结合光学波导的湿度传感器的制作方法

本公开涉及湿度传感器。

背景技术：

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。

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。

技术实现要素：

本公开描述了结合光学波导的湿度传感器。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

图1示出了包括光学波导的混合传感器系统的示例。

图2示出了单片集成传感器的进一步细节。

图3是示出了传感器系统的操作方法的流程图。

图3A-3D显示了传感器系统的各种状态。

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

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

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。在其他情况下，热电冷却设备16可以实施为薄膜超晶格SiGe/Si异质结构集成热电子冷却器。

测温探头18可以被实施为例如热电偶，其可操作以测量传感器的温度。在一些情况下，测温探头18是硅基热电堆传感器，可操作以测量不同的温度。其他实施方式可以用于热电冷却设备16或测温探头18。

波导14的结构形成在硅基板30上，并且包括芯32、邻近芯32并在芯32下方的下包层34、以及设置在芯32的上表面的部分上的隔离层36。一般来说，包层34的折射率应该低于芯32的折射率。在图示的示例中，下包层34由二氧化硅(SiO2)组成，芯由硅(Si)或氮化硅(SiN)组成。隔离层36也可以由例如SiO2组成。隔离层36限定了用作窗口39的开口38，例如，当传感器被冷却时，在其中可以形成凝结(例如，水滴)。

例如，使用第一光栅耦合器40将来自光源20的光耦合到波导14中。同样，例如使用第二光栅耦合器42将来自波导14的光耦合到光检测器22。光栅耦合器40、42可以例如通过对芯32的端部进行图案化来实施。

图3示出了使用传感器系统10的一般方法。该方法包括控制热电冷却设备16以便调节(例如，降低)单片集成半导体设备的温度(50)，当单片集成半导体设备的温度被调节时感测从光学波导14输出的光学信号(52)，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(54)，基于确定的温度确定相对湿度值(56)，以及允许单片集成半导体设备返回到环境温度(58)。上述操作循环可以在持续的基础上重复进行。

传感器系统10的进一步操作细节将参考图3A-3D进行说明。例如，图3A示出了传感器的初始状态，其中在窗口39上不存在凝结。在整个操作过程中，输入光信号60被持续耦合到波导14中，通过波导传播，并且输出光信号62被光检测器22检测。处理电路28持续分析由检测器62输出的信号，以识别输出信号的一个或多个特性(例如，幅度)，测温探头18持续测量传感器的温度。如图3B所示，在随后的状态中，控制电路26操作热电冷却设备16以冷却传感器探头，这导致在窗口39上形成凝结(例如，露珠)64。随着热电冷却设备16持续冷却传感器，凝结持续形成，直到有凝结层66(例如，水)覆盖窗口39(见图3C)。在一些情况下，传感器被冷却降低至大约0℃；在其他实施方式中，将传感器冷却到低于环境温度大约10摄氏度就足够了。一旦传感器被冷却，控制电路26关闭热电冷却设备16，以便允许传感器返回到环境温度，并且使得凝结从传感器的窗口39蒸发(见图3D)。在一些实施方式中，控制电路26反转热电冷却设备16的极性，以便加热传感器，直到其返回到环境温度。在一些情况下，整个操作周期(即图3A-3D)发生在一秒的量级，并且在一些情况下，可能甚至小于一秒。

当光信号68的消逝场61沿着波导14传播时，如果在窗口39上存在凝结64、66，则光信号与凝结相互作用。结果，由光检测器22检测的光信号的一个或多个特性(例如，幅度)改变。当处理电路28分析来自光检测器22的输出信号时，处理电路寻找信号幅度的特定变化。例如，处理电路28可以持续分析检测器的输出信号，以确定是否发生了从检测信号的峰值幅度开始的指定的绝对(或相对)下降。在一些情况下，处理电路28确定在检测到的光学功率中是否至少发生了指定的变化(例如，十分之几dB)。当处理电路28确定至少发生了指定的变化量时，处理电路存储对应于检测器输出幅度发生指定变化的同一时间的温度(由测温探头18确定)。处理电路28然后可以基于传感器的温度，使用例如先前确定的表示传感器温度和相对湿度之间关系的数学等式来确定相对湿度。例如，在一些实施方式中，可以将被称为马格努斯(Magnus)公式的近似值用于相对湿度(relative humidity，RH):

其中，Tdp是露点，T是实际空气温度(单位:℃)。也可以使用其他等式或关系。

例如，可以在与处理电路28相关联的软件中实现数学等式或其他关系。在一些情况下，传感器温度和相对湿度之间的关系作为查找表存储在与处理电路28相关联的存储器中。

单片集成相对湿度传感器可用于广泛的应用。例如，如图4所示，传感器10可以集成到主机设备102中，例如具有联网能力的便携式计算设备(例如，智能手机、个人数字助理(PDA)、膝上型电脑或可穿戴计算设备)。相对湿度传感器也可以集成到诸如耳机的其他消费产品中，也可以用于汽车应用。在一些情况下，由传感器确定的相对湿度值可以显示在例如智能手机或其他主机设备的显示屏104上。此外，在一些情况下，主机设备可以使用相对湿度值来控制或调节主机设备中的一些其他单元的特征。

根据前面的描述，各种修改将是显而易见的。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。