集成頻率輸出溼度檢測裝置的製作方法
2023-05-05 13:30:56 2
專利名稱：集成頻率輸出溼度檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明是一種與CMOS工藝兼容的集成頻率輸出溼度檢測器，屬於溼度測量儀器製造的技術領域。
背景技術：
溼度傳感器是基於其功能材料能發生與溼度有關的物理效應或化學反應的基礎上製造的。它具有可將溼度物理量轉換成電訊號的功能。這些功能可以通過與溼度有關的電阻或電容的變化、長度或體積的脹縮、以及結型器件或MOS器件的某些電參數的變化來得到實現。它在軍事、氣象、農業、工業(特別是紡織、電子、食品工業)、療、建築以及家用電器等方面有廣泛的應用。
目前，溼度傳感器品種繁多。就其所使用的感溼材料而言，主要在電解質和高分子化合物感溼材料、半導體陶瓷材料、以及元素半導體和多孔金屬氧化物半導體材料等。電解質溼度傳感器具有測量範圍窄、可重複性差、使用壽命短等缺點。高分子化合物溼度傳感器具有感溼性能好、靈敏度高等優點；以及在高溫和高溼條件下性能變差、穩定性差、抗腐蝕和抗沾汙能力差等缺點。半導體陶瓷材料溼度傳感器具有感溼性較好、生產簡單、成本低、響應時間較短、可加熱清洗等優點；以及精確測量較難、高溫下性能差，難以集成化等缺點。多孔氧化物溼度傳感器具有響應速度快、化學穩定性好、承受高溫和低溫能力強、可集成化等優點。目前市場上溼度傳感器大多是單個敏感元件，需要使用者配以測量電路才可正常工作。
發明內容
(1)發明目的本發明的目的是提供一種將傳感器和電容檢測電路集成在一塊晶片上，穩定性好、靈敏度高、適合於大批量生產的集成頻率輸出溼度檢測裝置。
(2)技術方案本發明的集成頻率輸出溼度檢測裝置是由電容傳感器和檢測電路所組成，由電容傳感器和檢測電路所組成，檢測電路由恆流源電路、斯密特觸發器、脈衝整形電路所組成，恆流源電路和電容傳感器輸出端接斯密特觸發的輸入端，斯密特觸發器的輸出端接脈衝整形電路的輸入端，脈衝整形電路的輸出端為頻率信號輸出端，所有電路均集成在一塊晶片上；恆流源電路由CMOS管M1～11所組成，斯密特觸發器由CMOS管M12～17所組成，脈衝整形電路由CMOS管M18～21所組成，恆流源電路的輸出端即CMOS管M9、M10輸出端的連接點，與斯密特觸發器的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16的輸入湍相連接，斯密特觸發器的輸出端即XMOS管M13、M15的輸出端與脈衝整形電路的輸入端即CMOS管M18、M19的輸入端相連接，電容傳感器接在斯密特觸發器的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16輸入端；電容傳感器採用梳狀敏感電容結構，採用CMOS工藝，與檢測電路集成在一片矽片上。梳枝之間的間距即為敏感電容的間距。很顯然，總的敏感電容為每個梳枝之間的電容的和。該間距中的介質為與環境相通的空氣。當空氣中溼度發生變化時，將引起電容介電常數的變化，進而使電容量也發生變化。由於電容量變化很小，一個能檢測該電容變化的電路也集成在晶片上。該電路的輸出為方波信號。這樣便於傳輸和採用微控制器讀取信號。該電路的輸出頻率可以用下式表示f＝Is/2[(Vh-Vi)Cx]式中Is為恆流源提供的電流，Vh和Vi分別為斯密特觸發器的高、低閥值電壓，由上式可見，輸出頻率與電容傳感器的電容值成反比。
(3)技術效果本發明將傳感電容和電容檢測電路集成在一塊晶片上形成集成頻率輸出溼度檢測裝置，穩定性好、靈敏度高、體積小、幹擾小，適合於採用標準CMOS工藝大批量生產，因此成本低、應用廣泛。
四
圖1是本發明的電路框圖。其中有恆流電路1、斯密特觸發器2、脈衝整形電路3、電容傳感器Cx。
圖2是本發明的電路原理圖。其中有CMOS管M1～M21。
圖3是本發明電容傳感器Cx為梳狀結構的示意圖。
五具體實施例方式
本發明的集成頻率輸出溼度檢測裝置是由電容傳感器和檢測電路所組成，恆流源電路1由CMOS管M1～11所組成，斯密特觸發器2由CMOS管M12～17所組成，脈衝整形電路3由CMOS管M18～21所組成，恆流源電路1的輸出端即CMOS管M9、M10輸出端的連接點，與斯密特觸發器2的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16的輸入湍相連接，斯密特觸發器2的輸出端即CMOS管M13、M15的輸出端與脈衝整形電路3的輸入端即CMOS管M18、M19的輸入端相連接，電容傳感器Cx接在斯密特觸發器2的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16輸入端；電容傳感器Cx採用梳狀敏感電容結構，採用CMOS工藝，與檢測電路集成在一片矽片上。
實施例1CMOS兼容型溼度傳感器集成晶片的製造1。敏感電容結構採用梳狀結構。敏感電容採用金屬製造。整個工藝採用標準的P阱CMOS工藝實現。去溼電阻採用多晶矽並和柵電極同時形成。在完成電路晶片的流水後，整個晶片電路部分用防水的鈍化膜覆蓋，敏感膜部分暴露在環境氣氛下。
實施例2CMOS兼容型溼度傳感器集成晶片的製造2。敏感電容結構組成和電路與例1一樣，只是敏感電容不單純採用金屬，而是採用多晶矽和金屬複合膜。製造方法是，在做引線孔光刻時，刻去敏感電容部分的二氧化矽；在做金屬的光刻時，當金屬刻蝕乾淨後進一步採用幹法刻蝕技術刻去敏感電容下的多晶矽。去溼電阻做在敏感電容下的矽表面，採用P阱即可。整個工藝為標準的P阱CMOS工藝。在完成電路晶片的流水後，整個晶片電路部分用防水的鈍化膜覆蓋，敏感膜部暴露在環境氣氛下。
權利要求
1.一種集成頻率輸出溼度檢測裝置，由電容傳感器和檢測電路所組成，其特徵在於檢測電路由恆流源電路(1)、斯密特觸發器(2)、脈衝整形電路(3)所組成，恆流源電路(1)和電容傳感器(Cx)輸出端接斯密特觸發器(2)的輸入端，斯密特觸發器(2)的輸出端接脈衝整形電路(3)的輸入端，脈衝整形電路(3)的輸出端為頻率信號輸出端(Vout)，所有電路均集成在一塊晶片上。
2.根據權利要求1所述的集成頻率輸出溼度檢測裝置，其特徵在於恆流源電路(1)由CMOS管M1～11所組成，斯密特觸發器(2)由CMOS管M12～17所組成，脈衝整形電路(3)由CMOS管M18～21所組成，恆流源電路(1)的輸出端即CMOS管M9、M10輸出端的連接點，與斯密特觸發器(2)的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16的輸入湍相連接，斯密特觸發器(2)的輸出端即CMOS管M13、M15的輸出端與脈衝整形電路(3)的輸入端即CMOS管M18、M19的輸入端相連接，電容傳感器(Cx)接在斯密特觸發器(2)的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16輸入端。
3.根據權利要求1或2所述的集成頻率輸出溼度檢測裝置，其特徵在於電容傳感器(Cx)採用梳狀敏感電容結構，採用CMOS工藝，與檢測電路集成在一片矽片上。
全文摘要
集成頻率輸出溼度檢測裝置是一種與CMOS工藝兼容的集成頻率輸出溼度檢測器,由電容傳感器和檢測電路所組成,檢測電路由恆流源電路、斯密特觸發器、脈衝整形電路所組成,恆流源電路和電容傳感器輸出端接斯密特觸發器的輸入端,斯密特觸發器的輸出端接脈衝整形電路的輸入端,脈衝整形電路的輸出端為頻率信號輸出端,所有電路均集成在一塊晶片上;恆流源電路由CMOS管M1～11所組成,斯密特觸發器由CMOS管M12～17所組成,脈衝整形電路由CMOS管M18～21所組成,恆流源電路的輸出端即CMOS管M9、M10輸出端的連接點,與斯密特觸發器的輸入端即CMOS管M12、M13、M15、M16的輸入端相連接。
文檔編號G01N27/22GK1357758SQ02112519
公開日2002年7月10日 申請日期2002年1月11日 優先權日2002年1月11日
發明者黃慶安, 秦明, 嚴先蔚 申請人:東南大學