结合光学波导的湿度传感器制造技术

一种湿度传感器系统(10)，该系统包括单片集成半导体设备(12)。单片集成半导体设备(12)包括光学波导(14)、热电冷却设备(16)、温度测量探头(18)和控制电路(26)，该控制电路可操作以使热电冷却设备(16)调节单片集成半导体设备(12)的温度。光学波导可操作以接收来自光源(20)的输入光学信号，并提供输出光学信号以供光检测器(22)感测。湿度传感器系统(10)还包括处理电路，该处理电路可操作以接收来自光检测器(22)和来自温度测量探头(18)的输出信号，并可操作以基于来自光检测器(22)和温度测量探头(18)的输出信号确定相对湿度。头(18)的输出信号确定相对湿度。头(18)的输出信号确定相对湿度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结合光学波导的湿度传感器


[0001]本公开涉及湿度传感器。

技术介绍

[0002]湿度是指空气或其他气体中的水蒸气含量，可以用多种方式表示，这些方式包括绝对湿度、相对湿度和露点。例如，绝对湿度是指水蒸气的质量与空气或气体的体积之比。相比之下，相对湿度是指在特定温度和压力下空气或气体中存在的水蒸气的百分比与空气或气体在该温度和压力下能容纳的最大水蒸气量之比。
[0003]一些湿度传感器基于有机化合物(例如聚酰亚胺)对水蒸气的吸收以及有机化合物性质的相应变化来工作。然而，诸如聚酰亚胺的有机化合物可能对加工条件、生产批次、储存条件、保质期等的变化高度敏感。此外，聚酰亚胺和其他有机化合物可能在恶劣的环境条件下(例如，有大量阳光的地方)相对快速地降解。即使没有这些问题，基于聚酰亚胺平衡吸收的湿度测量也可能花费相对长的时间(例如，长达几个小时)，这使得这种技术不适用于某些应用。

技术实现思路

[0004]本公开描述了结合光学波导的湿度传感器。
[0005]例如，在一个方面，本公开描述了一种包括单片集成半导体设备的湿度传感器系统。单片集成半导体设备包括光学波导、热电冷却设备、温度测量探头和控制电路，该控制电路可操作以使热电冷却设备调节单片集成半导体设备的温度。光学波导可操作以接收来自光源的输入光学信号，并提供输出光学信号以供光检测器感测。湿度传感器系统还包括处理电路，处理电路可操作以接收来自光检测器和来自温度测量探头的输出信号，并可操作以基于来自光检测器和温度测量探头的输出信号确定相对湿度。/>[0006]一些实施方式可以包括以下一个或多个特征。例如，单片集成半导体设备可以包括处理电路和/或光检测器。在一些情况下，单片集成半导体设备包括硅基板。光学波导可以包括例如波导芯、邻近波导芯的第一侧的包层和邻近波导芯的第二侧的隔离层，其中隔离层中具有开口。在一些实施方式中，波导芯由硅或氮化硅组成，包层由二氧化硅组成，和/或隔离层由二氧化硅组成。湿度传感器系统可操作用于在开口中形成凝结，使得沿着光学波导传播的光信号的消逝场与凝结相互作用，从而修改由光检测器测量的输出光学信号的特性。在一些情况下，湿度传感器系统可操作以在不到一秒的时间内执行相对湿度的测量循环。
[0007]在另一方面，本公开描述了一种使用湿度传感器系统的方法，该湿度传感器系统包括单片集成半导体设备，该单片集成半导体设备包括光学波导、热电冷却设备和温度测量探头。该方法包括控制热电冷却设备以调节(例如，降低)单片集成半导体设备的温度，当单片集成半导体设备的温度被调节时感测从光学波导输出的光学信号，确定与感测的从光学波导输出的光学信号的特定变化一致的单片集成半导体设备的温度，以及基于确定的温
度确定相对湿度值。
[0008]一些实施方式可以包括以下一个或多个特征。例如，控制热电冷却设备可以包括控制热电冷却设备以降低单片集成半导体设备的温度，使得光学波导上存在凝结。在一些情况下，控制热电冷却设备包括控制热电冷却设备以将单片集成半导体设备的温度降低到大约0℃，或者将单片集成半导体设备的温度降低到低于环境温度大约10℃。在一些情况下，沿着光学波导传播的光信号的消逝场与凝结相互作用。在一些情况下，作为消逝场与凝结的相互作用的结果，从光学波导输出的光学信号的幅度降低。例如，凝结可以存在于邻近光学波导的芯的隔离层的开口中。在一些情况下，该方法还包括控制热电冷却设备，以允许单片集成半导体设备的温度升高到环境温度。
[0009]本公开还描述了包括主机设备(例如，智能手机)的装置，该主机设备具有显示屏和湿度传感器系统。
[0010]在一些实施方式中可以提供各种优点。例如，湿度传感器系统可以相对紧凑，使得它适合集成到空间非常宝贵的主机计算设备(例如，智能手机)中。此外，在一些情况下，传感器的整个操作周期发生在一秒或更少的量级，从而允许非常快速地确定相对湿度。
[0011]根据以下详细描述、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[0012]图1示出了包括光学波导的混合传感器系统的示例。
[0013]图2示出了单片集成传感器的进一步细节。
[0014]图3是示出了传感器系统的操作方法的流程图。
[0015]图3A
‑
3D显示了传感器系统的各种状态。
[0016]图4示出了结合混合传感器系统的主机设备的示例。
具体实施方式
[0017]本公开描述了一种结合光学波导的湿度传感器。湿度传感器可以是单片集成的、CMOS兼容的半导体设备的一部分，该半导体设备使用光学技术来测量传感器上的凝结，并且可操作以基于所测量的凝结来确定相对湿度。
[0018]如图1的示例所示，混合传感器系统10包括单片集成传感器12，其可以在单个半导体芯片中或单个半导体芯片上实施。传感器12包括光学波导14、热电冷却(thermo
‑
electric cooling，TEC)设备16和测温(温度测量)探头18，它们中的每个都可以形成在半导体芯片中或半导体芯片上。
[0019]来自光源20(例如垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)的光耦合到波导14中，并且离开波导14的光被光检测器22(例如光电二极管)感测。在一些实施方式中，可以使用其他类型的光源(例如，发光二极管(light emitting diode，LED)、红外(infra
‑
red，IR)LED、有机LED(organic LED，OLED)、红外(IR)激光器)。
[0020]通常，光源20可操作以产生波长在650nm
‑
1550nm范围内的光，尽管其他波长或波长范围可能适用于一些应用。驱动器24可操作以驱动VCSEL或其他光源20。波导14被配置成使得由光源20发射并耦合到波导14中的光沿着波导在朝向波导相对端的方向上传播。光检测器22可操作以感测与光源20发射的波长相同的光，并且在一些情况下，也可以形成在半
导体芯片中。
[0021]可以使用基于CMOS的技术在半导体基板中实施的热控制电路26可操作以控制和/或接收来自热电冷却设备16和测温探头18的信号。处理电路28也可以使用基于CMOS的技术在半导体芯片中实施，其可操作以读取和处理来自光检测器22的输出信号。热控制电路26和/或测温探头18也可以耦合到处理电路28。
[0022]图2示出了根据一些实施方式的单片集成传感器12的进一步细节。如图2所示，热电冷却设备16和测温探头18形成在硅基板30中或硅基板30上。
[0023]热电冷却设备16可以以各种方式实施。在一些情况下，热电冷却设备16利用金属/半导体结处的帕尔帖(Peltier)效应，并由一系列n型和p型半导体元件组成，以降低热电模块的工作电流。因此，例如，可以在硅基板30上提供块状BiTe或BiSbTe热电模块。在其他情况本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种湿度传感器系统，包括:单片集成半导体设备，包括:光学波导；热电冷却设备；温度测量探头；和控制电路，其能够操作以使所述热电冷却设备调节所述单片集成半导体设备的温度；其中所述光学波导能够操作以接收来自光源的输入光学信号，并且提供输出光学信号以供光检测器感测，所述湿度传感器系统还包括处理电路，所述处理电路能够操作以接收来自所述光检测器和来自所述温度测量探头的输出信号，并且能够操作以基于来自所述光检测器和所述温度测量探头的所述输出信号确定相对湿度。2.根据权利要求1所述的湿度传感器系统，其中所述单片集成半导体设备包括所述处理电路。3.根据权利要求1或2中任一项所述的湿度传感器系统，其中所述单片集成半导体设备包括所述光检测器。4.根据权利要求1至3中任一项所述的湿度传感器系统，其中所述单片集成半导体设备包括硅基板。5.根据权利要求1至4中任一项所述的湿度传感器系统，其中所述光学波导包括:波导芯；邻近所述波导芯的第一侧的包层；邻近所述波导芯的第二侧的隔离层，其中所述隔离层中具有开口。6.根据权利要求5所述的湿度传感器系统，其能够操作以在所述开口中形成凝结，使得沿着所述光学波导传播的光信号的消逝场与所述凝结相互作用，从而修改由所述光检测器测量的输出光学信号的特性。7.根据权利要求5或6所述的湿度传感器系统，其中所述波导芯包括硅。8.根据权利要求5至7中任一项所述的湿度传感器系统，其中所述波导芯由硅或氮化硅组成。9.根据权利要求5至8中任一项所述的湿度传感器系统，其中所述包层由二氧化硅组成。10.根据权利要求5至9中任一项所述的湿度传感器系统，其中所述隔离层由二氧化硅组成。11.根据权利要求1至10中任一项所述的湿度传感器系统，其能够操作以在不...

【专利技术属性】
技术研发人员：S杰西尼格，V西德罗夫，
申请(专利权)人：ams有限公司，
类型：发明
国别省市：