电容式传感器制造技术

一种电容式环境传感器和一种利用差分电容测量来确定目标物质(例如水)的存在的方法。传感器包括具有表面的半导体衬底。传感器还包括位于表面上的多个传感器电极。电极在表面上通过中间间隔横向地分隔开。所述传感器还包括覆盖电极的传感器层。所述传感器层具有对目标物质的存在敏感的介电常数。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中包括凹槽。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中不包括凹槽。传感器可以设置在射频识别(RFID)标签中。传感器可以设置在智能建筑物中。

Capacitive sensor

A capacitive type environmental sensor and a method of determining the presence of a target substance, such as water, using differential capacitance measurements. The sensor includes a semiconductor substrate having a surface. The sensor also includes a plurality of sensor electrodes located on the surface. The electrodes are spaced transversely across the surface through the middle. The sensor also includes a sensor layer covering the electrodes. The sensor layer has a dielectric constant sensitive to the presence of the target material. The surface of the substrate includes a recess in an interval separating at least one pair of electrodes. The surface of the substrate does not include a recess in an interval separating at least one pair of electrodes. The sensor can be set up in the radio frequency identification (RFID) tag. Sensors can be set up in smart buildings.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容式传感器
本专利技术涉及电容式环境传感器以及包括该传感器的射频识别(RFID)标签或智能建筑物。本专利技术还涉及利用差分电容测量来确定目标物质的存在的方法。
技术介绍
图1中示出了已知类型的电容式环境传感器。该传感器包括设置在半导体衬底2的表面上的多个电极4。通常，电极4被设置为一系列交叉型指状物。传感器层6覆盖电极。传感器层具有对目标物质诸如水分或气体的存在敏感的介电常数ε。因为电极的电容至少部分地取决于传感器层6的介电常数，所以测量电极的电容可以确定目标物质的存在。根据传感器的敏感度，还可以对目标物质的浓度进行评估。通常，电极4的电容与进入传感器层6的目标物质的量成比例。这种传感器可能会漂移。漂移可以由许多不同的因素引起，例如：衬底2的介电常数的变化(例如由水吸收引起)，其也会对电极4的电容产生影响；在传感器层中除了目标物质之外的物质(本文中称为干扰物)的存在，其会影响传感器层的介电常数并且因此影响电极的电容；与干扰物相关联的相变或化学反应——这些最有可能发生在电极4与传感器层6之间的界面处(“Wateratpolymerinterfaces”，B.D.Vogt，UniversityofAkron，Summerschool2012)，并且导致界面层8的增长，这可能再次影响电极4的电容。为了应对传感器漂移而开发的策略涉及进行电容的差分测量。例如，可以将电极的电容与由对目标物质不敏感的传感器层覆盖的相邻电极集合的电容进行比较。然而，在大多数情况下，工艺和IC尺寸限制不允许在同一管芯上使用不同的功能层，而多芯片实现方式可能由于不同芯片之间的漂移的可变性而不可行。此外，对于某些目标物质，可能无法识别适当的成对的传感器层。在EP1607739A1中描述的可替代方法涉及在具有单个传感器层和多层电极的传感器中进行差分测量，多层电极可以被切换成具有其中进行单独的电容测量的不同的电气构造。电气构造的变化改变传感器内的场线分布。然而，该解决方案经受电极的相对复杂的布局(特别是需要在不同层中提供电极)，这可能增加制造成本并且限制衬底的其他部分中的设计自由度。US8,633,047B2描述了包括衬底的传感器芯片。多个电极元件沿第一水平面布置在衬底上，其中，在相邻的电极元件之间具有至少一个间隙。金属结构沿第二水平面布置在衬底上，其中第二水平面不同于第一水平面。金属结构至少延伸过第二水平面的通过至少一个间隙朝向第二水平面的投影限定的区域。EP1607739A1描述了具有单层电极的示例。然而，如本文中将要说明的，具有单层电极的已知解决方案通常是无效的，因为它们缺乏对目标物质的敏感性。
技术实现思路
本专利技术的各个方面在所附的独立权利要求和从属权利要求中进行了阐述。从属权利要求的特征的组合可以适当地与独立权利要求的特征组合，而不仅仅如权利要求中明确阐述的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电容式环境传感器。该传感器包括具有表面的半导体衬底。该传感器还包括位于表面上的多个传感器电极。电极在表面上通过中间间隔横向地分隔开。该传感器还包括覆盖电极的传感器层。传感器层具有对目标物质的存在敏感的介电常数。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中包括凹槽。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中不包括凹槽。通过在衬底的表面中在电极之间的一些间隔但不是全部间隔中设置凹槽可以将一定程度的不对称性引入到传感器中。这可以使得能够进行差分电容测量，使得降低或消除传感器对除了目标物质的存在之外的一个或更多个因素的敏感度，同时保持对目标物质本身的敏感度。除了目标物质的存在之外的因素可以包括例如衬底的介电常数的变化和/或在电极与传感器层之间的界面处的界面层的存在。在一些示例中，在使成对电极分隔开的不包括凹槽的至少一个间隔中，衬底可以向上延伸成至少部分地填充该间隔。在一些示例中，其中衬底的表面包括凹槽的间隔可以以周期性序列与其中衬底的表面不包括凹槽的间隔交替。凹入的间隔和未凹入的间隔以周期性序列的交替可以增强传感器消除对除了目标物质的存在之外的因素的敏感度的能力，特别是在存在多次重复该序列的情况下更是如此。设想了周期性序列的各种示例。例如，周期性序列可以具有“XYXYX”的形式，其中“X”表示包括凹槽的间隔，并且“Y”表示不包括凹槽的间隔。因此，在该示例中，在每隔一个间隔处设置凹槽。在另一示例中，周期性序列可以具有“XYYXYYX”的形式。因此，在该示例中，在每隔两个间隔处设置凹槽。其中在使至少一对电极分隔开的间隔中，衬底向上延伸成至少部分地填充如上所述的电极之间的间隔(这里由“Z”表示)，还设想以下周期性序列：“XZXZX”；“XZZXZZX”。如本文所使用的，术语“电气构造”用于指代在电容测量期间施加至每个电极的电位。例如，为了进行电容测量，电极中的一些电极可以保持接地，电极中的一些电极可以具有施加至它们的电位，并且电极中的一些电极可以保持浮置。在一个实施方式中，电极可以包括布置在衬底上的多个单独的电极组，每个电极组具有用于在每个电极组之间进行差分电容测量的不同的电气构造。在这样的示例中，差分电容测量可以包括将由第一电极组测量的电容与由第二电极组和/或第三电极组测量的电容进行比较，其中各个电极组设置在衬底的不同区域中。衬底的不同区域可以相邻。在该示例中，电极的电气构造可以固定。在另一实施方式中，同一电极集合可以用于进行差分电容测量。例如，电极能够在多个不同的电气构造之间切换。可以使用微控制器来控制该切换。在一个实施方式中，可以对两个不同电极构造之间的电容的测量进行比较来降低或消除对除了目标物质的存在之外的因素的敏感度。这可能涉及：对处于第一电气构造的电极中的至少一些电极的电容进行第一测量；对处于第二电气构造的电极中的至少一些电极的电容进行第二测量；将缩放因子应用于第二测量以补偿传感器对除了目标物质的存在之外的因素的敏感度，以及通过对第一测量与第二测量之间的差异进行评估来确定目标物质的存在。在一些示例中，这可以扩展到降低或消除对除了目标物质的存在之外的多于一种因素的敏感度。在这样的示例中通常可能需要第三电气构造。这可以涉及：对处于第三电气构造的电极中的至少一些电极的电容进行第三测量；将缩放因子应用于第三测量以补偿传感器对除了目标物质的存在之外的因素的敏感度；以及通过对第一测量、第二测量和第三测量之间的差异进行评估来确定目标物质的存在。应用于第二测量和/或第三测量的缩放因子可以以使得保持对目标物质本身的敏感度的方式降低或消除对除了目标物质的存在之外的因素的敏感度。如本文所说明的，要应用的缩放因子的值可以根据衬底的表面中的凹槽的构造(例如，它们的深度)来确定。可以设想，所进行的测量的数目通常可以超过除了要考虑的目标物质的存在之外的因素的数目。例如，电容式环境传感器能够通过以下步骤操作用于确定目标物质的存在：对相应不同电极构造的电极中的至少一些电极的电容进行多次测量；将缩放因子应用于所述测量中的至少一些测量以补偿传感器对除了目标物质的存在之外的因素的敏感度；以及通过对所述测量之间的差异进行评估来确定目标物质的存在。所进行的电容测量的数目比所补偿的除了目标物质的存在之外的因素的数目多至少两个。通过进行比用于补偿除了目标物质的存在之外的因素所严格需要测量的多的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式环境传感器，包括：具有表面(58)的半导体衬底(52)；位于所述表面上的多个传感器电极(54)，其中，每对相邻电极在所述表面上通过相应的中间间隔横向地分隔开；以及覆盖所述电极的传感器层(56)，其中，所述传感器层具有对目标物质的存在敏感的介电常数，其中，所述衬底的所述表面在使至少一对电极分隔开的间隔中包括凹槽，其中，所述衬底的所述表面在使至少其他一对电极分隔开的间隔中不包括凹槽；并且其中：(a)所述电极包括布置在所述衬底上的多个单独的电极组，每个电极组具有用于在每个电极组之间进行差分电容测量的不同的电气构造；或者(b)所述电极能够在用于进行差分电容测量的多个不同的电气构造之间切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.20 EP 14181602.51.一种电容式环境传感器，包括：具有表面(58)的半导体衬底(52)；位于所述表面上的多个传感器电极(54)，其中，每对相邻电极在所述表面上通过相应的中间间隔横向地分隔开；以及覆盖所述电极的传感器层(56)，其中，所述传感器层具有对目标物质的存在敏感的介电常数，其中，所述衬底的所述表面在使至少一对电极分隔开的间隔中包括凹槽，其中，所述衬底的所述表面在使至少其他一对电极分隔开的间隔中不包括凹槽；并且其中：(a)所述电极包括布置在所述衬底上的多个单独的电极组，每个电极组具有用于在每个电极组之间进行差分电容测量的不同的电气构造；或者(b)所述电极能够在用于进行差分电容测量的多个不同的电气构造之间切换。2.根据权利要求1所述的电容式环境传感器，其中，其中所述衬底的所述表面包括凹槽的间隔以周期性序列与其中所述衬底的所述表面不包括凹槽的间隔交替。3.根据权利要求2所述的电容式环境传感器，其中，在使成对电极分隔开的不包括凹槽的至少一个间隔中，所述衬底向上延伸成至少部分地填充所述间隔。4.根据权利要求3所述的电容式环境传感器，其中，所述周期性序列具有“XZXZX”的形式，其中“X”表示包括凹槽的间隔并且其中“Z”表示其中所述衬底向上延伸成至少部分地填充所述间隔的间隔。5.根据权利要求3所述的电容式环境传感器，其中，所述周期性序列具有“XZZXZZX”的形式，其中“X”表示包括凹槽的间隔并且其中“Z”表示不包括凹槽的间隔。6.根据权利要求2或3所述的电容式环境传感器，其中，所述周期序列具有“XYXYX”的形式，其中“X”表示包括凹槽的间隔并且其中“Y”表示不包括凹槽的间隔。7.根据任一前述权利要求所述的电容式环境传感器，其能够通过以下步骤操作用于进行差分电容测量以确定所述目标物质的存在：对处于第一电气构造的电极中的至少一些电极的电容进行第一测量；对处于第二电气构造的电极中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：希尔科·苏伊，佐兰·日夫科维奇，弗朗西斯库斯·彼得鲁斯·威德斯霍芬，内博伊沙·内纳多维奇，
申请(专利权)人：ams国际有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH