CN102162804A - 电容性传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测物质的存在的电容性传感器，包括：多个直立导电柱，布置在传感器的第一层中；连接到所述柱的第一组的第一电极；连接到所述柱的不同的第二组的第二电极；以及用于响应于所述物质的存在改变传感器的电容的、布置为与柱相邻的电介质材料。

Description

电容性传感器

技术领域

本发明涉及电容性传感器。

背景技术

本领域已知电容性传感器用于检测诸如湿气、气体或其它液体的存在。图1和2示出了两种已知类型的电容性传感器。

图1中的电容性湿气传感器10包括衬底2上的一对电极4。电极4充当电容器极板，被湿气敏感材料6和金层8覆盖。湿气敏感材料6隔离两个电极4，并且具有可变介电常数。具体地，湿气敏感材料6的介电常数响应于暴露给水蒸气而改变。通过测量传感器10的两个电极4的电容，可以检测水蒸气的存在，还可以作出关于周围环境的湿气的某些判决。

图2所示的电容性湿气传感器10以与参考图1的描述类似的方式操作。传感器10包括两个电极4，其也充当电容器极板。电极4包括放置在衬底2(例如半导体衬底)的表面上的金属轨道，并且设置有连接焊盘12。如图1所示，电极4覆盖有湿气敏感材料14，其具有响应于水蒸气的存在而改变的介电常数。

在图2的传感器10中，电极4采用所谓蜿蜒图案，以增加其表面积。具体地，电极4的图案是多个交叉(interdigitated)手指的形状，以增加它们的表面积重叠。这些特征提高了传感器10的灵敏度，允许它测量更小级别的湿气。

虽然图2中的传感器10的灵敏度比图1中的器件的灵敏度有所提高，但在电容性传感器领域，仍然希望提供具有更大灵敏度的器件。

发明内容

所附独立和从属权利要求列举了本发明的多个方面。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相组合，而并不仅限于权利要求书中列举的情况。

根据本发明的一个方面提供了一种用于检测物质的存在的电容性传感器，所述传感器包括：

多个直立导电柱，布置在传感器的第一层中；

连接到第一组所述柱的第一电极；

连接到不同的第二组所述柱的第二电极；以及

用于响应于所述物质的存在而改变第一和第二组柱的电容的电介质材料。

根据本发明的实施例提供充当电容器极板的直立导电柱允许根据应用需要更加精确地调整传感器的灵敏度。例如，可以以图1和2所示的那种传感器设计所不能实现的方式，精确地确定柱在传感器的第一层中的分布和间隔，以满足应用要求。

在一个实施例中，导电柱可以包括半导体衬底中的多个过孔，填充有诸如钨等导电材料。这种过孔的制造是常规工艺，因此，根据本实施例的电容性传感器可以使用标准半导体工艺步骤来制造。因此，根据本发明实施例的传感器可以容易地集成到现有IC制造工艺中，而无需引入或开发新的非常规工艺步骤，并且无需使用附加掩膜。

可以将电介质材料置于第一层中的导电柱之间。但是，电介质材料也可以设置在独立的第二层中。第二层可以与第一层相邻(在其上方或下方)。在该实施例中，另一电介质材料(例如氧化物)可以位于第一层中的柱之间。这允许在传感器的制造中使用简单直接的工艺，其中在添加电介质层之前，可以很容易地对包含导电柱的第一层平面化(例如使用CMP步骤)。

第一和第二电极连接到柱，以定义第一和第二组。这些电极可以采取多种不同配置。例如，可以在同一层中提供电极，并且对其给予图案以定义两个组。或者，电极可以占用传感器中的不同层，这降低了所需构图的难度(例如，电极在某种程度上可以重叠)。

如上所述，可以根据应用需要来选择导电柱的分布。

在一种示例性分布中，第一组和第二组柱布置成行。所述行可以是交替行。例如，行可以交叉。在一个实施例中，每行中的柱可以相对于相邻行中的柱偏移，从而允许调节器件的灵敏度。

在另一示例分布中，可以以棋盘多边形的规则阵列来布置柱，其中第二组的柱位于每个多边形的角上，第一组的至少一个柱位于每个多边形的靠近中心的位置处。通过用第二组的柱围绕第一组的柱，可以最大化传感器的灵敏度。例如，规则的阵列可以是六角形阵列或矩形阵列。六角形阵列将允许第一层中柱的最高填充密度。

在一些示例分布中，第一组中的柱的最近的每个邻居可以包括第二组中的柱。第一组中的柱的次近的每个邻居可以包括第二组中的柱。

可以根据应用要求选择用于改变第一和第二组柱的电容的电介质材料。仅作为示例，在食品包装领域，通过检测诸如H₂O(湿气)、CO₂、O₂、乙烯和NH₃的存在来确定容器中食物的状况是有用的。通过选择合适的电介质，根据本发明实施例的传感器可以被调整用于检测一种或多种此类物质。合适的电介质对于本领域技术人员是已知的。

根据本发明的另一方面，提供了一种射频标识(RFID)标签，包括上述传感器。

附图说明

下面参考附图，仅以示例的方式描述本发明的实施例，附图中相似的附图标记关联相似的元素，其中：

图1示出了已知类型的电容性传感器；

图2示出了另一已知类型的电容性传感器；

图3-7示意性地示出了根据本发明实施例的电容性传感器；

图8-11示意性地示出了根据本发明另一实施例的电容性传感器；

图12-14示意性地示出了根据本发明实施例的电容性传感器的备选布局。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的实施例。

本发明的第一示例实施例如图3-7所示。在该示例中，电容性传感器20被构造为半导体衬底22中的一系列层。如图3所示，这些层包括柱层24。柱层24包括电介质层，其中分布有多个导电柱。下面参考图4到7描述柱层24中的柱的布置。

传感器20中的层还包括电极层31，其具有第一电极28、第二电极30和电介质32，电介质32把第一电极28与第二电极30分开。如下所详述的那样，第一电极28和第二电极30均连接到在传感器20的柱层24中提供的导电柱的相应组。该示例中的柱层与电极层31相邻。

如图3所示，传感器20还包括电介质层26，其对于传感器20要检测的物质的存在敏感。具体地，电介质层26(设置为与在相邻的柱层24中设置的导电柱相邻近)被配置为响应于要检测的物质的存在而改变柱层中第一和第二组柱的电容。以此方式，通过测量柱层24中第一和第二组柱的电容，可以确定要检测的物质的存在，还可以估计存在的物质的量或浓度。

电介质材料改变柱层24中第一和第二组柱的电容的机制一般包括：物质扩散到电介质层26中，从而改变电介质层26的介电常数。由于电介质层被设置为邻近柱层24中的导电柱，电介质层26的介电常数的改变进而导致导电柱组之间的电容改变。使用具有可变介电常数的电介质材料检测物质的存在是本领域已知的，此处不作进一步详述。但是，如上所述，电介质层26中使用的实际材料可以根据要检测的物质来选择。表1示出了根据本发明实施例可以检测的几种物质，以及可以在电介质层26中使用以检测这些物质的几种备选的材料。

表1

合适的敏感材料的进一步示例例如可见于“Chemical SensorTechnology”的“Materials Used as Chemical Sensor Elements”，Vol.1，Ed.Tetsuro Seiyama，Elsevier 1988的表2。

图4所示的传感器20去掉了电介质层26，以揭示柱层24中的导电柱34的分布。如图4所示，在该示例中，导电柱被布置为第一组40和第二组42。第一组40的导电柱形成传感器20的第一电容器极板，而第二组42的导电柱形成传感器20的第二电容器极板。该示例中的导电柱34的第一组40和第二组42布置为交替的行。图7示出了该配置的平面图，其示出了一个组中的每个导电柱的至少一些最近的邻居包括另一个组中的导电柱。因此，在该示例中，每个导电柱具有四个最近的邻居，每个导电柱组提供其中的两个；每个导电柱具有四个次近的邻居，全部由来自另一导电柱组的导电柱构成。

可以看出每行中的导电柱可以相对于相邻行的导电柱而偏移，以调整每个导电柱的最近和次近的邻居配置，从而调整每个相应组中导电柱的整体电容。下面将更详细地描述备选实施例中的导电柱的附加配置和布局。

图5示出了去掉了电介质层26和柱层24的传感器20，以揭示电极层31中第一电极28和第二电极30以及电介质32的配置和布局。从图5可以看出，第一电极28和第二电极30形成多个交叉的手指，电介质32将第一电极28和第二电极30分隔开，从而采取蜿蜒图案。图5中的十字标记36示出了柱层24中的柱相对于电极层31中的电极的位置。

可以使用任意合适的导电材料(例如IC工艺中使用的标准材料Au、Al、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN、W)形成第一电极28和第二电极30。还可以使用非标准材料例如Pt或Ag。

在该示例中，第一电极28和第二电极30被设置在同一层中(电极层31)。但是，如下所述，第一电极28和第二电极30也可以设置在不同层中。一般地，这些不同层也可以设置在柱层24的同一侧，从而柱层24的另一侧可用于容纳电介质层26。图7还可以看出电介质32的蜿蜒图案。

图6是沿图3的线AA得到的传感器20的剖面图。因此，图6示出了第一电极28的手指与第二电极30的手指的交替配置，其间散布有电介质32的蜿蜒图案。因此，电极层31中的第一电极28和第二电极30的布局确定了柱层24中的导电柱34的行的交替配置。

为了产生图3-7所示种类的传感器20，可以采用标准半导体工艺技术。例如，可以使用已知的用于提供过孔的技术产生导电柱。因此，为了产生柱层24，可以使用标准技术，并且仅需要预先确定柱组的布局的期望布置和配置。柱本身例如包括钨栓，钨是半导体工艺中用于互连过孔工艺的标准金属。

还可以采用标准工艺技术产生电极层31(例如可以使用镶嵌(damascene)工艺)。在放置电极层31和柱层24之后，可以使用标准沉积技术在柱层24上沉积电介质层26。

图8-11示出了本发明的第二实施例。虽然未在图8-11中示出，但是也可以向该第二实施例提供以上参考图3讨论的那种电介质层26。该电介质层可以设置为与柱层24相邻，与第一实施例所示的配置一样。因此，图8示出了去除电介质层26以揭示柱层24的传感器20。

如参考第一实施例所述，柱层24包括多个柱44、45，其间散布有电介质材料。如上所述，柱例如可以包括在传感器20的衬底22中提供的一系列过孔。从图8可以看出，该示例中的柱的布置不同于第一实施例中的柱的布置。具体地，在该示例中，第一组58中的柱45被设置为正方形阵列，并且被第二组60的柱44围绕。第二组60的柱也布局成正方形阵列，每个正方形的角上设置一个柱44，此外，在该示例中，在每个正方形的角之间的中间位置处(每个正方形的面上)设置另一个柱。该配置确保第一组58中的每个导电柱45的所有最近邻居和所有次近邻居包括第二组60的导电柱44。在另一示例中，通过排出(emit)在每个正方形的面上设置的第二组的其他柱，可以获得这样的配置，其中第一组58中的每个柱45的所有最近邻居是第二组60中的柱44，而第一组58中的柱45的次近邻居也包括来自第一组58的柱45。

如下所详述的那样，在图8所示的配置以外的配置中可以采用这种配置，其中一个组的柱实质上围绕另一个组的柱。因此，可以采用除了正方形阵列以外的阵列。这种配置提高了导电柱组的电容，因为一个组中的导电柱的(至少)所有最近邻居包括来自另一个组的导电柱。来自一个组的柱与第二组中的多个柱的这种邻近性确保第二组的柱之间的小的平均间隔，这导致第一组相对于第二组的电容增大。

图9示出了该示例的电容性传感器20，其中去除了柱层24以揭示电极层47。与上文的图5一样，图9的十字标记46示出了柱层24相对于电极层47的导电柱的位置。如下所详述的那样，在该示例中，传感器20的第一电极50和传感器20的第二电极52设置在不同层中。图9示出了电极层47中的第二电极52的布局。与第一实施例一样，该示例中的第二电极52的布局实质上是由电介质42的布局限定的。从图9可以看出第二电极52的布局实质上是正方形阵列的形式。如下所详述的那样，例如可以使用其他布局，例如六角形布局。

在该示例中，电极层47还包括伪(dummy)电极48，其对应于第一组58中的导电柱45。这些伪电极48连接到第一组58的导电过孔45，还连接到在另一过孔层25中设置的其他导电过孔，从而进一步连接到在另一电极层35中设置的第一电极50。

图10示出了去掉了电极层26、柱层24、电极层47和另一柱层25，从而揭示另一电极层35的电容性传感器。另一电极层35容纳第一电极50，第一电极50经由在另一过孔层25中提供的其他导电过孔和第一电极层47中提供的伪电极48连接到第一组58的导电过孔45。第一组58的导电过孔45相对于第一电极50的位置在图10中由十字标记49示出。

在该示例中，第一电极50被示为包括实心未构图电极。但是，电极50也可以以某种方式构图，从而具有延伸以连接由十字标记49所标记的位置处的另一柱层25的柱的形状。

通过在不同层中提供第一电极50和第二电极52，可以针对确定第一组导电过孔相对于第二组导电过孔的配置和布局提供更大的灵活性。例如，从图8和9可以清楚地看出，在不使第一电极层47的布局显著复杂化的情况下，不可能实现到第一电极层47中的伪电极48的电连接。这种复杂性将进一步导致第一电极层47中的最小特征尺寸的显著减小的必要性。因此，根据本发明的该实施例，独立提供到第一导电柱45的连接，从而明显简化两个电极层的布局。

图11示出了经过图8的线AA的传感器20的剖面图。图11示出了第二组60的导电柱44的配置，其连接到第一电极层47中的第二电极52。图11还示出了第一组58的导电过孔45的配置，以及它们到第一电极层47中的伪电极48的连接。图11还示出了伪电极48是如何经由传感器20的另一过孔层25中的其他过孔53与电极层35中的第一电极50连接的。

如上所述，在不同层中提供第一和第二电极提供了第一和第二电极连接到的导电过孔的布局的更大灵活性。现在结合图12-14描述根据本发明不同实施例的第一和第二组的导电过孔的布局的多个不同示例。

在图12中，示出了与上面结合图8描述的类似的布置。但是，在图12中，第一组的导电柱45的相邻行相对于彼此略微偏移，使得第一组的柱布置在棋盘平行四边形阵列中。第二组中的导电柱44也有所偏移，使得第一组中的导电柱45的所有最近邻居包括来自第二组的导电柱44。此外，第一组中的导电柱45的所有次近邻居包括来自第二组的导电柱44。相邻行中的导电柱45的偏移使得第一组45中的每个柱的次次近邻居包括第二组中的导电柱。相反，在图8的示例中，第一组45中的导电柱的次次近邻居包括来自相同(第一)组中的导电柱45。

图13示出了多个其他示例，其中来自第一组的柱45实质上被第二组的柱44围绕。但是，与上述示例不同，第一组的柱45布置在集群(cluster)中，其中每个柱45的集群在周遭被第二组44的柱围绕。因此，在图13所示的每个示例中，每个集群包括来自第一组的两个柱45，每个集群被来自第二组的以实质上矩形阵列布置的柱44围绕，其中在每个矩形的角上提供柱44并且沿每个矩形的边沿进一步提供来自第二组的一个或多个柱44。如图13所示，矩形还可以以上文结合图12所述的类似方式彼此偏移，以调节整个阵列中的相邻柱的相对位置。

图14示出了其中使用非正方形阵列的示例。在该示例中，第二组的柱44布置成六角形阵列，每个六角形的六个角均有一个柱44。第二组的其他柱44可以以与结合图12和13描述的类似方式沿每个六角形的边沿布置。图14所示的示例中的第一组的柱45被设置在阵列中的每个六角形的中心。六角形阵列允许这样的配置，其中包括第二组的柱的最大数量的最近邻居布置为与第一组的柱相邻。因此，在图14所示的示例中，第一组45中的每个柱具有包括第二组的柱44的六个最近邻居，这构成了两个组中的柱的高效布置，用于最大化传感器20的有效电容。与以上结合图13描述的示例相同，可以在阵列中的每个六角形中心处提供来自第一组的柱45的集群。

以上结合图12-14描述的每个示例可以使用实质上如上文结合图8-11描述的电极层的配置来构造。具体地，为了简化到两组柱中的各个柱的连接，电容性传感器20的第一电极和第二电极可以设置在分离层中，并且经由一系列过孔和伪电极连接到两个组的导电柱。

因此，已经描述了一种电容性传感器，包括布置在传感器的第一层中的多个直立导电柱、连接到柱的第一组的第一电极、连接到柱的不同的第二组的第二电极、以及与柱相邻布置的气体敏感材料，以响应于气体的存在改变传感器的电容。

虽然已经描述了本发明的特定实施例，但是应当理解，在请求保护的发明的范围内，可以做出多种修改/添加和/或替换。

Claims (15)

1.一种用于检测物质的存在的电容性传感器，该传感器包括：

多个直立导电柱，布置在传感器的第一层中；

连接到第一组所述柱的第一电极；

连接到不同的第二组所述柱的第二电极；以及

用于响应于所述物质的存在而改变第一和第二组柱的电容的电介质材料。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中导电柱包括半导体衬底中的多个过孔，所述过孔填充有导电材料。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中电介质材料位于传感器的第二层中。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中第二层与第一层相邻。

5.根据前述任一权利要求所述的传感器，还包括位于第一层中的柱之间的电介质材料。

6.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中第一电极和第二电极占用传感器中的不同的层。

7.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中第一组和第二组柱布置成行。

8.根据权利要求7所述的传感器，其中第一组柱的行与第二组柱的行交叉。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中每行中的柱相对于相邻行中的柱偏移。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的传感器，其中柱布置成棋盘多边形的规则阵列，其中来自第二组的柱位于每个多边形的角上，至少一个第一组的柱位于每个多边形的靠近中心处。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中棋盘多边形的规则阵列包括六角形阵列，其中来自第二组的柱位于每个六角形的角上，至少一个第一组的柱位于每个六角形的靠近中心处。

12.根据权利要求10所述的传感器，其中棋盘多边形的规则阵列包括矩形阵列，其中来自第二组的柱至少位于每个矩形的角上，至少一个第一组的柱位于每个矩形的靠近中心处。

13.根据权利要求1到6中任一项所述的传感器，其中第一组中的柱的每个最近邻居包括第二组中的柱。

14.根据权利要求13所述的传感器，其中第一组中的柱的每个次近邻居也包括第二组中的柱。

15.一种射频标识标签，包括根据前述任一权利要求所述的传感器。

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