CN102313595A - 光传感器 - Google Patents
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Abstract
易腐货物接收到的光剂量是确定这些货物的使用期限的重要参数。本发明描述了一种光传感器(30)，具有根据接收到的光剂量改变其材料特性的光敏元件(18)。这种变化可以通过光传感器中的电极(12、14)电检测。由于材料特性的变化是永久的，因此这不需要存储器来存储表示光传感器接收到的光剂量的值。
Description
技术领域
本发明涉及光传感器。
背景技术
RFID(射频标识)是指将电子装置(通常被称作RFID标签)包含在目标中(货物或生命体)。该装置用于从目标向读取器利用射频来传输信息。
RFID标签典型地包括用于对射频(RF)信号进行调制和解调的RFID发射机，用于接收和发送信号的RFID天线，以及用于存储和处理信息和其他专用功能的集成电路。
RFID标签在包含允许它们独立操作的电源的情况下是有源的的，或者在从外部源引入(典型地，经由RFID读取器本身)电力的情况下是无源的的。
RFID传感器是RFID标签的具体变型。典型地，RFID标签用于标识目的。通过将传感器集成到RFID标签中，更多功能变得可用。
在RFID传感器的应用中，在供应链中特定产品的使用期限期间，对该特定产品所暴露的环境条件进行跟踪，然后将该环境条件发送至RFID读取器。集成传感器的使用实现了对易腐产品所暴露的环境条件进行监控。利用适当的算法，可以将上述数据转换成对剩余使用期限的估计。
为了使RFID传感器在经济上更可行，传感器的价格必须显著低于要监控的产品的价格。
易腐产品的全球年浪费的成本总计接近350亿美元。这包括食品、饮料、花卉、药物、疫苗、血液和化学制品。冷藏链表示这些产品从生产、运输和存储到最终用户的冷藏和控制供应链。通过对易腐产品加智能标签，可以避免大量浪费。产品和容器上的RFID标签包括针对许多环境参数(例如，温度、湿度、O2/CO2浓度和pH)的传感器。
光剂量是影响易腐货物的质量和使用期限的极重要参数(例如参见，Nicola E.Fontana，Cultivation management on the farm influences postharvest quality and safety，International Conference on Quality Management of Fresh Cut Produce，2007)。集成到RFID传感器中的光传感器对特定货物接收到的光剂量进行监控。必须存储该信息，直到发生RFID读取。为了存储传感器读数，需要存储器。然而，使用存储器具有一些缺点；例如，需要电源来对数据进行编程或者将数据存储在存储器中，此外，电路更加复杂，导致更高成本的传感器。
因此，需要开发一种更经济的光传感器。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种光传感器，包括：光敏元件，被配置为对暴露于光作出反应；第一电极和第二电极，用于测量对光敏元件的材料特性加以指示的值，其中所述值表示光敏元件接收到的光剂量。
光敏元件对光作出的反应根据接收到的光剂量来改变光敏元件的材料特性。材料特性的变化是永久的，永久意味着被改变的特性保持在新状态下达到长到足以允许读出的持续时间。这种变化可以通过对第一与第二电极之间的光敏元件的电特性的变化的检测来检测，第一与第二电极之间的光敏元件的电特性的变化与光敏元件的物理或机械变化相关联。
改变的材料特性意味着光敏元件用作存储器，存储光传感器接收到的光量。这意味着不需要传统存储器或电源。
根据本发明的实施例，光敏元件包括聚合物。使用聚合物允许使用标准CMOS工艺来制造传感器。
在另一实施例中，聚合物是光刻胶，例如，在CMOS工艺中使用的OiR 620-09、OiR 620-10、OiR 620M-10、M91Y-450、JSR M91Y DUV或TOK 3150MUV、I-AC77-R168-330。
在本发明的实施例中，光敏元件被配置为在暴露于光时减小厚度。例如，可以通过第一电极与第二电极之间的电阻或电容变化电检测减小 量。
在本发明的另一实施例中，光传感器被配置为使得光敏元件的介电常数根据光敏元件接收到的光剂量而变化，一直到最大剂量。例如，可以通过测量第一电极与第二电极之间的电容电检测介电常数的变化。一旦已经接收到最大光剂量，传感器就饱和。
附图说明
现在参照附图，仅通过示例描述本发明的其他实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的光传感器。
图2示意了根据本发明另一实施例的光传感器。
图3A示出了根据本发明另一实施例的光传感器。
图3B示出了图3A的光传感器的截面图。
图4A至4D示意了根据本发明另一实施例的制造光传感器的步骤。
图5A和5B示出了在用于监控光剂量之前或之后的图4A至4C的实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的光传感器10的截面图。可以将第一电极12和第二电极14沉积在衬底16上。将光敏元件18(可以是聚合物)沉积在第一电极12与第二电极14之间。在操作中，在第一电极12与第二电极14之间可以采用电测量，电测量指示光敏元件18的材料特性。
当光敏元件暴露于光时，光敏元件18的材料特性会发生变化。这种变化可以由光的相互作用引起，光的相互作用使材料中的一些化学键断裂。可以通过在光传感器10的第一电极12与第二电极14之间进行第二电测量来检测这种变化。因此，光敏元件18暴露于光之前所测量的第一值与光敏元件18暴露于光之后所采用的第二测量之间的差异表示光传感器10接收到的光剂量。
光敏元件18可以由特性根据电检测到的光剂量而变化的任何材料制成，并且这种变化持续足够长的持续时间，使得可以对暴露于光之前与暴露于光之后的值变化进行检测。这种材料的示例是聚合物，例如， 光刻胶，聚合物的特性(例如，介电常数和电阻率)会在材料暴露于光时发生变化。一旦光剂量超过了最大值，光敏元件就会饱和，因此不会测量到进一步变化。
所进行的第一和第二测量例如可以是对第一电极12与第二电极14之间的电阻或电容值的测量。
第一电极12和第二电极14可以由诸如金属(例如，铝或铜)或合金之类的任何适合的导电材料来形成。衬底16可以由适合于沉积电极和聚合物的任何材料来形成。例如，衬底16可以由硅或在硅的顶部沉积的层来形成，例如，形成晶体管的层、金属化层、介电层、或在集成电路形成中通常使用的任何其他层。第一电极12、第二电极14和光敏元件18可以使用标准CMOS工艺技术来形成，例如，蒸发沉积或溅射。
第一电极12、第二电极14以及电极之间间隔的尺寸可以通过CMOS标准工艺规则来确定。CMOS 14工艺的示例范围为宽度在50nm与10um之间的第一电极12、宽度在50nm与10um之间的第二电极14、以及范围在50nm与10um之间的电极间隔。
图2A和2B示出了根据本发明另一实施例的光传感器20的截面图。将第一电极12和第二电极14沉积在衬底16上。在第一电极和第二电极的顶部沉积光敏层，以形成光敏元件18。该层也可以邻近衬底16。在操作中，在光传感器20暴露于光源下之前，在第一电极12与第二电极14之间采用电测量，电测量表示光敏元件18的材料特性。当光传感器20暴露于光时，光源可以使光敏元件18中的至少一些化学键断裂。这会引起光敏元件18减小厚度，减小厚度的效果是改变光敏元件18的电特性，这是因为减小厚度可以引起电阻或电容的变化。电阻或电容的这种变化可以通过第一电极12与第二电极14之间的另一测量来检测。
光传感器20暴露于光源下之前的读数与光敏元件暴露于光源下之后所获得的读数之间的电测量差异表示光传感器20接收到的光剂量。测量的电容变化例如可以是几个pF。测量的电阻变化例如可以是暴露于光源下之前电阻值的10％的增大或减小。
图3A和3B示出了根据本发明另一实施例的光传感器30。图3示意了将第一电极12和第二电极14沉积在衬底16上。第一电极12和第二电极14 由梳状结构来形成，该梳状结构具有彼此交错的梳齿。该结构也可以被称作迂回(meandered)梳状结构。将光敏材料的层沉积在第一电极12与第二电极14之间。光敏材料的该层形成光敏元件18。图3B示出了图3A所示光传感器30的实施例的截面图。
可以通过在第一电极与第二电极之间进行第一测量来操作光传感器，第一测量指示光敏元件18暴露于光源下之前的材料特性。一旦光敏元件18已经暴露于光，光敏元件18的材料特性就会发生变化。该材料特性例如可以是材料的介电常数、材料电阻率、或者在入射在材料上的光引起材料厚度减小的情况下的材料厚度。然后可以进行在光传感器30暴露于光剂量下之后的第二测量。
第二测量例如可以是第一电极12与第二电极14之间的电阻或电容值的变化。光传感器30暴露于光之前与光传感器30暴露于光之后所测量的值的差异表示光传感器30接收到的光量或光剂量。
在另一实施例中，光传感器30能够对特定波长或光的波长敏感，从而暴露于光之前或之后所采用的测量可以指示光传感器接收到的特定波长或波长范围的光剂量。用于光敏元件18的材料的示例是对306m到390nm范围内的波长敏感的OiR 602-09。用于光敏元件18的材料的另一示例是对230nm到260nm范围内的波长敏感、对波长248nm的光具有峰值灵敏度的M91Y-450。用于光敏元件18的材料的另一示例是对190nm到205nm范围内的波长敏感、对波长193nm的光具有峰值灵敏度的I-AC77-R168-330。其他实施例可以具有用于对可见光谱中的光敏感的光敏元件18的材料。其他实施例可以具有用于对太阳辐射光谱中的光敏感的光敏元件18的材料。
图4A、4B、4C、4D以截面图示意了使用诸如CMOS 14之类的标准CMOS工艺根据本发明另一实施例制造光传感器40的示例的步骤。
图4A示出了氮化硅层22，在氮化硅层22上可以沉积硅层24。备选地，可以在硅层24下形成SiN层22作为晶片底部隔离。将HDP氧化物层26沉积在硅层24上。HDP氧化物层的厚度在6000nm到1000nm的范围内。氮化硅层22和硅层24形成绝缘体上硅结构。氮化硅层22、硅层24和HDP氧化物层26可以形成衬底16。
图4B示出了第一电极12和第二电极14的形成。这可以通过对金属层图案化来进行，从而形成第一电极12和第二电极14，金属层可以由任何适合的导电材料(例如，铜或铝)制成。第一电极12和第二电极14可以具有迂回的梳状结构。
具有第一电极12和第二电极14的备选结构的其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。
第一电极12与第二电极14之间的间隔典型地在50nm到10μm范围内。
图4C示出了在第一电极12和第二电极14上沉积介电层或帽盖(capping)层20。该介电层20可以是钝化层。
如图4D所示，在第一电极12和第二电极14之上和周围以及第一电极12与第二电极14之间沉积光敏材料层。该层形成光敏元件18。光敏元件18的厚度在2μm到20μm范围内。
使用诸如蒸发沉积和溅射之类的标准CMOS工艺技术来形成图4A至4D所示用于形成光传感器40的层。在图5A中示出了通过如图4A至4D所示工艺步骤形成的所产生的光传感器40。
可以在氮化硅层22上形成硅层24。备选地，可以在硅层24下形成SiN层22作为晶片底部隔离。通过在硅层24上沉积氧化物层26来形成介电层。氮化硅层22和硅层24形成绝缘体上硅。氮化硅层22、硅层24和HDP氧化物层26可以形成衬底16。在氧化物层26上形成第一电极12和第二电极14。在第一电极12和第二电极14上形成另一介电层20。在另一介电层20上并且在第一电极12与第二电极14之间形成可以是聚合物的光敏材料层。光敏层形成光敏元件18。
在操作中，光传感器40如下工作。在光传感器40暴露于波长或波长范围对于光敏元件18而言敏感的光之前进行第一测量。该读数是电测量，并且例如可以是第一电极12与第二电极14之间的电阻或电容。
图5B示出了光入射在光传感器40上的效果。光敏材料层18暴露于一定光剂量下会使材料中的至少一些化学键断裂。这可以引起光敏元件18厚度减小。这种变化可以通过第一电极12与第二电极14之间的另一电测量来检测。第一测量与第二测量之间值的差异对应于光传感器40接收到 的光量或光剂量。这可以是对入射在光传感器40上具有特定波长或波长范围的光的总量的测量。
在备选实施例中，一旦光敏元件18暴露于光，光传感器40的材料特性的变化就可以是光敏元件18的材料的介电常数的变化。在另一实施例中，一旦光敏元件18暴露于光，光传感器40的材料特性的变化就可以是光敏元件18的材料的电阻率的变化。光传感器40的材料特性的变化对应于传感器40接收到的光剂量。
在备选实施例中，可以通过测量第一电极12与第二电极14之间的电变化来检测光敏元件18的介电常数、电阻率和厚度的组合的变化。
本领域技术人员应当清楚的是，根据这里所公开的本发明，其他实施例也是可能的。这里所描述的所有实施例可以使用标准CMOS工艺技术来形成。衬底可以是硅或其他适合的材料。衬底也可以是用于形成集成电路的硅层之上的层。可以通过用后续可以移除的粘合不透明材料来涂覆光敏元件18，从而防止光敏元件18在处理期间过早暴露于光。备选地，对于一些实施例，可以在波长对于光敏元件18而言并不敏感的光所照亮的区域中进行所述处理。光传感器可以具有粘合标签来覆盖光敏元件18，该标签在使用前可以去除。光传感器的另一实施例可以具有仅对传感器光敏感范围内的光进行滤光的粘合标签。通过直到使用之前冻结(freezing)传感器，还能够保护传感器。
其他实施例可以将光传感器与其他集成电路集成，并且与诸如RFID标签之类的特定类型的集成电路集成。
光传感器的其他实施例可以集成在RFID传感器中，例如用于供应链管理以及用于给易腐货物加标签。光传感器的其他实施例可以包括例如CMOS集成传感器和集成传感器阵列。
用于光敏元件的材料可以是在CMOS工艺技术中通常使用的材料，例如光刻胶材料。暴露于光所引起的光刻胶材料的变化可以是永久的。然而，在本发明的实施例中可以使用暴露于光就会引起材料特性变化并且可以以电方式检测到材料特性变化的任何材料。这种变化直到下个测量周期之前必须是稳定的。测量周期之间的间隔可以是几秒，几天或几个月。
对于这里描述的一些实施例，电容和电阻的最终值也可以取决于在传感器上入射的光的波长，从而本发明的实施例也可以用作波长检测器。
这种集成到RFID传感器中的根据本发明实施例的光传感器的使用的应用可以用在易腐烂监控、原材料跟踪、供应链管理，用在智能标记，以及用在滥用控制标记。
这里描述了一种光传感器(30)，具有根据接收到的光剂量改变其材料特性的光敏元件(18)。这种变化可以通过光传感器中的电极(12、14)电检测。由于材料特性的变化是永久的，因此这不需要存储器来存储表示光传感器接收到的光剂量的值。
Claims (15)
1.一种光传感器(10)，包括：
光敏元件(18)，被配置为对暴露于光作出反应，
第一电极和第二电极(12、14)，用于测量对光敏元件的材料特性加以指示的值，
其中，所述值表示光敏元件接收到的光剂量。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中，光敏元件包括聚合物。
3.根据权利要求2所述的光传感器，其中，聚合物是光刻胶。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光传感器，其中，光敏元件被配置为在暴露于光时减小厚度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光传感器，其中，光传感器被配置为使得光敏元件的介电常数根据光敏元件接收到的光剂量而变化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光传感器，其中，光传感器被配置为使得光敏元件的电阻率根据光敏元件接收到的光剂量而变化。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光传感器，其中，所述值是光敏元件的电容。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的光传感器，其中，所述值是光敏元件的电阻。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光传感器，所述光传感器还包括：
衬底(16)，
介电层(20)，
其中，第一电极和第二电极邻近衬底，并且介电层邻近第一电极和第二电极，并且光敏元件邻近介电层。
10.根据权利要求9所述的光传感器，其中，衬底包括绝缘体上硅(22、24)以及绝缘体上硅上的另一介电层(26)。
11.一种包括前述权利要求中任一项所述的光传感器的光波长检测器。
12.一种包括权利要求1至10中任一项所述的光传感器的RFID传感器。
13.一种用于对包括权利要求12所述的RFID传感器的易腐货物进行监控的系统。
14.一种用于封装的标签，包括权利要求12所述的RFID传感器。
15.一种CMOS传感器阵列，包括权利要求1至10中任一项所述的光传感器。
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