絕對溼度傳感器的製作方法
2023-10-06 15:00:34 1
專利名稱：絕對溼度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種絕對溼度傳感器，尤其涉及一種用於微波爐的絕對溼度傳感器。
背景技術：
通常，溼度傳感器用於各種目的，例如，在溼度計、用於在微波爐中烹製食品的溼度傳感器等。目前所用的溼度傳感器的實例包括電容式溼度傳感器、相對溼度傳感器和絕對溼度傳感器。電容式溼度傳感器基於由例如聚醯亞胺的有機材料的吸溼性導致的介電常數的變化。相對溼度傳感器基於例如MgCr2O4的半導體陶瓷的電阻變化。絕對溼度傳感器基於陶瓷的熱敏電阻。
對於溼度傳感器，基於兩個熱敏電阻的絕對溼度傳感器廣泛用作微波爐中用於烹製食品的溼度傳感器。
絕對溼度傳感器的優點是它能夠穩定地檢測溼度，因為它不受周圍溫度變化的影響。
微波爐中絕對溼度傳感器的溼度感測原理基於當在食品烹製過程中由食品產生的水蒸汽吸收熱敏電阻的熱量時，由熱敏電阻的溫度變化引起的電阻變化。
圖1所示為現有技術的絕對溼度傳感器的結構。參考圖1，通過以如鉑的貴金屬導體3與支承銷4相連，由諸如玻璃膜的鈍化膜覆蓋的兩陶瓷熱敏電阻1和2浮置。陶瓷熱敏電阻1和2由金屬保護殼5封裝，該金屬保護殼5使這兩熱敏電阻1和2彼此隔開。
熱敏電阻1暴露於空氣中，從而允許水蒸汽通過金屬保護殼5的小孔與熱敏電阻1表面接觸。熱敏電阻1用作感測元件。另一熱敏電阻2通過金屬保護殼5密封在乾燥N2中，以不與水蒸汽接觸。熱敏電阻2用作參比元件。
因此，當橋接電路由兩熱敏電阻1和2以及外部電阻組成時，在食品烹製過程中由食品產生的水蒸汽吸收暴露於空氣中的熱敏電阻1的熱量。因此，電阻變化僅在暴露的熱敏電阻1上發生。這時，由於偏壓而產生輸出變化，從而檢測溼度。
因為現有技術的溼度傳感器採用諸如陶瓷熱敏電阻的元件，所以熱容大，因而靈敏度低。而且，響應時間慢，傳感器的尺寸也較大。
而且，熱敏電阻元件利用導體3和支承銷4浮置，如圖1所示，且導體3和插腳4被點焊焊接。裝配時，參比元件2應當密封在乾燥N2中。因此，製造工藝步驟複雜，其工藝步驟數量增加。此外，成本昂貴，且不利於批量生產。
發明內容
因此，本發明的目的是一種絕對溼度傳感器，該絕對溼度傳感器基本消除了由於現有技術的限制和缺點而引起的一個或多個問題。
本發明的一個目的是提供一種絕對溼度傳感器，該絕對溼度傳感器具有提高的靈敏度和較快的響應時間。
本發明的另一目的是提供一種絕對溼度傳感器，該絕對溼度傳感器具有緊湊的尺寸和便於批量生產的簡單工藝步驟。
在隨後的說明中將闡明本發明的附加特徵和優點，並且部分地可由說明可知，或者可以通過實施本發明而了解。通過在說明書、其權利要求以及附圖中具體指出的結構，可以實現並獲得本發明的目的和其它優點。
為了實現這些和其它優點，並根據本發明的目的，概括地說，根據本發明的絕對溼度傳感器包括一個有腔體的基片；一個形成於該基片上的隔膜；一個形成於該隔膜上的電阻器；形成於隔膜上的電極焊點，用於與電阻器電連接；以及一鈍化膜，該鈍化膜形成於電阻器的整個表面上，用於覆蓋該電阻器。
隔膜由SiO2、Si3N4、SiOxNy和SiO2/Si3N4/SiO2中的任意一種形成。電阻器由Ti、Pt、Ni、Ni-Cr和VO2中的一種或多種形成。鈍化膜由SiO2、Si3N4、SiOxNy、磷矽酸鹽玻璃(PSG)和聚醯亞胺中的任意一種形成。
還可以在鈍化膜的形成有電阻器的區域上形成導熱膜。這時，導熱膜由Al和Au中的任意一種形成。
另一方面，本發明的絕對溼度傳感器包括一基片，該基片在預定區域具有第一腔體和第二腔體；一個形成於該基片上的隔膜；一溼度感測元件，該溼度感測元件形成於隔膜上形成第一腔體的位置處，用於檢測空氣的溼度，該溼度感測元件具有可隨所檢測的溼度變化的電阻值；以及一溫度補償元件，該溫度補償元件形成於隔膜上形成第二腔體的位置處，用於補償溼度感測元件的電阻值。
溼度感測元件和溫度補償元件包括一電阻器，該電阻器形成於隔膜上；電極焊點，該電極焊點形成於隔膜上，用於與電阻器電連接；以及鈍化膜，該鈍化膜形成於電阻器的整個表面上，以便覆蓋該電阻器。
還可以在鈍化膜的形成有電阻器的區域上形成導熱膜。這時，該導熱膜由Al和Au的任意一種形成。
在溼度感測元件和溫度補償元件上還可以形成一封蓋，以覆蓋該溼度感測元件和溫度補償元件的整個表面，該封蓋將溼度感測元件和溫度補償元件彼此分離，並將它們密封。在封蓋的中心區域內形成有保護膜，以分離和密封該溼度感測元件和溫度補償元件。在封蓋中的形成有溼度感測元件的位置處形成一個孔，以通過外部溼氣。該封蓋由矽製成。
根據本發明的絕對溼度傳感器還包括一個管座，該管座與基片的底部相連，並有用於與外部電連接的插腳；一導線，用於使溼度感測元件和溫度補償元件的電極焊點與管座的插腳電連接；以及一金屬保護殼，該金屬保護殼形成於管座的上部上，以蓋管座的、包含溼度感測元件和溫度補償元件的整個表面。
一個孔形成於管座的形成有溼度感測元件的區域內，或者形成於金屬保護殼上，以通過外部溼氣。
在本發明的優選實施例中，具有對溼度的提高的靈敏度的絕對溼度傳感器利用電阻器製造，同時，利用矽的微加工工藝將該傳感器集成到一個晶片中，以便於其批量生產。
應當知道，前面的總體說明和後面的詳細說明都是示例性的和解釋性的，並將對本發明的作進一步的解釋。
附圖示出了本發明的實施例，並與說明書一起用於解釋本發明的原理，該附圖被包括以提供對本發明的進一步理解，且被結合進說明書中並成為其一部分。
附圖中圖1是顯示現有技術的絕對溼度傳感器的結構剖視圖；圖2是顯示根據本發明第一實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構剖視圖；圖3是表示根據本發明第一實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構剖視圖；圖4是表示根據本發明第二實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構剖視圖；圖5是表示根據本發明第二實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構剖視圖；圖6a和6b是表示根據本發明第二實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構透視圖；圖7是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構剖視圖；圖8a和8b是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構透視圖；圖9a和9c是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的矽封蓋的工藝步驟的剖視圖；圖10a和10b是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構透視圖；以及圖11是用於基於根據本發明的隔膜型絕對溼度傳感器檢測溼度的電路圖。
具體實施例方式
現在將詳細介紹本發明的優選實施例，其例子示於附圖中。
第一實施例圖2是表示根據本發明第一實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構剖視圖。
如圖2所示，由SiO2、Si3N4、SiOxNy或SiO2/Si3N4/SiO2構成的隔膜12形成於矽基片11上。具有電阻溫度係數(TCR)的電阻材料沉積在隔膜12上，然後被構圖以形成電阻器13。該電阻器由Ti、Pt、Ni、Ni-Cr和VO2中的一種或多種形成。
隨後，金屬膜沉積在具有TCR的電阻器13上，然後構圖以形成與電阻器13接觸的電極焊點14。
在電阻器13上形成絕緣膜15以覆蓋該電阻器13。
這時，絕緣膜15由具有極好絕緣特性的材料形成，例如SiO2、Si3N4、SiOxNy、PSG和聚醯亞胺。
然後，例如Al或Au的金屬膜沉積在絕緣膜15上，再構圖以形成與電阻器13對齊的導熱膜16。
導熱膜16起到將電阻器13的熱快速發散到外部的作用。在某些情況下也可以不形成導熱膜16。
最後，蝕刻基片11的後側，以露出隔膜12的形成有電阻13的區域。
如上述製造的隔膜型絕對溼度傳感器需要一溫度補償元件，該溫度補償元件不受周圍溼度變化的影響；以及一溼度感測元件，該溼度感測元件檢測周圍溼度的變化。
圖3是表示根據本發明第一實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構剖視圖。
如圖3所示，作為溼度感測元件的絕對溼度傳感器21和作為溫度補償元件的絕對溼度傳感器22連接於管座23上。插腳24形成於管座23上，以與外部電連接。電極焊點形成於絕對溼度傳感器21和22內。插腳24分別通過導線與電極焊點相連。
隨後，金屬保護殼25密封並連接在管座上，以覆蓋管座23的包含絕對溼度傳感器21和22的整個表面。
保護膜25a形成於金屬保護殼25的中心區域，以分離和密封作為溼度感測元件的絕對溼度傳感器21與作為溫度補償元件的絕對溼度傳感器22。
在金屬保護殼25的形成有作為溼度感測元件的絕對溼度傳感器的區域內形成有一個孔，以通過外部溼氣。在金屬保護殼25的形成有作為溫度補償元件的絕對溼度傳感器的區域內填充乾燥N2氣，以不受外部溼度的影響。
第二實施例在本發明的第二實施例中，作為溼度感測元件的絕對溼度傳感器和作為溫度補償元件的絕對溼度傳感器被集成在一個晶片上，以便於批量生產。
圖4是表示根據本發明第二實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構剖視圖。
如圖4所示，由SiO2、Si3N4、SiOxNy或SiO2/Si3N4/SiO2構成的隔膜32形成於矽基片31上。具有TCR的電阻材料沉積在隔膜32上，然後構圖以形成作為溼度感測元件的電阻器33a和作為溫度補償元件的電阻器33b。該電阻器33a和33b由Ti、Pt、Ni、Ni-Cr和VO2中的一種或多種形成。
隨後，金屬膜沉積在具有TCR的電阻器33a和33b上，再構圖以形成與電阻器33a和33b接觸的電極焊點34。
在電阻器33a和33b上形成絕緣膜35以覆蓋該電阻器33a和33b的整個表面。
這時，絕緣膜35由具有極好絕緣特性的材料形成，例如SiO2、Si3N4、SiOxNy、PSG和聚醯亞胺。
還有，在某些情況下可以在絕緣膜35上形成Al或Au導熱膜，以與電阻器33a和33b對齊。
最後，蝕刻基片31的後側，以露出隔膜32的形成有電阻33a和33b的區域。
在如上製造的隔膜型絕對溼度傳感器中，在一個基片上同時形成不受周圍溼度變化影響的溫度補償元件和檢測周圍溼度的變化的溼度感測元件。因此有利於批量生產。
圖5是表示根據本發明第二實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構剖視圖，圖6a和6b是表示根據本發明第二實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構透視圖。
如圖5、6a和6b所示，設置有溼度感測元件41和溫度補償元件42的絕對溼度傳感器連接於管座43上。插腳44形成於管座43上，以與外部電連接。電極焊點形成於溼度感測元件41和溫度補償元件42內。插腳44分別通過導線與電極焊點相連。
隨後，金屬保護殼45密封並連接在管座43上，以覆蓋管座43的包含溼度感測元件41和溫度補償元件42的整個表面。
與第一實施例不同，在金屬保護殼45中並不形成保護膜。乾燥N2氣體填充於溼度感測元件41和溫度補償元件42的上部分，從而不受外部溼度的影響。
僅在管座45的形成有溼度感測元件的區域內形成有一個孔，以使外部溼氣經過隔膜。形成有溫度補償元件42的區域通過基片31密封，以不受外部溼度的影響。
第三實施例本發明的第三實施例在其結構上與第二實施例相同。
不過，在本發明的第三實施例中，外部溼氣並不通過在底部形成的管座傳播至隔膜內，而是通過形成於上部的保護殼和矽封蓋傳播進絕緣膜內。
圖7是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構剖視圖，圖8a和8b是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的結構透視圖。
如圖7、8a和8b所示，隔膜52形成於矽基片51上。作為溼度感測元件的電阻器53a和作為溫度補償元件的電阻器53b形成於隔膜52上。該電阻器53a和53b由Ti、Pt、Ni、Ni-Cr和VO2中的一種或多種形成。
隨後，形成電極焊點54，以與電阻器53a和53b接觸。在電阻器53a和53b上形成絕緣膜55以覆蓋電阻器53a和53b的整個表面。
這時，為了使電阻器53a和53b快速散熱，在某些情況下，可以在絕緣膜55上形成Al或Au的導熱膜，以與電阻器53a和53b對齊。
蝕刻基片51的後側，以露出隔膜32的形成有電阻53a和53b的區域。
最後，將一個矽封蓋56密封和連接在絕緣膜55的上部，以覆蓋溼度感測元件61和溫度補償元件62的整個表面。
在矽封蓋56的中間區域形成保護膜，以分離和密封溼度感測元件61和溫度補償元件62。
在矽封蓋56的形成有溼度感測元件61的區域中形成一個孔，以通過外部溼氣。在矽封蓋56的形成有溫度補償元件的區域內填充乾燥N2氣，以不受外部溼度的影響。
在如上製造的隔膜型絕對溼度傳感器中，矽封蓋覆蓋溼度感測元件和溫度補償元件，使得外部溼度向上傳播。
根據本發明第三實施例的矽封蓋能夠通過簡單的工藝步驟製造。
圖9a和9c是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的矽封蓋的製造工藝步驟的剖視圖。
如圖9a所示，在矽基片70的兩側形成有第一和第二蝕刻掩膜71和72。該第一和第二蝕刻掩膜71和72由Si3N4或CrN形成。
隨後，如圖9b所示，除去第一蝕刻掩膜71的預定區域，以露出矽基片70。再通過溼法或幹法蝕刻方法對露出的矽基片70蝕刻預定深度。
如圖9c所示，除去第二蝕刻掩膜72的預定區域，以露出矽基片70。再通過溼法或幹法蝕刻方法對露出的矽基片70進行蝕刻，以形成第一和第二凹形區域。此時，矽基片70被蝕刻一深度，該深度與在圖9b的步驟中蝕刻的矽基片的底部相連。
在如上製造的本發明的矽封蓋中，通過矽蝕刻而彼此分離的第一和第二凹形部分得以形成，在第一凹形部分的底部形成一通過外部溼氣的孔，並且在第二凹形部分的底部沒有形成孔，因此不通過外部溼氣。
圖10a和10b是表示根據本發明第三實施例的隔膜型絕對溼度傳感器的封裝的結構透視圖。
如圖10a和10b所示，具有溼度感測元件61和溫度補償元件62的絕對溼度傳感器連接於管座63上。插腳64形成於管座63上，以與外部電連接。電極焊點形成於溼度感測元件61和溫度補償元件62內。插腳64分別通過導線與電極焊點相連。
隨後，金屬保護殼65密封並連接在管座63上，以覆蓋管座63的包含矽封蓋56的整個表面。
與第一實施例不同，在金屬保護殼65中不形成保護膜。在金屬保護殼65中形成一個孔，以通過外部溼氣。也就是，外部溼氣通過金屬保護殼65的孔和矽封蓋56的孔而傳播到形成有溼度感測元件61的區域內。
圖11是用於基於根據本發明的隔膜型絕對溼度傳感器來檢測溼度的電路圖。
參考圖11，利用根據本發明的隔膜型絕對溼度傳感器檢測周圍溼度變化的電路包括一個橋接電路和一個用於該橋接電路的電源(V)。橋接電路包括溼度感測元件61、溫度補償元件62、固定電阻器R1和可變電阻器VR。
作為一個實例，下面將介紹利用絕對溼度傳感器和上述電路來檢測在對微波爐內的食品進行烹製的過程中由於食品產生的水蒸汽而引起的溼度變化的方法。
首先，如果食品在微波爐中被加熱，則產生水汽。產生的水蒸汽通過形成於傳感器內的孔傳播到傳感器內。這樣，水蒸汽與溼度感測元件接觸。
這時，溼度感測元件61的電阻通過偏壓自加熱。因此，與溼度感測元件61接觸的水蒸汽吸收電阻器的熱量。因此，溼度感測元件61的電阻器由於熱量損失而降低溫度，從而改變電阻值。
然而，因為溫度補償元件62並不與水蒸汽接觸，電阻值的變化不發生。
溼度感測元件61的電阻變化引起橋接電路的輸出改變，從而檢測溼度變化。
因此，在傳感器周圍的溼度變化可以通過絕對溼度傳感器和上述電路輕易地檢測。在例如微波爐的烹製機器中烹製食品的過程中由於加熱而從食品產生的水蒸氣被探測，以用於食品的自動烹製。
工業實用性如上所述，根據本發明的隔膜型絕對溼度傳感器有以下優點。
因為形成了具有TCR的電阻器，所以可以提高電阻器的靈敏度，並獲得很快的響應時間。而且，因為利用矽的微加工工藝將傳感器集成在一個晶片中，所以能實現緊湊的尺寸和簡單的工藝步驟，以利於批量生產。而且還能節約生產成本。
前述實施例僅僅是示例性的，並不構成對本發明的限定。本宗旨可以很容易地應用於其它類型的裝置。本發明的說明書是說明性的，不對權利要求的範圍進行限定。本領域技術人員可以進行多種改進、改變和變化。
權利要求
1.一種絕對溼度傳感器，包括一具有腔體的基片；一形成於該基片上的隔膜；一形成於該隔膜上的電阻器；形成於該隔膜上的電極焊點，用於與電阻器電連接；以及一鈍化膜，該鈍化膜形成於電阻器的整個表面上，以覆蓋該電阻器。
2.根據權利要求1所述的絕對溼度傳感器，其中，該隔膜由SiO2、Si3N4、SiOxNy和SiO2/Si3N4/SiO2中的任意一種形成。
3.根據權利要求1所述的絕對溼度傳感器，其中，電阻器由Ti、Pt、Ni、Ni-Cr和VO2中的一種或多種形成。
4.根據權利要求1所述的絕對溼度傳感器，其中，鈍化膜由SiO2、Si3N4、SiOxNy、磷矽酸鹽玻璃和聚醯亞胺中的任意一種形成。
5.根據權利要求1所述的絕對溼度傳感器，還包括一導熱膜，該導熱膜形成於鈍化膜的形成有電阻器的區域上。
6.根據權利要求5所述的絕對溼度傳感器，其中，導熱膜由Al和Au中的任意一種形成。
7.一種絕對溼度傳感器，包括一基片，該基片在預定區域內具有第一腔體和第二腔體；一形成於該基片上的隔膜；一溼度感測元件，該溼度感測元件形成於隔膜上形成有第一腔體的位置處，用於檢測空氣中的溼度，該溼度感測元件具有可隨所檢測的溼度而變化的電阻值；以及一溫度補償元件，該溫度補償元件形成於隔膜上形成有第二腔體的位置處，用於補償溼度感測元件的電阻值。
8.根據權利要求7所述的絕對溼度傳感器，其中，溼度感測元件和溫度補償元件包括一電阻器，該電阻器形成於隔膜上；電極焊點，該電極焊點形成於隔膜上，用於與電阻器電連接；以及一鈍化膜，該鈍化膜形成於電阻器的整個表面上，以覆蓋該電阻器。
9.根據權利要求8所述的絕對溼度傳感器，其中，隔膜由SiO2、Si3N4、SiOxNy和SiO2/Si3N4/SiO2中的任意一種形成。
10.根據權利要求8所述的絕對溼度傳感器，其中，電阻器由Ti、Pt、Ni、Ni-Cr和VO2中的任意一種或多種形成。
11.根據權利要求8所述的絕對溼度傳感器，其中，鈍化膜由SiO2、Si3N4、SiOxNy、磷矽酸鹽玻璃和聚醯亞胺中的任意一種形成。
12.根據權利要求7所述的絕對溼度傳感器，還包括一導熱膜，該導熱膜形成於鈍化膜的形成有電阻器的區域上。
13.根據權利要求12所述的絕對溼度傳感器，其中，導熱膜由Al和Au中的任意一種形成。
14.根據權利要求7所述的絕對溼度傳感器，還包括一封蓋，該封蓋形成於溼度感測元件和溫度補償元件上，以覆蓋該溼度感測元件和溫度補償元件的整個表面，用於將溼度感測元件和溫度補償元件彼此分離並將它們密封於其中。
15.根據權利要求14所述的絕對溼度傳感器，其中，在封蓋的中心區域中形成保護膜，以分離和密封該溼度感測元件和溫度補償元件。
16.根據權利要求14所述的絕對溼度傳感器，其中，在封蓋的形成有溼度感測元件的區域內形成一個孔，以通過外部溼氣。
17.根據權利要求14所述的絕對溼度傳感器，其中，該封蓋由矽製成。
18.根據權利要求7所述的絕對溼度傳感器，還包括一管座，該管座與基片的底部相連，具有用於與外部電連接的插腳；一導線，用於使溼度感測元件和溫度補償元件的電極焊點與管座的插腳電連接；以及一金屬保護殼，該金屬保護殼形成於管座的上部上，以覆蓋管座的包含溼度感測元件和溫度補償元件的整個表面。
19.根據權利要求18所述的絕對溼度傳感器，其中，在管座的形成有溼度感測元件的區域內形成一個孔，以通過外部溼氣。
20.根據權利要求18所述的絕對溼度傳感器，其中，在保護殼內形成一個孔，以通過外部溼氣。
全文摘要
本發明公開了一種用於微波爐的絕對溼度傳感器。該絕對溼度傳感器包括:一在預定區域內具有第一孔和第二孔的基片;一形成於該基片上的隔膜;一在隔膜上在形成有第一孔的位置處形成的、用於檢測空氣的溼度的、具有可隨所測溼度變化的電阻值的溼度感測元件;以及一在隔膜上在形成第二孔的位置處形成的、用於補償溼度感測元件的電阻值的溫度補償元件。為了進行封裝,該絕對溼度傳感器還包括:一與基片下部接合的管座,具有用於與外部電連接的插腳和流過外部溼氣的孔;一導線,用於將溼度感測元件和溫度補償元件的電極焊點與管座的插腳電連接;以及一形成於管座上部上的金屬保護殼,以覆蓋管座的包含溼度感測元件和溫度補償元件的整個表面。
文檔編號G01N27/12GK1382255SQ00814589
公開日2002年11月27日 申請日期2000年12月12日 優先權日2000年7月19日
發明者李敦熙, 洪炯基 申請人:Lg電子株式會社