【技术实现步骤摘要】
集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法
[0001]本专利技术涉及传感器芯片
，具体地，涉及一种集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法。
技术介绍
[0002]在智能物联网家居，智能移动终端等领域，通常需要监测环境数据，如环境的温度，湿度，气压，空气质量，光强等数据，并进行适当的反馈调节，以达到舒适的人居环境，或提醒用户避开可能的环境侵害。智能终端要求芯片和模组的尺寸越来越小，对于传感器芯片的集成是一个较大的挑战，因为一般来说一种传感器对应一种特色工艺，需要根据不同传感器的工艺特点进行有机整合。
[0003]如Bosch公司的BME680产品，其在一颗传感器芯片中集成了温度，湿度，压力检测传感单元，并通过SIP封装的形式，将处理电路单元，以及气体传感单元集成到一个封装内，实现温度、湿度、压力、气体4种检测功能。但是该芯片的湿度传感检测存在长期漂移大的问题。
[0004]为了解决湿度传感器长期使用漂移大的问题，有诸多专利提出增加加热单元以解决长期漂移问题，但是由于硅是热的良导体，芯体在有限的加热功率(电压限制)下和芯片安装基板热负载的问题，导致很难加热到50℃以上，因此实际很难解决该问题。CN111122656A专利提出采用在悬空薄膜上制作湿度检测单元，可以有效降低热负载，提高加热效率；但是该方案由于悬空薄膜的制作，实际成本较大，分立器件难以商用。
技术实现思路
[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种集成压力和湿度检测的传感器芯片及其加工方法。>[0006]根据本专利技术提供的一种集成压力和湿度检测的传感器芯片，包括：压力检测单元和湿度检测单元，所述压力检测单元和湿度检测单元中均设置有空腔，所述压力检测单元中的空腔用于形成压力敏感膜的自由运动空间，所述湿度检测单元中的空腔用于形成隔离热岛，所述湿度检测单元包括湿敏电容单元和加热电阻单元。
[0007]优选地，所述压力检测单元包括第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻的电阻在压力增大时电阻增大，所述第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻在压力增大时电阻减小；
[0008]所述压力检测单元上设置有四个焊盘，所述第一压敏电阻的一端和第三压敏电阻的一端连接第一焊盘，所述第三压敏电阻的另一端与第二压敏电阻的一端连接第二焊盘，所述第二压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的一端连接第三焊盘，所述第一压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的另一端连接第四焊盘。
[0009]优选地，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻均设置在压力检测单元空腔的边界中心处。
[0010]优选地，所述压力检测单元测量压力包括以下步骤：
[0011]步骤S1.1：在第一焊盘端子接VDD电压，第三焊盘端子接GND电压，两者之间的压差为U，第二焊盘端子和第四焊盘端子为电压信号输出端子，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的初始电阻均为R；
[0012]步骤S1.2：第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻与所收到的压应力的变化比例为α，第一压敏电阻、第二压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k1，第三压敏电阻和第四压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k2；
[0013]步骤S1.3：当外界有ΔP的压力变化时，第一压敏电阻和第二压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR1，第三压敏电阻和第四压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR2，则根据以下公式推导出ΔP的压力导致的ΔU的信号变化：
[0014]ΔR1＝α
·
k1·
ΔP
[0015]ΔR2＝α
·
k2·
ΔP
[0016][0017][0018][0019][0020]优选地，所述湿敏电容单元包括叉指电极和湿敏介质，所述湿敏介质填充设置在叉指电极之间，所述湿度检测单元上设置有叉指电极的正负极端子，所述加热电阻单元包括电阻和电阻的正负极端子。
[0021]优选地，所述湿度检测单元测量包括以下步骤：
[0022]步骤S2.1：获取外界湿度的变化值ΔRH，当湿敏介质的相对介电常数发生Δε的变化时导致湿敏电容单元产生ΔC的变化，得到：
[0023]Δε＝α
·
ΔRH
[0024]ΔC＝k
·
Δε
·
ε0＝k
·
α
·
ε0·
ΔRH
[0025]其中α为湿敏介质的介电常数和相对湿度的变化关系系数，k为电容的形状因子，ε0为真空介电常数。
[0026]步骤S2.2：根据当前的电容值推算出当前环境的相对湿度值；
[0027]步骤S2.3：当湿敏电容单元长期使用导致湿度值偏大时，通过加热电阻单元对湿敏电容单元加热。
[0028]根据本专利技术提供的一种集成压力和湿度检测的传感器芯片的加工方法，包括以下步骤：
[0029]步骤A1：设置衬底，所述衬底上包含空腔和封闭薄膜，在压力检测单元中，封闭薄膜用于感知外界压力变化，空腔为封闭薄膜提供运动空间，在湿度检测单元中，封闭薄膜作为热岛，降低封闭薄膜对衬底的热传导效果；
[0030]步骤A2：在衬底上设置压敏电阻层，所述衬底为N型硅，所述压敏电阻层为P型掺杂
电阻；
[0031]步骤A3：沉淀介质层，并在介质层上开设接触孔，所述接触孔用于将压敏电阻层连接到金属层；
[0032]步骤A4：设置金属层，并通过光刻或蚀刻工艺形成所需的互连导线、焊盘、叉指电极以及加热电阻；
[0033]步骤A5：沉淀钝化层，用于保护金属层，在焊盘位置通过光刻或蚀刻工艺去除金属表面的钝化层；
[0034]步骤A6：在叉指电极上设置湿敏层。
[0035]优选地，所述步骤A3中接触孔与金属层的连接方式包括：在金属层通过金属沉淀到接触孔中进行互连，或在接触孔中溅射钨，通过磨平后作为连接金属与金属层连接。
[0036]优选地，在衬底上设置空腔的方法包括以下步骤：
[0037]步骤A1.1：在P型硅衬底上，通过N+注入形成N型环，N型环的纵向深度大于空腔深度，通过N
‑
注入N型网格层，所述N型网格层的浓度低于N型环的浓度，所述N型网格用于掏空硅衬底后给予表面薄膜机械支撑；
[0038]步骤A1.2；制作钝化层，所述钝化层包括氧化层和氮化硅层，所述氧化层起过渡层作用，所述氮化硅层作为抗HF酸腐蚀层；通过光刻刻蚀工艺在N
‑
网格层打开刻蚀窗口；
[0039]步骤A1.3；利用HF/EtOH的混合溶液，加载电流，对硅片进行电化学腐蚀，在P型硅区域形成泡沫状硅层；
[0040]步骤A1.4；利用低浓度TMAH溶液腐蚀泡沫状硅层，形成空腔，N
‑
网格受低浓度TMAH溶液腐蚀速率低，得以保留；再利用热磷酸和BOE腐蚀液将本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于，包括：压力检测单元和湿度检测单元，所述压力检测单元和湿度检测单元中均设置有空腔，所述压力检测单元中的空腔用于形成压力敏感膜的自由运动空间，所述湿度检测单元中的空腔用于形成隔离热岛，所述湿度检测单元包括湿敏电容单元和加热电阻单元。2.根据权利要求1所属的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述压力检测单元包括第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻的电阻在压力增大时电阻增大，所述第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻在压力增大时电阻减小；所述压力检测单元上设置有四个焊盘，所述第一压敏电阻的一端和第三压敏电阻的一端连接第一焊盘，所述第三压敏电阻的另一端与第二压敏电阻的一端连接第二焊盘，所述第二压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的一端连接第三焊盘，所述第一压敏电阻的另一端和第四压敏电阻的另一端连接第四焊盘。3.根据权利要求2所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻均设置在压力检测单元空腔的边界中心处。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述压力检测单元测量压力包括以下步骤：步骤S1.1：在第一焊盘端子接VDD电压，第三焊盘端子接GND电压，两者之间的压差为U，第二焊盘端子和第四焊盘端子为电压信号输出端子，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的初始电阻均为R；步骤S1.2：第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的电阻与所收到的压应力的变化比例为α，第一压敏电阻、第二压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k1，第三压敏电阻和第四压敏电阻受到的压应力与外界压力的变化比例为k2；步骤S1.3：当外界有ΔP的压力变化时，第一压敏电阻和第二压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR1，第三压敏电阻和第四压敏电阻感知到的平均应力变化为ΔR2，则根据以下公式推导出ΔP的压力导致的ΔU的信号变化：ΔR1＝α
·
k1·
ΔPΔR2＝α
·
k2·
ΔPΔPΔPΔP5.根据权利要求1所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述湿敏电容单元包括叉指电极和湿敏介质，所述湿敏介质填充设置在叉指电极之间，所述湿度检测
单元上设置有叉指电极的正负极端子，所述加热电阻单元包括电阻和电阻的正负极端子。6.根据权利要求5所述的集成压力和湿度检测的传感器芯片，其特征在于：所述湿度检测单元测量包括以下步骤：步骤S2.1：获取外界湿度的变化值ΔRH，当湿敏介质的相对介电常数发生Δε的变化时导致湿敏电容单元产生ΔC的变化，得到：Δε＝α
·
ΔRHΔC＝k
·
Δε
·
ε0＝k
·
α
·
ε0·
ΔR...
【专利技术属性】
技术研发人员：於广军，
申请(专利权)人：上海申矽凌微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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