CN103698368B - 一种传感器件、传感器及湿度传感器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器件，所述传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多晶硅垂直电极，所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，所述垂直电极的极板之间有敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中待检测物质后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据所述介电常数变化生成变化的电容信号；至少一个传导器件，从所述第二表面朝向所述第一表面贯穿所述半导体衬底，并且与所述敏感器件具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将传感电容生成的所述电容信号传导给设置在所述第二表面的金属焊盘。本发明具有性能稳定的优点。

Description

一种传感器件、传感器及湿度传感器件

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及到一种传感器件、采用所述传感器件的传感器以及湿度传感器。

背景技术

现有技术中，可以通过环境中待测标的物对电容电极板的介电常数的影响，来测量环境中待测标的物的含量，例如通过湿度对电容电极电荷量的影响，通过电容变化测量空气中的湿度。但是现有技术中通常将传导信号的信号线或信号线与电极间的连接部分都设置在芯片或电路板的上表面，由于电极板的吸收待测标的物的敏感材料需要与环境接触，因此，环境会对连接线或连接部分，例如金属焊盘造成腐蚀，影响传感器件的工作稳定性，此外暴露在环境中的信号线，也容易被环境中的噪声干扰，影响测量标的物的精确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种传感器件，以实现通过传感器件检测环境中待测物时，用于传导信号的焊盘等连接线可以不被暴露在环境中。

为实现上述目的，本发明提供了述传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域；其中，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多个多晶硅垂直电极，相邻的所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，每个传感电容的两个极板之间设置有 敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中待检测物质后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据所述介电常数变化生成变化的电容信号；

至少一个传导元件，贯穿所述半导体衬底，并且与所述垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在所述第二表面的金属焊盘。

依照本发明较佳实施例所述的传感器件，所述垂直电极的上方设置有第一保护板，所述第一保护板与所述垂直电极之间被绝缘介质隔离；

依照本发明较佳实施例所述的传感器件，所述垂直电极的下方设置有第二保护板，所述第二保护板与所述垂直电极之间被绝缘介质隔离；

依照本发明较佳实施例所述的传感器件，所述垂直电极的两侧在所述半导体衬底上设置有沟槽，所述敏感膜片由填充在所述沟槽内的环境敏感材料制成。

依照本发明较佳实施例所述的传感器件，所述第一保护板上表面涂覆有绝缘介质。

依照本发明较佳实施例所述的传感器件，所述传导器件为垂直电馈通，所述垂直电馈通包括引线传导层、绝缘层和支撑介质，述绝缘层位于所述引线传导层和所述支撑介质之间，所述引线传导层由磷掺杂多晶硅制成，所述绝缘层由氧化硅制成，所述支撑介质为多晶硅。

依照本发明较佳实施例所述的传感器件，所述传感器件为湿度传感器件，所述敏感膜片为可以吸收湿气的多孔电介质、多孔陶瓷、多孔金属、聚酰亚胺其中之一制成。

本发明实施例还提供了一种传感器，所述传感器包括至少一传感器件和处理器：

所述传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域，其中，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多个多晶硅垂直电极，相邻 的所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，每个传感电容的两个极板之间设置有敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中待检测物质后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据所述介电常数变化生成变化的电容信号；以及至少一个传导元件，贯穿所述半导体衬底，并且与所述垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在所述第二表面的金属焊盘；

所述金属焊盘通过外接线路将所电容信号传输给所述处理器，所述处理器根据所述电容信号变化，获得所述待检测物质的参数。

依照本发明较佳实施例所述的传感器，所述传导器件为垂直电馈通，所述垂直电馈通包括引线传导层、绝缘层和支撑介质，所述绝缘层位于所述引线传导层和所述支撑介质之间，所述引线传导层与所述金属焊盘接触，所述引线传导层由磷掺杂多晶硅制成，所述绝缘层由氧化硅制成，所述支撑介质为多晶硅，。

本发明实施例还提供了一种湿度传感器件，所述湿度传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多个多晶硅垂直电极，其中，相邻的所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，每个传感电容的两个极板之间设置有湿度敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中湿气后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据所述介电常数变化生成变化的电容信号；

至少一个传导元件，贯穿所述半导体衬底，并且与所述垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在所述第二表面的金属焊盘。

本发明能够允许在设计电路信号的输出焊盘时，将其设置在传感区域的背面，这样有效避免了金属打线所引起的寄生电筒，以及避免了金属焊盘直 接接触外界探测环境所引起的金属腐蚀，有效提高了传感器件的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的传感器件的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传感器件的详细结构示意图；

图3为本发明实施例提供的传感器的一种结构框图图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明实施例提供的一种具有垂直电馈通的电容式传感器进行详细描述。

本领域的普通技术人员将意识到，下述的实施例的详细说明仅仅是说明性的，并且不是意在以任何方式加以限制。其他实施例将容易地呈现给受益于本公开的这类技术人员。现在，将详细地参考如若干附图中所示的（一个或多个）示例性实施例的实施。遍及附图并且在后面的详细说明中将使用相同的附图标记来指出相同或类似的部分。

为清楚起见，没有示出并描述此处所述的实施的全部常规特征。当然，应当理解，在任何这样的实际实施的发展过程中，必须做出大量具体到实施的决定以便实现研发人员的具体目标，比如符合应用和行业相关的限制，并且这些具体目标因实施的不同而不同，因开发商的不同而不同。而且，应当理解这样的发展计划可能复杂且耗时，但是对于从本公开受益的本领域普通技术人员来说，其仍然会是一个常规的工程保证。

应当理解，本发明的（一个或多个）实施例可以包括MEMS设备和/或电路，其可以容易地使用诸如CMOS（“互补性氧化金属半导体”）加工技术或其他半导体制造工艺之类的众所周知的技术来制造。另外，可以用制造半导体或基于硅的电和/或MEMS设备的其他制造工艺来实现本发明的（一个或多个）实施例。

本发明的（一个或多个）实施例公开了一种固态MEMS电容式传感器，其能够测量湿度、气体、液体、液体等等。

图1是说明了根据本发明的一个实施例的具有一个或多个垂直电馈通的传感器件的结构图。在一个实施例中，框图100包括一种传感器件，所述传感器件包括设置在半导体衬底202上的至少一个传感器区域201以及将传感器区域201产生的电容信号传导给外部的传导元件区203.，传导元件区203中包含至少一个传导元件，应当指出，本发明的（一个或多个）示例性实施例的基础构思不会因向框图100中添加或者从中移除一个或多个块或层而改变。

进一步参见图2，其为传感器件的详细结构图，所述传感器区域201包括设置在所述半导体衬底202上的多晶硅垂直电极104，相邻的所述多晶硅垂直电极104形成传感电容，每个垂直电极104作为所述传感电容的一个极板，所述垂直电极104的之间设置有敏感膜片103，所述敏感膜片103与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中待检测物质后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据所述介电常数变化生成变化的电容信号；

所述至少一个传导元件区203包含多个垂直电馈通106，从底部向上方贯穿所述半导体衬底202，并且具有与所述传感区域201的垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在半导体衬底202底部的金属焊盘107。

半导体衬底202由半导体构成，所述物质可以包括任何类型的半导体材料，比如硅、低掺杂硅、锗、砷化镓等等。垂直电极104可以经由传统的半导体掺杂公寓工艺在半导体衬底202上制成，在垂直电极的两侧根据可选的制造工艺，形成深度与垂直电极104的高度大致相当的沟槽，沟槽用以容置敏感膜片103。相邻的垂直电极104形成平行板电容，在本实施例中称之为传感电容，本发明实施例根据传感电容的电容值变化，测量待测物体。

敏感膜片103由敏感材料制成，可以通过涂覆、喷射、沉积或其他的方 式将敏感材料填充到垂直电极102侧边的沟槽中，与垂直电极接触。根据需要测量的物体不同，敏感材料的选择也有所不同，例如，以一种用来测量湿度的传感器为例，敏感材料可以选择具备吸收湿气作用的多孔介质，例如聚酰亚胺、多孔电介质、多孔金属、多孔陶瓷等。当被涂覆在所述垂直电极104表面之后，敏感膜片103吸收空气中的湿气，最终达到饱和状态，敏感膜片103中含有的湿气量，在一定程度上影响垂直电极的电介质常数，进一步影响传感电容的电容值，因此，根据测量到的电容值的不同，即可推断环境中湿度的大小。

类似的，所述领域的技术人员经过合理的推断，能够确定当需要测量的物体有所不同时，可以选择不同的敏感材料来制成敏感膜片，例如，当需要检测酒精浓度时，可以选择可以吸收酒精的材料，不多赘述。

如图2所示，框图100还可以包括由掺杂多晶硅制成在半导体衬底202上形成的第一保护板102，第一保护板102由于位于垂直电极104上方，也可以称之为上保护板。第一保护板102和垂直电极104上表面之间被绝缘层隔开，所述的绝缘层例如可以是，但不限定于氧化硅。藉由第一保护板102，可以在一定程度上防止寄生信号、例如寄生电容的产生，影响传感电容信号，造成测量误差。

如图2所示，框图100还可以包括由掺杂多晶硅制成在半导体衬底202上形成的第二保护板105，第二保护板105由于位于垂直电极104下方，也可以称之为下保护板。第二保护板105与垂直电极104的下表面之间均被绝缘层隔开，所述的绝缘层例如可以是，但不限定于氧化硅。藉由第二保护板105，可以防止寄生信号、例如寄生电容的产生，影响传感电容信号，造成测量误差。

再参考图2，可见在第一保护板102的上表面还涂覆有一层绝缘隔离层101，同样的，隔绝缘隔离层101也可以是氧化硅制成，可以将其与外部环境，之后可以再通过蚀刻等工艺，将敏感膜片103暴露在环境中，使之与环境具 有第一接触面，以吸收环境中的待检测物体。

在传导器件区域203包含多个垂直电馈通（Vertical electric feed-trough）,用于将传感器件区201部分的电容信号传导到外部的控制器件，例如通过设置在半导体芯片背面的焊盘107。

在一个实施例中，垂直电馈通106包含引线传导层1061、绝缘层1062和支撑介质1063，具有导电作用，具有与垂直电极104接触的第二接触面，并且与焊盘107在芯片底部接触，因此可以向外部传输信号，传导传感电容产生的电容信号，所述绝缘层1062位于所述引线传导层1061和所述支撑介质1063之间。所述引线传导层1061例如可以由磷掺杂多晶硅制成，引线传导层1061可以经由半导体掺杂工艺通过掺杂n+制造在硅层或柱的侧壁上，所述绝缘层1062由氧化硅制成，所述支撑介质1063为多晶硅。

由于垂直电馈通106的存在，可以允许在设计电路信号的输出焊盘时，将其设置在传感区域的背面，这样有效避免了金属打线所引起的寄生电筒，以及避免了金属焊盘直接接触外界探测环境所引起的金属腐蚀，有效提高了传感器件的稳定性。

如图3所示，基于图1和图2提供的传感器件实施例，可以被应用在传感器中，该种传感器例如可以被应用在空调等需要测试环境中湿度等标的设备中，由此，本发明在一种示例性的实施例中提供了一种传感器，图3是该实施例的框图300，该实施例300包括至少一传感器件100和处理器200，其中的至少一个传感器件100可参考图1和图2所示的实施例，传感器件100中的所述金属焊盘通过外接线路将所电容信号传输给所述处理器200，所述处理器根据所述电容信号变化，获得所述待检测物质的参数，例如测得电容变化值后，与预配置的查询表中所列的湿度值与电容值的匹配关系，确定环境中的湿度，不多赘述。

相应的，再返回图2，作为图2的一种常见的应用，可以作为一种湿度传感器件，所述湿度传感器件的物理结构与图1和图2所示的实施例相同，特 别的是，敏感膜片103的制造材料需要选择具备湿气吸收功能的材料，例如聚酰亚胺、多孔电介质、多孔金属或者多孔陶瓷，不多赘述。

通过本发明实施例提供的传感器件，不仅能够允许在设计电路信号的输出焊盘时，将其设置在传感区域的背面，这样有效避免了金属打线所引起的寄生电筒，以及避免了金属焊盘直接接触外界探测环境所引起的金属腐蚀，有效提高了传感器件的稳定性。

尽管已经示出并描述了本发明的特殊实施例，然而在不背离本发明的（一个或多个）示例性实施例及其更宽广方面的前提下，本领域技术人员显然可以基于此处的教导做出变化和修改。因此，所附的权利要求意在将所有这类不背离本发明的（一个或多个）示例性实施例的真实精神和范围的变化和更改包含在其范围之内。

Claims (8)

1.一种传感器件，其特征在于，所述传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域；其中，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多个多晶硅垂直电极，相邻的所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，每个传感电容的两个极板之间设置有敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中待检测物质后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据介电常数变化生成变化的电容信号；

至少一个传导元件，贯穿所述半导体衬底，并且与所述垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在半导体衬底底部的金属焊盘；

所述传导元件为垂直电馈通，所述垂直电馈通包括引线传导层、绝缘层和支撑介质，所述绝缘层位于所述引线传导层和所述支撑介质之间，所述引线传导层由磷掺杂多晶硅制成，所述绝缘层由氧化硅制成，所述支撑介质为多晶硅。

2.如权利要求1所述的传感器件，其特征在于，所述垂直电极的上方设置有第一保护板，所述第一保护板与所述垂直电极之间被绝缘介质隔离。

3.如权利要求1或2所述的传感器件，其特征在于，所述垂直电极的下方设置有第二保护板，所述第二保护板与所述垂直电极之间被绝缘介质隔离。

4.如权利要求1至2任一项所述的传感器件，其特征在于，所述垂直电极的两侧在所述半导体衬底上设置有沟槽，所述敏感膜片由填充在所述沟槽内的环境敏感材料制成。

5.如权利要求2所述的传感器件，其特征在于，所述第一保护板上表面涂覆有绝缘介质。

6.如权利要求1所述的传感器件，其特征在于，所述传感器件为湿度传感器件，所述敏感膜片为可以吸收湿气的多孔电介质、多孔陶瓷、多孔金属、聚酰亚胺其中之一制成。

7.一种传感器，其特征在于，包括至少一传感器件和处理器：

所述传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域，其中，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多个多晶硅垂直电极，相邻的所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，每个传感电容的两个极板之间设置有敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中待检测物质后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据介电常数变化生成变化的电容信号；以及至少一个传导元件，贯穿所述半导体衬底，并且与所述垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在半导体衬底底部的金属焊盘；

所述金属焊盘通过外接线路将所述电容信号传输给所述处理器，所述处理器根据所述电容信号变化，获得所述待检测物质的参数；

所述传导元件为垂直电馈通，所述垂直电馈通包括引线传导层、绝缘层和支撑介质，所述绝缘层位于所述引线传导层和所述支撑介质之间，所述引线传导层与所述金属焊盘接触，所述引线传导层由磷掺杂多晶硅制成，所述绝缘层由氧化硅制成，所述支撑介质为多晶硅。

8.一种湿度传感器件，其特征在于，所述湿度传感器件包括设置在半导体衬底上的至少一个传感器区域，所述传感器区域包括设置在所述半导体衬底上的多个多晶硅垂直电极，其中，相邻的所述多晶硅垂直电极形成传感电容，每个垂直电极作为所述传感电容的一个极板，每个传感电容的两个极板之间设置有湿度敏感膜片，所述敏感膜片与环境具有第一接触面，透过所述第一接触面吸收环境中湿气后，改变所述传感电容的电容值，所述传感电容根据介电常数变化生成变化的电容信号；

至少一个传导元件，贯穿所述半导体衬底，并且与所述垂直电极具有至少一个第二接触面，所述第二接触面将所述传感电容生成的所述电容信号传导给设置在所述半导体衬底底部的金属焊盘；

所述传导元件为垂直电馈通，所述垂直电馈通包括引线传导层、绝缘层和支撑介质，所述绝缘层位于所述引线传导层和所述支撑介质之间，所述引线传导层与所述金属焊盘接触，所述引线传导层由磷掺杂多晶硅制成，所述绝缘层由氧化硅制成，所述支撑介质为多晶硅。