Humidity sensors have a wide range of application for commercial and industrial use. Recently, smartphones began to include humidity sensors for ambient weather monitoring and thus the market size of humidity sensors will only grow in the future. Unfortunately, it is difficult to implement a humidity sensor in a standard CMOS technology, as humidity is not an electric signal nor does it change the property of CMOS like temperature. Thus, past humidity sensors require either MEMS or a special humidity-sensitive layer, usually made of polyimide, which is added on to a traditional CMOS IC. Although there are reports that polyimide layer could be obtained as part of passivation layer in a CMOS process, it is not a material that is available in any CMOS process.
In this paper, we present a humidity sensor that exploits the surface conductivity of SiO2 that is sensitive to relative humidity. This is in contrast to previous works that rely on humidity-induced change in capacitance or thermal conductivity. Since SiO2 is used in all CMOS processes, the proposed humidity sensor can be manufactured in any CMOS process without requiring post-processing, MEMS or any humidity-sensitive materials.
Surface conductance of SiO2 between two metals is exponentially related to relative humidity, due to the hopping process of electrons between places where adsorption of water molecules occurs on SiO2. The chip has been fabricated in a 5-metal 0.25um standard CMOS mixed signal process on an MPW shuttle. To expose the SiO2 surface into air, a pad-open layer is used in the layout process of the design. No post-processing of any sort was used and the chips were not specially treated by any means. The area occupied by the electrodes is 730um x 700um. The circuits are placed underneath the electrodes. 9 chips were tested and characterized from 30 %RH to 100 %RH in a regulated temperature of 23.5+_1oC. The chip-to-chip variation is between +_3.5% for full operating range of humidity.
습도센서는 적절한 습도가 필요한 모든 환경에서 습도를 측정하고 유지시키기 위해 사용된다. 상업적 및 산업적으로 이용가치가 크고 다양한 분야에서 이용되고 있다. 최근에는 그 필요성이 더 부각되고 있으며 스마트폰에도 부착되어 일반 이용자들에게도 접근성이 매우 확대되고있다. 근래에 제조되는 습도센서의 약 75%가 값이 싸다는 장점으로 인해 전기적인 출력을 내는 습도센서로 만들어지고 있다.
기존에 모든 전기적 습도센서는 습도에 반응하는 물질과 CMOS공정을 이용하여 제조된 readout회로로 이루어져있다. readout회로는 Standard CMOS공정을 통해 얻어지지만 습도에 반응하는 물질은 Standard CMOS공정에서 쉽게 얻을 수 없기 때문에 특별한 후처리 공정을 통해 얻어진다. MEMS공정이나 특별한 종류의 습도측정물질을 이용하는 과정에서 값이 제작에 드는 비용과 노력이 매우 상승하게 된다.
본 연구에서는 기존에 사용하던 특별한 종류의 습도측정물질을 사용하지 않고 습도에 따라 변하는 표면전도성을 CMOS IC의 표면에서 측정함으로써 습도센서를 구현한다. 이로써 추가적인 공정이 전혀 필요없고 Standard CMOS공정만으로 습도센서의 제작이 가능하며, 성능과 칩의 크기등을 기존 것들과 비슷하게 가져가면서도 제작비용을 현저히 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
프로토타입은 5-metal 0.25um의 Standard CMOS공정을 통해 제작되었다. 후처리 공정이 전혀 없이 정상동작하는 것을 측정을 통해 확인하였다. 칩의 크기는 730um x 700um이고, 모든 readout회로가 표면 저항의 역할을 하는 탑 메탈 아래에 설계되었다. 9개의 칩이 30%RH ~ 100%RH에서 측정되었으며 약 +_3.5%RH의 칩 간 오차를 보였다.
