容傳感器，尤其是用于測量露和霜的傳感器，包括襯底、襯底上的電容和襯底上的空腔。襯底上的電容由兩組梳指形狀的電極組成。襯底與電容接觸的一側(cè)的表面是絕緣的。襯底上有空腔，空腔的開口在襯底的表面上。本發(fā)明還提出了一種采用電容傳感器測量表面覆蓋物的方法，本發(fā)明的優(yōu)勢是降低傳感器的邊緣效應(yīng)引起的電容，同時(shí)增加了電容電極鄰近空間中可以容納的露或霜的體積。
文檔編號(hào)G01D5/24GK102183265SQ20111003568
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者劉清惓 申請人:劉清惓