微机械湿度传感器设备和相应的制造方法以及微机械传感器装置制造方法
【专利摘要】本发明实现了一种微机械湿度传感器设备和一种相应的制造方法。所述微机械湿度传感器设备(FS；FS’；FS”；FS”’；FS””)包括：衬底(1)，所述衬底具有前侧(V)和背侧(R)；设置在所述衬底(1)的前侧(V)的上方和/或下方的叉指印制导线装置(L1，L2，L3；L1，L2，L3，L1a，L1b，L1c)；位于所述叉指印制导线装置(L1，L2，L3；L1，L2，L3，L1a，L1b，L1c)的间隙上方和所述间隙中的潮湿敏感的聚合物层(10)。所述潮湿敏感的聚合物层(10)在所述前侧(V)的下方延伸到所述衬底(1)中。
【专利说明】微机械湿度传感器设备和相应的制造方法以及微机械传感 器装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微机械湿度传感器设备和一种相应的制造方法以及一种微机械 传感器装置。
【背景技术】
[0002] 虽然原理上可在任何微机械湿度传感器设备上应用，但借助基于硅的微机械湿度 传感器和压力传感器阐述本发明及其所基于的问题。
[0003] 与此同时，不仅在汽车领域中而且在消费应用领域中，微机械压力传感器是标准 传感器。对于附加的测量参量"湿度"而言，湿度传感器当前越来越重要。
[0004] 目前，两个传感器类型作为微机械结构方式的单个传感器存在并且在独立的封装 中使用。每一个传感器具有通到介质周围环境的同一通道并且在此面对相同的周围环境条 件。然而原理上也可设想的是，两个传感器类型集成在同一衬底中，如以下借助图6阐述的 那样。
[0005] 图6是由DE19917717A1已知的微机械湿度传感器设备与由DE19853135A1已知的 压力传感器设备相组合的示意性横截面图。
[0006] 在图6中，参考标记1表示具有前侧V和背侧R的硅衬底，在所述硅衬底中并排地 集成有湿度传感器FSO和压力传感器PS。
[0007] 湿度传感器FSO具有位于衬底中的势讲（Potentialwanne) 5,例如p讲。例如由氮 化硅构成的绝缘层4施加在衬底1的前侧V上。具有印制导线（Leiterbahn)区段LI、L2 和L3的叉指（interdigitale)印制导线装置施加在势讲5上方和绝缘层4上，潮湿敏感的 聚合物层10位于所述印制导线装置上，所述聚合物层延伸到印制导线区段L1、L2、L3之间 的间隙中并且因此包围所述印制导线区段。在图6中没有示出可选择的、设置在潮湿敏感 的聚合物层10上的电极，例如金电极。
[0008] 通过电容测量能够确定潮湿敏感的聚合物层10的含水量，例如通过半桥测量或 全桥测量的简单电容测量，其中在后者中多个叉指印制导线可能并排设置在绝缘层4上。
[0009] 根据图6的压力传感器PS具有位于衬底1中的空腔3,在所述空腔上方构造有膜 片区域M。压阻电阻P1、P2设置在膜片区域M中或膜片区域M上，所述压阻电阻在片膜区 域M的形变时改变其阻值并且因此可以提供针对所施加的压力的信号。
【发明内容】
[0010] 本发明实现了根据权利要求1所述的微机械湿度传感器设备和根据权利要求5所 述的相应的制造方法以及根据权利要求9所述的微机械传感器装置。
[0011] 从属权利要求的主题是优选的扩展方案。
[0012] 发明优点
[0013] 本发明所基于的构思基于以下构思：通过电容指之间的潮湿敏感的聚合物层延伸 到衬底中来提高潮湿灵敏度。
[0014] 在具有与本身已知的压力传感器设备相组合的根据本发明的湿度传感器设备的 传感器装置的情形中，在分析处理传感器信号时并且在制造方法中能够实现协同效应。通 过两个传感器功能集成在一个衬底中能够实现设置一个唯一的封装以及一个唯一的组合 的分析处理单元。在介质通道与对两个传感器类型的要求相同以后，能够显著简化结构技 术和连接技术。此外，相对于离散的传感器，这样的单片集成具有重要的成本优点。
[0015] 根据一种优选扩展方案，潮湿敏感的聚合物层延伸到衬底中的位于叉指印制导线 装置的间隙中的沟槽中。这样的沟槽可简单地通过开槽蚀刻工艺（丁1111(；11瓧201'〇2633)制 造，其中叉指印制导线装置可以充当自调节的掩膜。
[0016] 根据另一种优选扩展方案，潮湿敏感的聚合物层延伸到衬底中的以潮湿敏感的聚 合物层填充的、位于叉指印制导线装置下方的阱中。因此，叉指印制导线装置全面地由潮湿 敏感的聚合物层包围，这提高灵敏度。
[0017] 根据另一种优选扩展方案，叉指印制导线装置具有设置在衬底的前侧上方的第一 叉指印制导线装置和与所述第一叉指印制导线装置平行的、设置在衬底的前侧下方的第二 印制导线装置，它们如此彼此重叠地设置，使得它们彼此电连接。因此电容增大并且因此同 时灵敏度提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 以下根据在附图的示意图中说明的实施例进一步阐述本发明。附图示出：
[0019] 图1 :根据本发明的第一实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图；
[0020] 图2 :根据本发明的第二实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图；
[0021] 图3 :根据本发明的第三实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图；
[0022] 图4 :根据本发明的第四实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图；
[0023] 图5 :根据本发明的第四实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图；
[0024] 图6 :由DE 199 17 717 Al已知的微机械湿度传感器设备与由DE 19853 135 Al已 知的压力传感器设备相组合的示意性横截面图。
[0025] 在附图中，相同的参考标记表示相同或功能相同的元素。
【具体实施方式】
[0026] 图1是根据本发明的第一实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图。
[0027] 根据图1，根据第一实施方式的湿度传感器设备FS和压力传感器设备PS并排集成 在同一衬底1中。
[0028] 压力传感器设备PS的结构与以上参考图6描述的相同。
[0029] 湿度传感器设备FS与以上已参考图6描述的结构的区别在于：潮湿敏感的聚合 物层10在前侧V的下方延伸到衬底1中。为此，通过通常的开槽蚀刻工艺在印制导线区段 L1、L2、L3之间的间隙中将沟槽G1、G2蚀刻到衬底1中或者位于衬底1中的势阱5中，所述 势阱是可选择的。在所述蚀刻工艺中，可以将叉指印制导线装置的印制导线区段L1、L2、L3 用作自调节的掩膜。在此，通过相应的附加掩膜来保护周围环境区域。
[0030] 在构造沟槽G1、G2之后进行潮湿敏感的聚合物层10的沉积和结构化，所述潮湿敏 感的聚合物层因此在区段101、102中填充印制导线区段LI、L2、L3之间的沟槽并且因此延 伸到衬底1中。通过所述布置能够提高湿度传感器设备FS的灵敏度。
[0031] 图2是根据本发明的第二实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图。
[0032] 在根据图2的第二实施方式中，相对于所述第一实施方式通过如下方式修改湿度 传感器设备FS' ：在势阱5中设有另一叉指印制导线装置Lla、Lib、Llc，所述另一叉指印制 导线装置平行于叉指印制导线装置LI、L2、L3延伸并且与所述叉指印制导线装置通过以下 方式电连接：其通过绝缘层4中的接触孔与所述叉指印制导线装置直接连接。例如能够通 过扩散工艺（Diffusionsprozess)将所述另一叉指印制导线装置置于势阱5中。
[0033] 所述第二实施方式的其余结构类似于所述第一实施方式，其中优选地，潮湿敏感 的聚合物层10的区域101U02比所述另一叉指印制导线装置的印制导线区段Lla、Llb、Llc 更远地延伸到衬底1中，以便屏蔽散射场。
[0034] 图3是根据本发明的第三实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图。
[0035] 在根据图3的第三实施方式中，相比于所述第二实施方式在湿度传感器设备FS" 中去掉了叉指印制导线装置LI、L2、L3,并且仅仅设有位于势阱5中的叉指印制导线装置 Lla、Lib、Lie。在其他方面，结构与以上描述的第二实施方式相同。
[0036] 图4是根据本发明的第四实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图。
[0037] 在根据图4的第四实施方式中去掉了势阱5。替代地，衬底1中的阱W位于叉指印 制导线装置LI、L2、L3的下方，所述阱W以潮湿敏感的聚合物层10、IOa完全填充，其中借 助参考标记IOa表示潮湿敏感的聚合物层10的位于衬底中的部分。因此能够实现，以潮湿 敏感的聚合物层l〇、l〇a全面地包围相关的湿度传感器设备FS"'的叉指印制导线装置L1、 L2、L3,这进一步提高湿度传感器设备FS"'的敏感度。所述阱W的制造可以与用于压力传 感器的空腔3的产生同时实现，这在工艺经济上是有意义的。
[0038] 图5是根据本发明的第四实施方式的微机械湿度传感器设备的示意性横截面图。
[0039] 相比于第四实施方式，在第五实施方式中设有另一叉指印制导线装置Lla、Lib、 Lie，其与所述叉指印制导线装置LI、L2、L3电连接并且平行于所述叉指印制导线装置延 伸。通过构造阱W时的相应控制的蚀刻工艺可获得这样的布置。在其他方面，第五实施方 式类似于所述第四实施方式构造。
[0040] 虽然在以上描述的实施方式中与压力传感器设备相组合地示出了湿度传感器设 备，但能够实现将湿度传感器设备也用作单个传感器。然而，由于工艺技术上的协同效果所 述组合尤其合适。
[0041] 压力传感器设备PS和湿度传感器设备FS、FS'、FS "、FS "'、FS ""的以上描述的并 排传感器布置的单片集成可相对简单地实现。通过相应的间距可以使与所述压力传感器桥 电路（未示出）的直接机械相互作用最小化。也应与膜片区域M间隔地放置铝结构，以便 避免压力传感器设备PS的热迟滞。可以在传感器设备的不同侧上或者相同侧上设置用于 传感器装置的接通的键合盘。根据精确度要求，湿度传感器设备的电容的复杂性也可以实 施为半桥或全桥。在简单的电容结构中，必要时也可以在分析处理电路中设置需要的参考 电容。
[0042] 压阻电阻、电容以及例如附加的温度二极管的集成导致在分析处理电路中必须设 置不同的信号转换。如果替代压阻压力传感器例如使用容性的压力传感器，则由此得到分 析处理电路的额外简化。所述分析处理电路可以包含所需的信号转换器，所述信号转换器 通过复用电路将其信号传输至A/D转换器，所述A/D转换器的输出信号提供给数据处理装 置。作为用于以上所描述的传感器装置的传感器封装可以动用已知的封装。也可以将具 有传感器装置的传感器芯片和具有所述分析处理电路的ASIC芯片设置在一个共同的衬底 中，其中可以通过具有介质通道的金属罩来保护传感器芯片。在此，没有进行附加的介质钝 化。
【权利要求】
1. 一种微机械湿度传感器设备（FS ;FS' ；FS";FS"' ；FS""），其具有： 衬底（1)，所述衬底具有前侧（V)和背侧（R); 设置在所述衬底（1)的前侧（V)的上方和/或下方的叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ; LI, L2, L3, Lla, Lib, Lie)； 位于所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla，Llb，Lie)的间隙上方和所述 间隙中的潮湿敏感的聚合物层（10); 其中，所述潮湿敏感的聚合物层（10)在所述前侧（V)的下方延伸到所述衬底（1)中。
2. 根据权利要求1所述的微机械湿度传感器设备（FS;FS' ；FS";FS"' ；FS""），其中， 所述潮湿敏感的聚合物层（10)延伸到所述衬底（1)中的位于所述叉指印制导线装置（Ll， L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla，Llb，Lie)的间隙中的沟槽（Gl，G2)中。
3. 根据权利要求1所述的微机械湿度传感器设备（FS ;FS' ;FS";FS"' ;FS""），其中，所 述潮湿敏感的聚合物层（10)延伸到所述衬底（1)中的以所述潮湿敏感的聚合物层（10)填 充的、位于所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla，Llb，Lie)下方的阱（W)中。
4. 根据以上权利要求中任一项所述的微机械湿度传感器设备（FS;FS' ；FS";FS"' ； FS""），其中，所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla，Llb，Lie)具有设置在所 述衬底（1)的前侧（V)上方的第一叉指印制导线装置（L1，L2，L3)和与所述第一叉指印制 导线装置平行的、设置在所述衬底（1)的前侧（V)下方的第二叉指印制导线装置（Lla，Llb， Lie)，它们如此彼此重叠地设置，使得它们彼此电连接。
5. -种用于微机械湿度传感器设备（FS ;FS' ；FS";FS"' ；FS""）的制造方法，所述制造 方法具有以下步骤： 提供具有前侧（V)和背侧（R)的衬底（1); 在所述衬底（1)的前侧（V)的上方和/或下方构造叉指印制导线装置（L1，L2，L3 ;L1， L2, L3, Lla, Lib, Lie)； 在所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla，Llb，Lie)的间隙上方和所述间 隙中构造潮湿敏感的聚合物层（10)，所述潮湿敏感的聚合物层在所述前侧（V)的下方延伸 到所述衬底（1)中。
6. 根据权利要求5所述的用于微机械湿度传感器设备（FS;FS' ；FS";FS"' ；FS""）的 制造方法，其中，在所述衬底（1)中在所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla， Llb，Llc)的间隙中构造沟槽（G1，G2)并且以所述潮湿敏感的聚合物层（10)填充所述沟槽， 从而所述潮湿敏感的聚合物层（10)延伸到所述衬底（1)中的沟槽（G1，G2)中。
7. 根据权利要求5所述的用于微机械湿度传感器设备（FS;FS' ；FS";FS"' ；FS""）的 制造方法，其中，在所述衬底（1)中在所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla， Llb，Lie)下方构造阱（W)并且以所述潮湿敏感的聚合物层（10)填充所述阱，从而所述潮 湿敏感的聚合物层（10)延伸到所述衬底（1)中的阱（W)中。
8. 根据以上权利要求5至7中任一项所述的用于微机械湿度传感器设备（FS ;FS';FS"； FS"' ;FS""的制造方法，其中，如此构造所述叉指印制导线装置（Ll，L2, L3 ;L1，L2, L3, Lla， Llb，Lie)，使得所述叉指印制导线装置具有设置在所述衬底（1)的前侧（V)上方的第一叉 指印制导线装置（L1，L2，L3)和与所述第一叉指印制导线装置平行的、设置在所述衬底（1) 的前侧（V)下方的第二叉指印制导线装置（Lla，Llb，Lie)，它们如此彼此重叠地设置，使得 它们彼此电连接。
9. 根据以上权利要求5至8中任一项所述的用于微机械湿度传感器设备（FS ;FS';FS"； FS"' ；FS""）的制造方法，其中，在所述微机械湿度传感器设备（FS;FS' ；FS";FS"' ；FS""） 旁，在所述衬底（1)中集成压力传感器设备（PS)。
10. -种微机械传感器装置，其具有根据权利要求1至4中任一项所述的湿度传感器 设备（FS ;FS' ；FS";FS"' ；FS""），其中，在所述微机械湿度传感器设备（FS ;FS' ；FS";FS"' ； FS""）旁，在所述衬底（1)中集成有压力传感器设备（PS)。
11. 根据权利要求10所述的微机械传感器装置，其中，所述压力传感器设备（PS)具有 膜片区域（M)，所述膜片区域具有设置其中或其上的压电电阻（P1，P2)。
12. 根据权利要求10所述的微机械传感器装置，其中，所述压力传感器设备（PS)是容 性的压力传感器设备。
【文档编号】G01N27/22GK104237329SQ201410267655
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】J·弗兰茨, U·席勒 申请人:罗伯特·博世有限公司