[发明专利]CMOS兼容的露点传感器装置和确定露点的方法

说明书

露点传感器装置包括半导体衬底(1)，可以集成在衬底(1)中的珀耳帖元件(2)，温度传感器(3)，在所述衬底(1)上方裸露面(9)处且在所述温度传感器(3)附近的电容器(4)，以及电子电路(5)，电子电路(5)也可以集成在衬底(1)中。所述电容器(4)包括多个电容器元件(40)，每个所述电容器元件(40)具有电容，并且所述电子电路(5)用于单独确定电容。通过在温度递减下电容的变化的测量和在相关温度下的测量来确定露点。

可以通过露点传感器装置测量环境空气的湿度。露点是在恒定气压下的湿空气样品中的水蒸气以与液态水蒸发相同的速率冷凝成液态水的温度。在低于露点的温度下，冷凝速率大于蒸发速率，并且液态水的量增加。冷凝水形成在固体表面时称为露水。露点的测量包括在降低和测量合适表面的温度的同时，检测水滴在该表面上形成的开始，其表示相对湿度为100％。空气湿度根据露点温度获得。

传统的露点传感器装置包括镜子，该镜子可以从高于露点的温度冷却到低于露点的温度，特别是依靠珀耳帖元件。监测镜子的反射率以检测镜子开始变模糊的时刻，并同时测量其温度。如铂电阻器(Pt1000)这样的电阻温度检测器(RTD)可用于此目的。通过检测由镜子反射的光线的光电二极管可以产生取决于镜子反射率的电流。相同强度的第二光线(其不被冷凝水衰减)可以用作控制珀耳帖元件的电流的参考。

WO96/05506A1公开了一种露点传感器，其包括由芯片表面上的叉指式电极形成的微型电容器、与电容器相邻的温度传感器、用于冷却电容器的珀耳帖冷却器、以及微控制器，该微控制器被设置为控制珀耳帖冷却器以将电容器的温度保持在露点附近，并测量由电容器电极上的水的冷凝和蒸发引起的电容变化。

US 6,586,835 B1公开了一种用于向半导体芯片提供加热或冷却的集成电路封装，其包括珀耳帖元件并且不需要改变CMOS处理技术。可以包括电容器或驱动器电路的硅中介层，承载安装为倒装芯片的多个半导体芯片。至少其中一个芯片耦合到金属-半导体结或任何其他合适的珀耳帖结。

US 6,832,523 B2公开了一种露点传感器，其包括半导体衬底和衬底上的膜片。多孔材料区域支撑膜片并使其隔热。膜片上布置有热电偶、叉指式电容器、包括p型掺杂和n型掺杂的印刷电路迹线和金属线的珀耳帖元件、以及电连接到电容器的端子和珀耳帖元件的接触垫。调节珀耳帖元件，以便通过电容器的电容的变化来确定从结露状态到无结露状态的转变，或反之亦然。通过热电偶测量相应的露点。

本发明的一个目的是公开一种尺寸减小且精度提高的CMOS兼容的露点传感器装置和一种确定露点的方法，该方法可以使用这种CMOS兼容的露点传感器装置进行。

这些目的通过根据权利要求1的露点传感器装置和根据权利要求9的确定露点的方法来实现。进一步的实施例和变型可以从从属权利要求中得到。

露点传感器装置包括：半导体衬底、珀耳帖元件、温度传感器和电容器。珀耳帖元件可以集成在衬底中。温度传感器布置在电容器附近，从而可以至少近似地测量电容器的温度。电容器包括多个电容器元件，每个电容器元件具有电容。电容器元件布置在衬底上方的表面处，使得它们可以暴露于气态介质或大气中。电子电路也可以集成在衬底中并且可以特别地包括CMOS电路，该电子电路被配置为单独确定电容。

电子电路被配置为生成一组二进制数字，每个二进制数字对应于电容器元件中的一个并指示该电容器元件的电容是否在预定范围内。对于每个电容器元件，预定范围可以特别包括在电容器的干燥状态下测量到的电容器元件的电容。

在露点传感器装置的一个实施例中，选择预定范围，使得电容器元件之一的任何电容是在干燥状态下测量到的该电容器元件的电容的至少两倍时，在预定范围之外。

在另一实施例中，电子电路还被配置为将在第一温度下生成的一组二进制数字与在第二温度下生成的一组二进制数字进行比较，以及用于确定在第一温度和在第二温度下的相应的二进制数字不同的电容器元件的数量。

另一实施例包括布置在衬底上的顶层，该顶层包括集成电路的布线。电容器布置在顶层的背向衬底的表面处。