CN101842689B - 基于暴露材料的渐进腐蚀的湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感测例如湿度之类的环境特征的传感器。所述传感器具有带有条带的衬底，所述条带由对因所述特征导致的腐蚀敏感的材料制成。所述条带被配置为对所述特征进行不同的响应。通过重复测量所述条带的电阻，可以在对所述特征的累积暴露方面监控所述环境。所述条带以半导体技术制造，从而产生行为可预测的精确传感器。

Description

基于暴露材料的渐进腐蚀的湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种包括用于感测传感器的环境特征，例如湿度或污染(例如尘埃或如氨等特定化合物)，还涉及一种感测该特征的方法。

背景技术

湿度感测在包括监控药品、生物医药、食品/饮料贮存以及物流、电子、汽车和半导体工业在内的许多工业应用中极其重要。例如，对于食品监控应用而言，由于过度的含水量可能导致过早变质，因此为了监控产品质量，测量包装内的相对湿度是必要的。在这样的应用中，传感器的微型化也是一个关键要素。

目前，市场有售的大多数湿度传感器是电容性传感器。这样的传感器使用介电常数作为相对湿度的函数而改变的材料，并且记录电容的相应改变。然而，在大多数情况下，电容对相对湿度的依赖关系不是线性的，并且由于在除湿工艺期间湿敏膜中较慢的扩散时间，在高湿度值下通常具有大的迟滞。

电容性传感器的一种可选替代是电阻性传感器。其基本配置与电容性湿度传感器相同，但介电层被电导率取决于绝对或相对湿度值的导电层所替代。在这种情况下，湿度测量迟滞仍是一个问题，如果不是连续地使用传感器则尤其如此。传感器的长期稳定性仅可以通过连续操作和注意维护得到确保。在例如工业应用中，在传感器使用前的搁置期是一个未知因素。

可由例如以下专利公开了解湿度传感器，此处并入了所有这些专利公开作为参考。

CN1455250公开了一种传感器，包括：衬底、氧化层和电容电极。氧化层位于衬底上，带有引线的电容电极位于氧化层上。电容电极由适合于制备标准CMOS的技术的材料制成。在电容电极上设置钝化层。铝阳极的梳型平行结构提高了电容的感测值。接地的衬底消除外部干扰，以提高精度。沉积的钝化层防止电极受到由聚酰亚胺吸收的水蒸气的腐蚀。使用梳型平行多晶硅制备的加热电路使解吸附时间变短。该配置提供了高灵敏度、线性特性、良好迟滞以及长期可靠性的优势。

JP2002062252提出了所要解决的问题：快速并且廉价地实时诊断具有金属部分的器件的寿命和退化程度，以提供器件维护的方案。该文献提出了一种具有用于测量环境中环境因素的环境传感器组的系统(其中所述器件安装有金属部分)，用于监控传感器输出的诊断客户端，用于基于从诊断客户端经由互联网发送来的传感器输出来估计寿命和退化程度，以经由互联网向诊断客户端提供其中的诊断结果和方案的诊断服务器，以及以诊断所需的数据组累积的诊断数据库。

美国公开专利申请20060213264教导了以下内容。传统上，为了避免电子器件凝露以及由其中的水冷系统导致的短路，电子器件包括凝露传感器，用于检测引起反馈控制信号被发送用于驱动激励器的蒸汽饱和。然而，传统凝露传感器的特征曲线过于平滑，以至于当湿度在89-90％的相对湿度之间时无法检测凝露反应。此外，由于利用集成电路工艺由金属氧化物制成的传统凝露传感器价格高昂，在某些低成本的电子器件中无法广泛使用传统凝露传感器。提出了另一种凝露传感器。该凝露传感器包括具有至少两个电极的衬底、至少两个梳状电极以及检测层。所述梳状电极接触衬底上的两个电极，并且所述检测层包括在梳状电极上形成的纤维素衍生物。为了检测湿度，凝露传感器的两个电极通过夹紧装置紧固并连接至万用表。利用标准温度-湿度控制器确定温度和湿度。在稳定了凝露传感器后，输出凝露传感器的电极间的阻抗。

美国专利4,965,698公开了一种带有介电膜核心的电容湿度传感器，介电膜核心与接合至所述核心反面的一对聚合导电层接触。介电核心由具有随湿度实质上呈线性变化的介电常数的聚合材料(如聚酰亚胺或聚乙二酰酸)制成。所述导电层由具有分散在其中的导电粒子(如碳粒子)的聚合材料制成。同那时常用的金属膜相比，这样的导电层提供了更好的性能和抗腐蚀性。

发明内容

发明人提供了对上述湿度传感器中已知传感器的可选替代。他们的见解基于Xue-Yan Lin和Ji-Gao Zhang的公开“Dust corrosion”，ElectricalContacts，2004，Proceedings of the 50^th IEEE Holm Conference on ElectricalContacts and the 22^nd International Conference on Electrical Contacts，公开于2004年9月20-23日，第255-262页。该公开涉及对一般性腐蚀(又称均匀腐蚀)的研究。一般性腐蚀是最常见的腐蚀类型之一。其以大致相同的速率破坏材料的整个表面，使材料变薄。控制一般性腐蚀相对简单。然而，如果不进行控制，金属表面继续变薄直至消失。该公开教导了，集成电路中特征的腐蚀对电路环境的相对湿度和化学污染的特征依赖关系。该公开的结论是，为了确保集成电路的无瑕疵操作，最好控制湿度。

目前，发明人颠倒了腐蚀的概念，并提出使用特征依赖关系作为参考，以测量或监控电路环境的特征，例如相对湿度和/或空气传播的尘埃中化学物质的存在等。更具体地，发明人提供了一种包括传感器的器件，所述传感器用于感测传感器的环境特征。所述传感器具有带有条带的衬底，条带由对因所述特征导致的腐蚀敏感的材料制成。所述条带被布置在用于测量所述条带的阻抗的两个触点之间。

通过随时间两次或更多次测量所述条带的电阻，可以基于测量的不断增加电阻来估计腐蚀率。此时，这些累积的测量表示传感器的材料暴露于环境的历史日志。

所述传感器的实施例使用材料的腐蚀特征来跟踪大气中的含湿量。确实，腐蚀取决于含水量。Lin和Zhang的公开的图13给出了这样的依赖关系的示例。他们的图13示出了在约10％和90％间的相对湿度范围内腐蚀率对相对湿度的大致线性依赖关系。腐蚀率被定义为引起腐蚀的尘埃粒子数量除以单位面积尘埃粒子的总数。作为腐蚀的结果，材料将逐渐变薄，使得有可能通过每隔一段时间测量由这样的腐蚀材料制成的电极的电阻增量，来估计含湿量或湿度历史。这样的传感器元件的最重要的优点是，由于在操作期间以与传感器的周围大气中的绝对湿度成正比的速率简单地消耗导电材料，这样的传感器元件完全不存在迟滞。

易受腐蚀并且适于本发明的传感器中使用的材料包括：例如镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铁(Fe)、钴(Co)或银(Ar)等，或者也可以在本发明的传感器中使用常用于实现集成电路处电触点的其他材料(例如铝(Al))。

本发明的另一实施例涉及如上指定的器件，其中，所述传感器包括至少另一条带，所述至少另一条带由对腐蚀敏感的另一种材料制成，并被布置在用于测量所述另一条带的阻抗的两个其他触点之间，并且，所述条带和所述另一条带被配置为，具有对所述特征进行不同响应的阻抗。

在该实施例中，使用其电阻对所述特征进行不同响应的多个条带。例如，所述条带具有不同大小的暴露于所述环境的表面，但它们的相应触点间的路径长度相同。腐蚀将较快显著影响其触点间路径较窄的条带的欧姆电阻。假定条带由化学上相同的材料制成，则具有最窄路径的条带通常比具有较宽路径的另一条带先失效。作为另一示例，所述条带的材料在化学上不同。此时，与由具有较低敏感度的材料制成的条带的电阻相比，对腐蚀具有较高敏感度的条带的欧姆电阻将较快受到影响。作为另一示例，所述条带具有不同的厚度。条带的厚度是在例如沿与其暴露于环境的表面垂直的方向条带的维度这一上下文中定义的。假定条带由化学上相同的材料制成并且是几何均匀的，则较薄的条带将比较厚的条带先失效。然而，为了使得这样的实现在经济性方面具有吸引力，这可能需要半导体制造工艺中过多的工艺步骤。

相应地，在具有多个条带的传感器中，可以针对每个单个条带选择几何维度和/或材料，从而适应传感器的期望目的。可以改变的另一特征是条带的路径长度。在示例实施例中，条带的形状被设置为在其触点间具有最短路径。例如，在成对的等距触点间平行布置多个条带。在另一实施例中，所述条带在其触点间具有曲折的路径，从而出现在较大区域上。在该情况下，条带相对于衬底的位置与腐蚀驱动的传感器的条带的功能性的相关性变小。可以用形状均匀的路径来形成多个条带。

优选地，以半导体技术工艺，例如电镀、化学汽相沉积、光刻步骤、蚀刻等，来制造所述条带。采用这种方式，可以使用成熟并且最优化的制造技术来创建可以精确校准的高度可预测的产品。

示例实施例使用具有不同大小的电极的阵列。根据需要感测能力的时刻，腐蚀过程可能已经开始。然而，采用该结构中的不同大小，仍可以找到具有最优敏感度的最佳电极(最薄但未完全腐蚀的线)。监控至少两个电极的电阻以确保纠错的连续性和可能性从而改进灵敏度是有利的。如果不仅监控湿度水平的变化还需要测量实际的湿度水平，则在监控开始的时刻需要校准传感器。

本发明中的传感器可以作为被动器件实现，即为了确定腐蚀程度，使用外部器件对该器件进行测量。可选地，本发明的传感器包括在想要监控腐蚀进程的时段期间保持电激活的电路。当电极由于腐蚀而损坏时，传感器产生将被外部代理(如人类操作员)检测到的警报信号。在又一实施例中，本发明的传感器在RFID(射频标识)器件中使用。RFID技术是用于经由应答器远程获取数据的众所周知的方法。此时，本发明的RFID器件被配置为，在由远程阅读器读出时，传输与腐蚀进程有关的信息，和/或在已经超过预定阈值的情况下产生警报。

可以测量另一种阻抗(例如电感或电容)而不是欧姆电阻，只要该阻抗受暴露于环境的材料的腐蚀的影响。例如，通过远程代理产生的电磁场来激励电感。正在将这样的方法与附着在商店中的商品上的标签一起使用。商店出口处的门产生电磁场，该电磁场使内嵌于标签中的电路内的电感器产生入射场的另一谐波。该较高谐波场被门感测到，门于是触发警报。现在，在本发明的上下文中，带有某些改变地应用该情形。即，发射机产生电磁场以激励如上所述传感器中的条带制成的一个或多个电感器。接收机接收电感器对以该场进行的激励的响应。如果一个或更多个条带已经由于暴露于环境而被充分腐蚀，传感器的响应将相应地改变。再次，此时该响应(或不存在)指示对传感器环境的累积的暴露。因此，虽然贯穿本文使用了“欧姆电阻”的表述，但所属领域技术人员理解，电感或电容是可选量，其测量值指示因长期暴露于环境而导致的腐蚀积累。

本发明还涉及一种感测环境特征的方法，该方法包括：使用对因所述特征导致的腐蚀敏感的材料；测量所述材料的阻抗，作为指示所述材料暴露于所述环境的量。在这样的方法的实施例中，使用对腐蚀敏感的另一种材料。所述材料和所述另一种材料被配置为具有对所述特征进行不同响应的阻抗。所述方法包括：在至少两个不同时刻测量所述材料和所述另一种材料的阻抗。然后，将所述测量与预先准备的校准或参考信息进行比较，以查看腐蚀已经进展到何种程度。这样的方法与本发明的专业应用尤其相关。

附图说明

以示例的方式并且参照附图，更详细地阐述本发明，附图中：

图1是示出了腐蚀率对相对湿度的大致线性依赖关系的图；

图2-10是本发明的传感器配置的示例的图。

在附图中，用相同的参考标记表示相似或对应的特征。

具体实施方式

图1是示出了针对如20℃～30℃间的温度而测量的腐蚀率(以百分比表示)和相对湿度(以百分比表示)之间的关系。该图基于上述Lin和Zhang的公开。在相对湿度范围内这种以来关系大致是线性的。

图2是根据本发明的湿度传感器中使用的对腐蚀敏感的材料的不同大小的条带202、204、206、208和210的阵列200的图。在衬底212上形成条带202-210。典型地，利用光刻暴露和干蚀，以半导体工艺(例如CMOS)在半导体材料(例如硅)衬底上制造阵列200。形成条带202-210的材料包括例如以用于形成互连的工艺用传统方式沉积的金属。优选地，用另一金属(未示出)填充条带202-210间的空间，所述另一金属对腐蚀的敏感度远低于形成条带202-210的金属。这使得条带202-210的上表面暴露于腐蚀之下，直至金属一直向下被腐蚀至衬底212，例如一直向下或横向(自条带的边缘起，在图中从左到右和从右到左)。

图3示出了其中条带202-210连接至焊盘302、304、306、308、310、312、314、316、318和320的相应对的阵列200。腐蚀影响条带202-210中任一个的电阻。条带的上表面收集湿气以及空气传播的特定化学物质(例如在上表面上收集的尘埃中的化学物质)使得上表面退化，直至腐蚀侵蚀完条带的材料。当暴露于尘埃和湿气时，条带的电阻随时间改变。现在，假定条带202-210的组合的上表面均匀暴露于腐蚀，通过如图所示在条带202-210的上表面处赋予其不同的面积，和/或从衬底212向上测得的不同的厚度，可以预先设置条带202-210无法正确导电的顺序。相应地，从更敏感的条带开始，条带202-210依次失效，在本例中，条带210是条带202-210中较窄的一个。图4示出了上述情况，其中，条带210的材料在位置402和404处已经消失，使得焊盘318和320间的电流中断。

如果焊盘302-320连接至实质上连续或重复测量每个条带的电阻的电路(未示出)，则累积的电阻测量表示暴露于湿度的历史。所述电路可以是容纳阵列200的传感器的一部分，或者可选地，可以是位于传感器外部的器件，传感器则提供与所述电路相连的适当接口。

图2-4示出了实施例，其中矩形条带202-210平行布置。可以采用其他空间配置，例如，以至少部分消除暴露于腐蚀对衬底212处条带的位置的可能的依赖关系。图5、6和7分别示出了这样的配置500、600和700的示例，仅以两个条带202和204示出每种配置，以免使图不明确。配置500示出了在衬底212上曲折的条带202和204。配置600示出了以同心方式布置的条带202和204。在配置500中，在其相应的触点间，条带202和204具有相同的路径长度。在配置600中，条带202和204具有不同的路径长度。可以通过例如保持相同宽度或者甚至令较长的条带具有较宽的路径，来将它们暴露于腐蚀的表面面积制造得有所不同。可选地，可以通过对较长条带赋予按比例较窄的宽度，来将它们的暴露表面制造成相同的。配置700使用交织或叉指的布局，其中电极202和204中的每一个形成梳形结构，与对方的梳形结构形成网状。当需要相对较长的条带或当每个条带应当覆盖管芯212的相对较大的表面面积时，可以采用配置700。

图8示出了条带202-206平行布置的配置，条带202-206具有均匀的长度和宽度但具有不同的厚度(沿垂直于衬底212的方向测量)。条带202位于衬底212上，而较低的基底802被设置在衬底212和条带204之间，较高的基底804被设置在条带206和衬底212之间。此处，条带202-206之间的空间被示为空，但包括与操作使用传感器时条带202-206的材料相比对腐蚀敏感度较低的材料。这样的配置可以用例如半导体制造技术来实现。

在前面的图2-8中，衬底212被示为与条带202-210相比相对较小，但这仅仅是为了方便。衬底212可以较大，以容纳附加的电气或电子电路。

在图9中，针对本发明的传感器示出了器件900。器件900包括上述配置200。为了避免使图不明确，此处未单独示出配置200中的条带。器件900配备了接口902(例如电流接口)，用于将外部测量装置(未示出)(例如万用表)连接至配置900中的每个条带。在适当的长时间间隔之间对每个单独条带的电阻进行重复测量给出了对条带的材料的渐进腐蚀以及由此对累积暴露于传感器环境的腐蚀影响的洞悉。所述测量可以包括：每次进行测量时，将测量装置的连接器手动连接至接口902。可选地，在作为传感器的器件900的操作使用期间，测量装置(未示出)保持连接至接口902。在不同时间间隔之间，测量装置自动并重复测量所述条带的电阻，并且可能在存储器(未示出)中存储测量结果。可选地或附加地，当最近的测量匹配预先设置的条件时，测量装置产生信号。此时，信号是对人类操作员或自动器件的指示，以对该特定器件针对其进行环境监控的产品采取行动。例如，一旦对环境的累积暴露已达到由最近的电阻测量表示的预定水平，就将该产品从类似产品的存货中清除。

图10示出了采用更加集成的方式的配置1000。现在，在衬底212上容纳了附加电路1002，用于连续或重复测量配置200中的条带的欧姆电阻。电路1002处理这些测量，以产生表示测量的数据或信号。在实施例中，例如如果电路1002断定最近的测量指示对环境的累积暴露已经达到特定水平，则有条件地产生该数据或该信号。将由电路1002产生的数据或信号经由适当的接口1004(例如经由RF接口)提供给位于配置1000外部的代理。优选地，例如在多个这样的配置900被用于跟踪多个产品的暴露或跟踪在特定室内或空间内的多个位置处的暴露的情况下，该数据或信号还携带配置1000的标识。因此，配置1000自主操作并且需要电源。该电源是内置的，或者可选地使用例如入射的电磁辐射作为电源，以在配置1000处本地产生电源。

总之，本发明的传感器感测环境特征(例如湿度)。所述传感器具有带有条带的衬底，所述条带由对因所述特征导致的腐蚀敏感的材料制成。所述条带被配置为对所述特征进行不同的响应。通过重复测量所述条带的电阻，可以在对所述特征的累积暴露方面监控所述环境。所述条带以半导体技术制造，从而产生行为可预测的精确传感器。

Claims (11)

1.一种包括传感器(200、500、600、700)的器件，所述传感器用于感测传感器的环境特征，其中：

所述传感器具有带有条带(202)的衬底(212)，所述条带(202)由对因所述特征导致的腐蚀敏感的材料制成；

所述条带被布置在用于测量所述条带的阻抗的两个触点之间；

所述传感器包括至少另一条带(204、206、208、210)，所述至少另一条带(204、206、208、210)由对腐蚀敏感的另一种材料制成，并被布置在用于测量所述另一条带的阻抗的两个其他触点之间；

所述条带和所述另一条带被配置为具有对所述特征进行不同响应的阻抗。

2.根据权利要求1所述的器件，其中：

所述条带的所述触点间的路径长度与所述另一条带的所述其他触点间的另一路径长度实质上相同；并且

所述条带和所述另一条带暴露于所述环境的区域具有不同的大小。

3.根据权利要求1或2所述的器件，其中：所述材料和所述另一种材料在化学上相同。

4.根据权利要求1或2所述的器件，其中：所述材料和所述另一种材料在化学上不同。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的器件，其中：从所述衬底至暴露于所述特征的所述条带和所述另一条带的相应表面来测量，所述条带和所述另一条带具有不同的厚度。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的器件，其中：所述特征包括湿度。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的器件，其中：所述条带被配置为：在所述两个触点间形成比所述触点间的最短路径更长的路径。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的器件，其中：所述条带被配置为：在所述两个触点间形成路径，所述路径为所述触点间的最短路径。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的器件，其中，所述条带是以半导体技术工艺制造的。

10.一种感测环境特征的方法，所述方法包括：

使用对因所述特征导致的腐蚀敏感的材料；

测量所述材料的阻抗，作为指示所述材料暴露于所述环境的量；

使用对腐蚀敏感的另一种材料；

所述材料和所述另一种材料被配置为具有对所述特征进行不同的响应的阻抗。

11.根据权利要求10所述的方法，包括：

在至少两个不同时刻测量所述材料和所述另一种材料的阻抗。

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