116_092-016AP-TW
發佈日期 :
2009-04-30
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱：(中文/英文) | |
| 微型感測器及其製法與使用該微型感測器之感測裝置(全文下載) | |
| 二、申請人：共 人 | |
| 指定為應受送達人 | |
| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權： | |
| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權： | |
| □ 主張專利法第二十六條微生物： | |
| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 一種微型感測器，包含一懸臂樑部、一間隔設置於該懸臂樑部旁的第二基座，及一跨接於懸臂樑部與第二基座上的橋接板。懸臂樑部具有一第一基座、一由第一基座 頂面水平往外延伸的懸臂樑、一披覆於該懸臂樑頂面的第一電極層，及一披覆於該第一電極層頂面並隨濕度高低而造成長度收縮或伸展且致使懸臂樑產生不同程度彎 曲的濕度感測層。橋接板具有一形成於其底面的凹槽，及一披覆於凹槽內並位於濕度感測層上方的第二電極層。第一、第二電極層共同形成一電容，電容之電容值隨 懸臂樑彎曲，使第一、第二電極層間之距離改變而產生變化。 |
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| 六、英文發明摘要： | |
| A micro sensor is composed of a cantilever beam part, a second base spaced apart the cantilever beam, and an upper plate connecting the cantilever beam and the second base. The cantilever beam part includes a first base, a cantilever beam horizontally extended from the first base, an electrode layer deposited on the cantilever beam top and a humidity sensing layer coated on the electrode layer for shrinking or stretching of its length at different humidity. The upper plate is composed of a cavity and a second electrode layer deposited on the cavity. The first and second electrode layers form a capacitance and the capacitance value changes as the distance between the first and second electrode layers changes. |
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| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明： | |
| 2．．．微型感測器 3．．．濕度感測單元 31．．．懸臂樑部 311．．．第一基座 312．．．懸臂樑 313．．．第一電極層 314．．．濕度感測層 32．．．第二基座 33．．．橋接板 331．．．凹槽 332．．．第二電極層 4．．．溫度感測單元 41．．．電阻塊 42．．．導電塊 |
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| [發明所屬之技術領域] 本發明是有關於一種感測器，特別是指一種以微機電技術製作而成的微型感測器。 [先前技術] 在眾多物理量量測中，濕度是除了溫度以外之另一重要環境因子，生命體必須在其適應的濕度範圍內生存，細胞及細菌等微生物必須在一定的濕度環境下才能進行繁 殖與培養，且精密電子儀器必須在一定的濕度值以下才能發揮正常的功能，以及其他日常生活當中的許多事物都有其最佳的濕度適應範圍。因此許多工業製程環境都 需要對濕度嚴密而精確的監控。所以在細胞培養、生醫檢測、製程控制及環境監測等相關領域當中，高性能的濕度感測器是不可或缺的。 傳統濕度感測器的感測原理包含：電容式、電阻式、濕氣吸附式、測重式及光學式等方式，以上各類感測器雖然各有其優點，但是仍然不免會有靈敏度低、穩定度低、線性度差、響應時間長及因溫度變化造成的漂移值不易補償等缺點。 [發明內容] 因此，本發明之目的，是在提供一種微型感測器及其製法與使用該微型感測器之感測裝置，使其具有極高之靈敏度、穩定度、快速之響應時間及極佳之濕度線性關係，並可對不同溫度下量測得之電容值進行補償。 於是，本發明之微型感測器，包含一濕度感測單元，其包括：一懸臂樑部、一水平間隔設置於該懸臂樑部旁的第二基座，及一跨接於該懸臂樑部與第二基座 上的橋接板。該懸臂樑部具有一第一基座、一由該第一基座頂面水平往外延伸的懸臂樑、一披覆於該懸臂樑頂面的第一電極層，及一披覆於該第一電極層頂面並可吸 附水分的濕度感測層，且該濕度感測層會隨濕度高低而改變所吸附之水分含量進而造成長度收縮與伸展，致使該懸臂樑產生不同程度彎曲。該橋接板具有一形成於其 底面的凹槽，及一披覆於該凹槽內並位於該濕度感測層上方的第二電極層，該第二電極層與該第一電極層共同形成一電容，該電容之電容值是隨該懸臂樑彎曲，使該 第一電極層與該第二電極層間之距離改變而產生變化。 該濕度感測單元之製造方法包含以下步驟：(A)於一水平平板狀之絕緣基材頂面上之一端部沉積金屬作為一第一電極層；(B)塗佈一可隨濕度變化而 收縮與伸展的濕度感測層於該第一電極層之頂面；(C)於該基材之一端部與另一端部間以蝕刻技術分割，並形成一具有一第一基座與一由該第一基座頂面往外延伸 之懸臂樑的懸臂樑部，及一與該懸臂樑末端間隔設立之第二基座；(D)於一表面形成一凹槽的橋接板上，進行金屬沉積於該凹槽內，形成一第二電極層；(E)將 該橋接板以其凹槽朝下跨接於該懸臂樑部與該第二基座之上，使該第二電極層位於該第一電極層之上方，而由該第一、第二電極層形成一電容。 使用該微型感測器之感測裝置包含：一微型感測器及一處理單元。該微型感測器包括一濕度感測單元及一溫度感測單元。該濕度感測單元具有一懸臂樑 部、一水平間隔設置於該懸臂樑部旁的第二基座，及一跨接於該懸臂樑部與第二基座上的橋接板。該懸臂樑部具有一第一基座、一由該第一基座頂面水平往外延伸的 懸臂樑、一披覆於該懸臂樑頂面的第一電極層，及一披覆於該第一電極層頂面並可吸附水分的濕度感測層，且該濕度感測層會隨濕度高低而改變所吸附之水分含量進 而造成長度收縮與伸展，致使該懸臂樑產生不同程度彎曲。該橋接板具有一形成於其底面的凹槽，及一披覆於該凹槽內並位於該濕度感測層上方的第二電極層，該第 二電極層與該第一電極層共同形成一電容，該電容之電容值是隨該懸臂樑彎曲，使該第一電極層與該第二電極層間之距離改變而產生變化。該溫度感測單元具有一設 置於該第二基座頂面上之一可感測溫度之改變而產生電阻值變化的電阻塊，及二分別連接於該電阻塊二相反端的導電塊。該處理單元具有一電容計、一濾波器、一訊 號轉換器及一數位訊號處理器，電容計量測該濕度感測單元之第一、第二電極層間之電容值的該濾波器接收該溫度感測單元輸出之類比電流值，並過濾該類比輸出電 流訊號，以降低其中所含有的雜訊值，該訊號轉換器是將該濾波器輸出之類比電流訊號轉換為數位訊號，該數位訊號處理器係作為接收該電容計所量測到之電容值， 及接收該訊號轉換器輸出之數位電流訊號並計算出該電阻塊之電 阻值，由電阻值推算出之環境溫度，以計算出因溫度變化所造成之電容值漂移量，用於校正實際量測出之電容值。 本發明之功效能提供一微型感測器及其製造方法。應用此微型感測器可快速地量測出精確的環境溼度。 [實施方式] 有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白。 參閱圖1與圖2，本發明之微型感測器2之較佳實施例可配合一處理單元5、一顯示單元6，及一電源供應單元7共同組成一感測裝置。 該微型感測器包含一濕度感測單元3及一溫度感測單元4、該濕度感測單元3包括一具有一第一基座311的懸臂樑部31、一與該懸臂樑部31相間隔的第二基座32、一跨接於該懸臂樑部31與第二基座32上的橋接板33。 該懸臂樑部31之第一基座311概略呈直立方柱形，且該懸臂樑部31更具有一由該第一基座311頂面水平往外延伸的長條板狀懸臂樑312、一披覆於該懸臂樑312頂面的第一電極層313，及一披覆於該第一電極層313頂面並可吸附水分的濕度感測層314。 該第一基座311及該懸臂樑312是由絕緣材質所製成，例如矽、氧化矽、氮化矽、玻璃或石英等材質，但實施上不以上述之材質為限。該第一基座311底面及該懸臂樑312之 頂面具有一蝕刻過程中遺留下之罩幕層22，該罩幕層22不影響本發明之功能，所以不在此多作說明。 該第一電極層313是由導電之金屬材料或合金所構成，例如金/鉻(Au/Cr)、金/鈦(Au/Ti)、鋁/鉻(Al/Cr)、鋁/鈦(Al /Ti)、銀/鉻(Ag/Cr)、銀/鈦(Ag/Ti)、銅/鉻(Cu/Cr)或銅/鈦(Cu/Ti)等金屬，但實施上不限於上述之組合。 該濕度感測層314是一種可吸收水蒸氣之聚合物薄膜，並可隨濕度高低而改變所吸附之水分含量進而造成長度收縮與伸展，本實施例中該濕度感測層 314是以聚亞醯胺(polyimide)所組成，但實施時不以上述之材質為限。當該濕度感測層314隨濕度高低而收縮與伸展，會致使該懸臂樑312產生 不同程度彎曲。 該橋接板33可使用玻璃、石英或高分子材料(如壓克力、聚碳酸酯或聚二甲矽氧烷)，其具有一形成於其底面的凹槽331，及一披覆於該凹槽331 內並位於該濕度感測層314上方的第二電極層332，該第二電極層332之組成材料與該第一電極層313之組成材料相同，於此不再說明。該第二電極層 332與第一電極層313間保持一距離，而共同形成一電容，且該電容之電容值會隨該懸臂樑312彎曲，致使該第一電極層313與該第二電極層332間之距 離改變時產生變化。該懸臂樑312之數量可依設計之需要而增加，但所有之懸臂樑312頂面上之第一電極層313皆須電性連接在一起，且都須位於該橋接板 33第二電極層332之下方，如此才能形成一電容，故實施上該懸臂樑312之數量 不以一個為限。 該溫度感測單元4用於量測環境溫度，具有一沉積於該第二基座32頂面上之一可感測溫度之變化而產生電阻值變化的電阻塊41，及二分別連接於該電 阻塊41二相反端的導電塊42。其運作原理是藉由該導電塊供給一電流於該電阻塊41之兩相反端，再量測流經該電阻塊41之電壓，由該電壓與電流之比值推算 出該電阻塊41之電阻值。本實施例中，該電阻塊41是由鉑/鉻合金(Pt/Cr)或鉑/鈦(Pt/Ti)所製成，而導電塊42之材質與該第一、第二電極層 311、332之材質相同，就不再多作說明，但實施上不以上述之材質為限。 該處理單元5是一量測電路晶片，具有一電容計51、濾波器52、一訊號轉換器53及一數位訊號處理器54。該電容計51用於量測該第一電極層 313與該第二電極層332間之電容值，並輸出至該數位訊號處理器54。該濾波器52接收該溫度感測單元4輸出之類比電壓值，並過濾該類比輸出電壓訊號， 以降低其中所含有的雜訊值，提高訊號/雜訊(S/N)比值，以增進輸出電壓訊號之精確度。該訊號轉換器53是將該濾波器52輸出之類比電壓訊號轉換為數位 訊號。該數位訊號處理器54是用來接收該電容計51所量測到之電容值，及接收該訊號轉換器53輸出之數位電壓訊號並計算出該電阻塊41之電阻值，由電阻值 推算出之環境溫度，以計算出因溫度變化所造成之電容值漂移量，用於校正實際量測出之電容值，以計算該溫度下之準確濕度值 。 該顯示單元6適用於顯示溫度及濕度值。該電源供應單元7是用於提供該處理單元5及該顯示單元6所須之電源。該顯示單元6及該電源供應單元7為一般常見之電子設備，在此不再多作說明。 針對本發明之功效，以下以測試數據與圖形加以說明與證明：參照圖3，其顯示該處理單元5之電容計51量測該濕度感測單元3之第一、第二電極層 313、332間的電容值時之響應時間圖。當於0秒時，將相對濕度從20%加濕到40%，電容量測值之信號強度由0至1的響應時間為1.10秒。由此可知 該濕度感測單元3對於濕度改變之反應非常快速。 參照圖4，其顯示該電容計51量測出該濕度感測單元3之第一、第二電極層313、332間的電容值與濕度變化之關係，其中電容值(nF)為縱 軸，相對濕度(%)為橫軸。由圖4中可看出在25℃、50℃、75℃等溫度下，其量測曲線皆大致呈線性對應關係，即相對濕度愈高，電容量測值愈高，但量測 之電容值會受到溫度之影響。當溫度上升時其量測曲線斜率亦隨之上升，亦即其量測電容值對濕度之靈敏度是隨溫度上升而提高的。 參照圖5，其顯示量測電容值相對於濕度時之靈敏度與溫度之關係，其中靈敏度(nF/% RH)為縱軸，溫度(℃)為橫軸。分別在25℃、50℃及75℃時，其靈敏度分別為2.03 nF/%R.H.，3.76 nF/%R.H.及7.74 nF/%R.H.。由此可知其靈敏度與溫度之關係是呈現二次曲線關係。也就是說該濕度感測單元3量測出之電容值是須經量測環境之溫度加以補償校正後才能精確得到相對濕度。 參照圖6，其顯示該溫度量測單元之電阻塊41之電阻值與溫度之關係，其中電阻值(ohm)為縱軸，溫度(℃)為橫軸。由圖6中可知該電阻值與溫度之關係呈現良好之線性關係。可由量測得到之電阻值推算出精確之環境溫度。 參照圖7，其顯示該溫度補償後計算出之電容校正值與實際濕度之關係，其中電容校正值(nF)為縱軸，濕度(% RH)為橫軸。而圖8是顯示溫度補償後計算出之電容校正值再推算出之濕度與實際濕度之關係，其中推算出之濕度(% RH)為縱軸，實際濕度(% RH)為橫軸。由圖7及圖8可知溫度補償後計算出之電容值與實際濕度呈現良好之線性關係，推算出之濕度與實際濕度也幾乎相同，由此可知本發明使用該微型感 測器之感測裝置確實可量測到精確之環境濕度。 以下續針對該微型感測器2的製造方法加以說明。 如圖9所示，於一矽、玻璃或石英等材質之基板21，沉積矽氮化物(SixNy)或二氧化矽(SiO2)於該基板21之頂面與底面上作為供蝕刻之罩幕層22。 如圖10所示，以電阻性之金屬沈積(例如：鉑/鉻)於該基板21頂面之罩幕層22的一端部上，而形成該電阻塊41。 如圖11所示，以金/鉻合金為材料，在該電阻塊41之前、後端分別沉積形成該二導電塊42，由於視圖角度的關係在圖11中只見一導電塊42，並同時在於該基板21頂面之罩幕層22的另一端部上沉積形成該第一電極層313。 如圖12所示，於該第一電極層313上塗佈形成該濕度感測層314。 如圖13所示，蝕刻該基板21頂面之兩端部間之罩幕層22及蝕刻該基板21底面之部分罩幕層22，分別形成缺口821、822。 如圖14所示，經由缺口821、822對該基板21進行蝕刻出第一、第二基座311、32，及該懸臂樑312。 如圖15所示，於另一矽、玻璃或石英等材質之基板21表面進行蝕刻，而形成該具有凹槽331的橋接板33。 如圖16所示，以金/鉻合金為材料，於該橋接板33之凹槽331內沉積金屬，而形成該第二電極層332。 如圖17所示，將該橋接板33以其凹槽331朝下地跨接於該懸臂樑部31與該第二基座32之上，使該第二電極層332位於該第一電極層313之上方，而由該第一、第二電極層313、332形成電容。 藉以上步驟便可製成該微型感測器2。 至於本發明之感測裝置的組成，可將該第一電極層313與該第二電極層332以導線接引至一電容計51(可見於圖2)，再由該電容計51電連接至該處理單元5。並將該溫度感測單元4之電阻值訊號輸出至該處理單元5內(可見於 圖2)，即組成該感測裝置。 歸納上述，本發明利用該濕度感測單元3之濕度感測層314，吸收環境濕度中水分，並造成該懸臂樑312彎曲，導致第一、第二電極層313、332 間之電容值改變，再以溫度感測單元4之電阻塊41檢測出環境溫度加以校正補償該電容值因溫度而造成之信號漂移，而得到一與環境濕度呈極佳線性關係之電容 值，再經處理單元5之運算後得到一濕度值並顯示於該顯示單元6上，提供一精確之濕度值，故確實能達到發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及新型說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。 [圖式簡單說明] 圖1是該較佳實施例之微型感測器的立體結構示意圖，並顯示其受一電容計量測的連接關係；圖2是本發明感測 裝置之一較佳實施例的功能方塊示意圖；圖3是該較佳實施例之濕度感測單元的電容量測值與響應時間關係圖；圖4是該較佳實施例在不同溫度下之濕度感測單元的 輸出電容值與相對濕度的關係圖；圖5是該較佳實施例之電容對濕度的靈敏度與溫度之關係圖； 圖6是該較佳實施例之一溫度感測單元之電阻塊的電阻值與溫度之關係圖；圖7是該較佳實施例經溫度補償後之電容校正值與實際濕度之關係圖；圖8是該較佳實施 例經溫度補償後之濕度計算值與實際濕度值之關係圖；及圖9~17是本發明之微型感測器之製造過程示意圖。 |
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種微型感測器，包含：一濕度感測單元，包括：一懸臂樑部，具有一第一基座、一由該第一基座頂面水平往外延伸的懸臂樑、一披覆於該懸臂樑頂面的第 一電極層，及一披覆於該第一電極層頂面並可吸附水分的濕度感測層，且該濕度感測層會隨濕度高低而改變所吸附之水分含量進而造成長度收縮與伸展，致使該懸臂 樑產生不同程度彎曲；一第二基座，水平間隔設置於該懸臂樑部旁；一橋接板，跨接於該懸臂樑部與第二基座上，具有一形成於其底面的凹槽，及一披覆於該凹槽內 並位於該濕度感測層上方的第二電極層，該第二電極層與該第一電極層共同形成一電容，該電容之電容值是隨該懸臂樑彎曲，使該第一電極層與該第二電極層間之距 離改變而產生變化。 2.根據申請專利範圍第1項所述之微型感測器，更包含一溫度感測單元，具有一設置於該第二基座頂面上之一可感測溫度之改變而產生電阻值變化的電阻塊，及二分別連接於該電阻塊二相反端的導電塊。 3.一種感測裝置，包含有：一微型感測器，包括：一濕度感測單元，具有：一懸臂樑部，具有一第一基座、一由該第一基 座頂面水平往外延伸的懸臂樑、一披覆於該懸臂樑頂面的第一電極層，及一披覆於該第一電極層頂面並可吸附水分的濕度感測層，且該濕度感測層會隨濕度高低而改 變所吸附之水分含量進而造成長度收縮與伸展，致使該懸臂樑產生不同程度彎曲；一第二基座，水平間隔設置於該懸臂樑部旁；一橋接板，跨接於該懸臂樑部與第二 基座上，具有一形成於其底面的凹槽，及一披覆於該凹槽內並位於該濕度感測層上方的第二電極層，該第二電極層與該第一電極層共同形成一電容，該電容之電容值 是隨該懸臂樑彎曲，使該第一電極層與該第二電極層間之距離改變而產生變化；一溫度感測單元，具有一設置於該第二基座頂面上之一可感測溫度之改變而產生電阻 值變化的電阻塊，及二分別連接於該電阻塊二相反端的導電塊；一處理單元，具有一電容計、一濾波器、一訊號轉換器及一數位訊號處理器，電容計量測該濕度感測 單元之第一、第二電極層間之電容值的該濾波器接收該溫度感測單元輸出之類比電流值，並過濾該類比輸出電流訊號，以降低其中所含有的雜訊值，該訊號轉換器是 將該濾波器輸出之類比電流訊號轉換為數位訊號，該數位訊號處理器係作為接收該電容計所量測到之電容值，及接收該訊號轉換器輸出之數位電流訊號並計算出該電 阻塊之電阻值，由電阻值推算出之環境溫度，以計算出因溫度 變化所造成之電容值漂移量，用於校正實際量測出之電容值。 4.根據申請專利範圍第3項所述之感測裝置，更包含一供給該處理單元所需電源的電源供應單元。 5.根據申請專利範圍第3項所述之感測裝置，更包含一適用於顯示溫度及濕度值的顯示單元。 6.一種微型感測器的製造方法，包含以下步驟：(A)於一水平平板狀之絕緣基材頂面上之一端部沉積金屬作為一第一電極層；(B)塗佈一可隨濕度變化而 收縮與伸展的濕度感測層於該第一電極層之頂面；(C)於該基材之一端部與另一端部間以蝕刻技術分割，並形成一具有一第一基座與一曲該第一基座頂面往外延伸 之懸臂樑的懸臂樑部，及一與該懸臂樑末端間隔設立之第二基座；(D)於一表面形成一凹槽的橋接板上，進行金屬沉積於該凹槽內，形成一第二電極層；及(E) 將該橋接板以其凹槽朝下跨接於該懸臂樑部與該第二基座之上，使該第二電極層位於該第一電極層之上方，而由該第一、第二電極層形成一電容。 7.根據申請專利範圍第6項所述之微型濕度感測裝置的製造方法，其中，於步驟(A)中，沉積該第一電極層之前，先以可隨溫度而改變電阻值之材料沉積在該基材頂面之另一端部上，而成為一電阻塊，並沉積二分別電連 接於該電阻塊之二相反端的導電塊。 |
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| 十一、圖式： | |
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