專利名稱：電容性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容性傳感器。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域已知電容性傳感器用于檢測諸如濕氣、氣體或其它液體的存在。圖1和2 示出了兩種已知類型的電容性傳感器。圖1中的電容性濕氣傳感器10包括襯底2上的一對電極4。電極4充當(dāng)電容器極板，被濕氣敏感材料6和金層8覆蓋。濕氣敏感材料6隔離兩個(gè)電極4，并且具有可變介電常數(shù)。具體地，濕氣敏感材料6的介電常數(shù)響應(yīng)于暴露給水蒸氣而改變。通過測量傳感器10的兩個(gè)電極4的電容，可以檢測水蒸氣的存在，還可以作出關(guān)于周圍環(huán)境的濕氣的某些判決。圖2所示的電容性濕氣傳感器10以與參考圖1的描述類似的方式操作。傳感器 10包括兩個(gè)電極4，其也充當(dāng)電容器極板。電極4包括放置在襯底2 (例如半導(dǎo)體襯底)的表面上的金屬軌道，并且設(shè)置有連接焊盤12。如圖1所示，電極4覆蓋有濕氣敏感材料14， 其具有響應(yīng)于水蒸氣的存在而改變的介電常數(shù)。在圖2的傳感器10中，電極4采用所謂蜿蜒圖案，以增加其表面積。具體地，電極 4的圖案是多個(gè)交叉(interdigitated)手指的形狀，以增加它們的表面積重疊。這些特征提高了傳感器10的靈敏度，允許它測量更小級(jí)別的濕氣。雖然圖2中的傳感器10的靈敏度比圖1中的器件的靈敏度有所提高，但在電容性傳感器領(lǐng)域，仍然希望提供具有更大靈敏度的器件。

發(fā)明內(nèi)容
所附獨(dú)立和從屬權(quán)利要求列舉了本發(fā)明的多個(gè)方面。從屬權(quán)利要求的特征的組合可以適當(dāng)?shù)嘏c獨(dú)立權(quán)利要求的特征相組合，而并不僅限于權(quán)利要求書中列舉的情況。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種用于檢測物質(zhì)的存在的電容性傳感器，所述傳感器包括多個(gè)直立導(dǎo)電柱，布置在傳感器的第一層中；連接到第一組所述柱的第一電極；連接到不同的第二組所述柱的第二電極；以及用于響應(yīng)于所述物質(zhì)的存在而改變第一和第二組柱的電容的電介質(zhì)材料。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例提供充當(dāng)電容器極板的直立導(dǎo)電柱允許根據(jù)應(yīng)用需要更加精確地調(diào)整傳感器的靈敏度。例如，可以以圖1和2所示的那種傳感器設(shè)計(jì)所不能實(shí)現(xiàn)的方式，精確地確定柱在傳感器的第一層中的分布和間隔，以滿足應(yīng)用要求。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電柱可以包括半導(dǎo)體襯底中的多個(gè)過孔，填充有諸如鎢等導(dǎo)電材料。這種過孔的制造是常規(guī)工藝，因此，根據(jù)本實(shí)施例的電容性傳感器可以使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝步驟來制造。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的傳感器可以容易地集成到現(xiàn)有IC制造工藝中，而無需引入或開發(fā)新的非常規(guī)工藝步驟，并且無需使用附加掩膜?？梢詫㈦娊橘|(zhì)材料置于第一層中的導(dǎo)電柱之間。但是，電介質(zhì)材料也可以設(shè)置在獨(dú)立的第二層中。第二層可以與第一層相鄰(在其上方或下方)。在該實(shí)施例中，另一電介質(zhì)材料(例如氧化物)可以位于第一層中的柱之間。這允許在傳感器的制造中使用簡單直接的工藝，其中在添加電介質(zhì)層之前，可以很容易地對包含導(dǎo)電柱的第一層平面化(例如使用CMP步驟)。第一和第二電極連接到柱，以定義第一和第二組。這些電極可以采取多種不同配置。例如，可以在同一層中提供電極，并且對其給予圖案以定義兩個(gè)組。或者，電極可以占用傳感器中的不同層，這降低了所需構(gòu)圖的難度(例如，電極在某種程度上可以重疊)。如上所述，可以根據(jù)應(yīng)用需要來選擇導(dǎo)電柱的分布。在一種示例性分布中，第一組和第二組柱布置成行。所述行可以是交替行。例如， 行可以交叉。在一個(gè)實(shí)施例中，每行中的柱可以相對于相鄰行中的柱偏移，從而允許調(diào)節(jié)器件的靈敏度。在另一示例分布中，可以以棋盤多邊形的規(guī)則陣列來布置柱，其中第二組的柱位于每個(gè)多邊形的角上，第一組的至少一個(gè)柱位于每個(gè)多邊形的靠近中心的位置處。通過用第二組的柱圍繞第一組的柱，可以最大化傳感器的靈敏度。例如，規(guī)則的陣列可以是六角形陣列或矩形陣列。六角形陣列將允許第一層中柱的最高填充密度。在一些示例分布中，第一組中的柱的最近的每個(gè)鄰居可以包括第二組中的柱。第一組中的柱的次近的每個(gè)鄰居可以包括第二組中的柱。可以根據(jù)應(yīng)用要求選擇用于改變第一和第二組柱的電容的電介質(zhì)材料。僅作為示例，在食品包裝領(lǐng)域，通過檢測諸如H2O (濕氣)、CO2, 02、乙烯和NH3的存在來確定容器中食物的狀況是有用的。通過選擇合適的電介質(zhì)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的傳感器可以被調(diào)整用于檢測一種或多種此類物質(zhì)。合適的電介質(zhì)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種射頻標(biāo)識(shí)(RFID)標(biāo)簽，包括上述傳感器。


下面參考附圖，僅以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中相似的附圖標(biāo)記關(guān)聯(lián)相似的元素，其中圖1示出了已知類型的電容性傳感器；圖2示出了另一已知類型的電容性傳感器；圖3-7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容性傳感器；圖8-11示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電容性傳感器；圖12-14示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電容性傳感器的備選布局。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的第一示例實(shí)施例如圖3-7所示。在該示例中，電容性傳感器20被構(gòu)造為半導(dǎo)體襯底22中的一系列層。如圖3所示，這些層包括柱層對。柱層M包括電介質(zhì)層，其中分布有多個(gè)導(dǎo)電柱。下面參考圖4到7描述柱層M中的柱的布置。
傳感器20中的層還包括電極層31，其具有第一電極觀、第二電極30和電介質(zhì)32， 電介質(zhì)32把第一電極觀與第二電極30分開。如下所詳述的那樣，第一電極觀和第二電極30均連接到在傳感器20的柱層M中提供的導(dǎo)電柱的相應(yīng)組。該示例中的柱層與電極層31相鄰。如圖3所示，傳感器20還包括電介質(zhì)層沈，其對于傳感器20要檢測的物質(zhì)的存在敏感。具體地，電介質(zhì)層沈(設(shè)置為與在相鄰的柱層對中設(shè)置的導(dǎo)電柱相鄰近)被配置為響應(yīng)于要檢測的物質(zhì)的存在而改變柱層中第一和第二組柱的電容。以此方式，通過測量柱層M中第一和第二組柱的電容，可以確定要檢測的物質(zhì)的存在，還可以估計(jì)存在的物質(zhì)的量或濃度。電介質(zhì)材料改變柱層M中第一和第二組柱的電容的機(jī)制一般包括物質(zhì)擴(kuò)散到電介質(zhì)層沈中，從而改變電介質(zhì)層沈的介電常數(shù)。由于電介質(zhì)層被設(shè)置為鄰近柱層M中的導(dǎo)電柱，電介質(zhì)層26的介電常數(shù)的改變進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)電柱組之間的電容改變。使用具有可變介電常數(shù)的電介質(zhì)材料檢測物質(zhì)的存在是本領(lǐng)域已知的，此處不作進(jìn)一步詳述。但是，如上所述，電介質(zhì)層26中使用的實(shí)際材料可以根據(jù)要檢測的物質(zhì)來選擇。表1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例可以檢測的幾種物質(zhì)，以及可以在電介質(zhì)層26中使用以檢測這些物質(zhì)的幾種備選的材料。表 權(quán)利要求
1.一種用于檢測物質(zhì)的存在的電容性傳感器，該傳感器包括 多個(gè)直立導(dǎo)電柱，布置在傳感器的第一層中；連接到第一組所述柱的第一電極； 連接到不同的第二組所述柱的第二電極；以及用于響應(yīng)于所述物質(zhì)的存在而改變第一和第二組柱的電容的電介質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中導(dǎo)電柱包括半導(dǎo)體襯底中的多個(gè)過孔，所述過孔填充有導(dǎo)電材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中電介質(zhì)材料位于傳感器的第二層中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中第二層與第一層相鄰。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，還包括位于第一層中的柱之間的電介質(zhì)材料。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中第一電極和第二電極占用傳感器中的不同的層。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中第一組和第二組柱布置成行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中第一組柱的行與第二組柱的行交叉。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中每行中的柱相對于相鄰行中的柱偏移。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中柱布置成棋盤多邊形的規(guī)則陣列， 其中來自第二組的柱位于每個(gè)多邊形的角上，至少一個(gè)第一組的柱位于每個(gè)多邊形的靠近中心處。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器，其中棋盤多邊形的規(guī)則陣列包括六角形陣列，其中來自第二組的柱位于每個(gè)六角形的角上，至少一個(gè)第一組的柱位于每個(gè)六角形的靠近中心處。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器，其中棋盤多邊形的規(guī)則陣列包括矩形陣列，其中來自第二組的柱至少位于每個(gè)矩形的角上，至少一個(gè)第一組的柱位于每個(gè)矩形的靠近中心處。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中第一組中的柱的每個(gè)最近鄰居包括第二組中的柱。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中第一組中的柱的每個(gè)次近鄰居也包括第二組中的柱。
15.一種射頻標(biāo)識(shí)標(biāo)簽，包括根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器。
全文摘要
一種用于檢測物質(zhì)的存在的電容性傳感器，包括多個(gè)直立導(dǎo)電柱，布置在傳感器的第一層中；連接到所述柱的第一組的第一電極；連接到所述柱的不同的第二組的第二電極；以及用于響應(yīng)于所述物質(zhì)的存在改變傳感器的電容的、布置為與柱相鄰的電介質(zhì)材料。
文檔編號(hào)G06K19/07GK102162804SQ20101059815
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者奧瑞利·休伯特, 尤里·維克多諾維奇·波諾瑪廖夫, 羅?！み_(dá)門, 馬庫斯·J·H·范達(dá)綸, 馬蒂亞斯·梅茲 申請人:Nxp股份有限公司