湿度传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及湿度传感器。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。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容涉及传感器并且特别地涉及湿度传感器。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。附图说明图1是示例性湿度传感器的说明性横截面的图解；以及图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。具体实施方式本系统和方法可以在本文中描述和/或示出的实现方式中并入一个或多个处理器、计算机、控制器、用户接口、无线和/或有线连接和/或类似物。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。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。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。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（instrumentationamplifier），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）。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。FET120和139是n沟道FET。然而，传感器10可以使用p沟道FET。感测和参考n沟道FET120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。可以存在分别覆盖感测和参考FET120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FET120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FET130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FET120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。在参考FET130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FET130的栅极电极的致密金属层126完全包封。感测FET120的结构可以类似于参考FET130，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FET120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。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CMOSFET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。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；并且示例性的聚酰亚胺主链分段可以是其中R’选自：-O2CCH2(CF2)4CH2CO2-；-O2C(CH2)5CO2-；-O2C(CH2)10CO2-；和-O2CCH2(C6H4)CH2CO2-。以及聚砜诸如：其中R选自：-O2CCH2(CF2)4CH2CO2-；-O2C(CH2)5CO2-；-O2C(CH2)10CO2-；和-O2CCH2(C6H4)CH2CO2-。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（degreeC）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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湿度传感器，包括：衬底；参考场效应晶体管；以及感测场效应晶体管；以及其中：参考场效应晶体管包括：在衬底上形成的源极；在衬底上形成的漏极；栅极；下部栅极介电层，其覆盖源极的至少一部分和漏极的至少一部分以及其间的衬底；以及疏水性聚合物的上部介电层，其覆在下部栅极绝缘层上；以及其中：参考场效应晶体管的疏水性聚合物的层被不可渗透水蒸汽的层覆盖；以及栅极包括不可渗透水蒸汽的层；以及感测场效应晶体管还包括：在衬底上形成的源极；在衬底上形成的漏极；栅极；下部栅极绝缘层，其覆盖源极的至少一部分和漏极的至少一部分以及其间的衬底；以及疏水性聚合物的上部栅极介电层，其覆在下部栅极绝缘层上；以及其中：感测场效应晶体管的疏水性聚合物的层被可渗透水蒸汽的层覆盖；以及栅极包括可渗透水蒸汽的层。

【技术特征摘要】
2015.01.09 EP 15150715.91.一种湿度传感器，包括：衬底；参考场效应晶体管；以及感测场效应晶体管；以及其中：参考场效应晶体管包括：在衬底上形成的源极；在衬底上形成的漏极；栅极；下部栅极介电层，其覆盖源极的至少一部分和漏极的至少一部分以及其间的衬底；以及疏水性聚合物的上部介电层，其覆在下部栅极绝缘层上；以及其中：参考场效应晶体管的疏水性聚合物的层被不可渗透水蒸汽的层覆盖；以及栅极包括不可渗透水蒸汽的层；以及感测场效应晶体管还包括：在衬底上形成的源极；在衬底上形成的漏极；栅极；下部栅极绝缘层，其覆盖源极的至少一部分和漏极的至少一部分以及其间的衬底；以及疏水性聚合物的上部栅极介电层，其覆在下部栅极绝缘层上；以及其中：感测场效应晶体管的疏水性聚合物的层被可渗透水蒸汽的层覆盖；以及栅极包括可渗透水蒸汽的层。2.根据权利要求1所述的传感器，其中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是交联的聚砜，其中所述交联的聚砜与选自包括以下各项的组中的半部交联：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。3.根据权利要求1所述的传感器，此外包括仪表放大器，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。4.根据权利要求3所述的传感器，其中仪表放大器包括三个运算放大器，所述运算放大器被配置为具有大于50dB的共模抑制比的差分放大器。5.根据权利要求1、3或4中任一项所述的传感器，其中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是聚酰亚胺。6.根据权利要求5所述的传感器，其中覆在下部栅极绝缘层上的上部介电聚酰亚胺层是芳香族聚酰亚胺。7.根据权利要求1、3或4中任一项所述的传感器，其中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是聚砜。8.根据任何权利要求7所述的传感器，其中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是芳香族聚砜。9.根据权利要求1所述的传感器，其中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是交联的疏水性聚合物。10.根据权利要求1所述的传感器，其中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是与以下各项中之一...

【专利技术属性】
技术研发人员：C科比亚努，B塞尔班，C博斯坦，SD科斯蒂，O比尤，A斯特拉图拉特，M布雷兹努，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：新型
国别省市：美国;US