CN103852110A - 可检测污染层的环境传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环境传感器和操作环境传感器的方法。环境传感器包括：包含光传感器的半导体衬底；表层，环境光可以通过该表层传递到达光传感器，和光源，该光源被设置为照亮表层，该表层反射该光源的至少一部分光到光传感器上，其中，所述环境传感器设置为通过比较坏境光和至少一个光传感器的反射光的测量值来确定该表层上污染层的存在。

Description

可检测污染层的环境传感器
技术领域
本发明涉及一种环境传感器。本发明还涉及一种操作环境传感器的方法。
背景技术
环境传感器可以用于确定各种环境中的各种物理参数，如温度，光强度，压力，应变，冲击，湿度，二氧化碳和其它气体，各种环境包括建筑物(如住宅，办公室，仓库，温室等)，汽车和卡车等车辆(例如在乘客车厢，或在车辆的发动机)，体外甚至体内应用。
使家庭和楼宇更智能是明显的社会趋势，意味着住宅和建筑物的生态足迹须尽可能多的减少。家庭和楼宇中的许多能源用于供暖，通风和空调(HVAC)。二氧化碳传感器可以监测空气质量，与温度和湿度传感器一起反馈暖通空调系统的结果，从而采取恰当地行动。可以由环境传感器测量空间内的光强度并相应调整人工照明，来减少额外的能量。所有这些环境传感器，也可以通过网络连接在一起。以这样的方式，可以动态地调整照明，温度，新鲜空气和湿气，而不是跟随预编程的机制，这样可以减少生态足迹。
环境传感器，例如压力传感器，空气颗粒传感器，二氧化碳和一氧化碳传感器，监测呼气成分传感器将越来越多地应用在移动设备中，如移动电话或片剂。
另一个应用领域是汽车，司机和乘客要监测污染物和颗粒等空气质量并通过控制系统采取适当的措施，如关闭或过滤进入的空气。
另一个应用领域是良好市场细分。例如，冰箱内的水分和油脂层可以指示冰箱的卫生水平。冰箱内的环境传感器可以监控如氨气或其他食品新鲜度相关气体的水平，可以停止工作以防积累水分或油脂层。
在许多这些应用中，传感器将被使用多年，旨在提供作为独立设备的不受干扰的功能。在这段时间里，暴露于环境中的传感器表面上完全可能出现如灰尘，油，盐，油脂等沉积物。对于包括膜片的光(光强度测量)和化学传感器(水分，气体，液体)，压力传感器灯机械传感器(例如MEMS器件)，这些污染层会严重影响正确的参数的读数。
虽然已经有关于检测污染层的报告(US5998782，EP1457763，DE102006039034，JP2002296342，US8144330和US7652586)，但是没有一篇报告是涉及环境传感器领域的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种环境传感器，包括：包含光传感器的半导体衬底；表层，环境光可以通过该表层传递到达光传感器，和光源，该光源被设置为照亮表层，该表层反射该光源的至少一部分光到光传感器上，其中，所述环境传感器设置为通过比较坏境光和至少一个光传感器的反射光的测量值来确定该表层上污染层的存在。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作环境传感器方法，包括半导体衬底，光源和表层，环境光可以通过该表层传递到达光传感器，该光源被设置为照亮表层，该表层反射该光源的至少一部分光到光传感器上，该方法包括：通过比较坏境光和至少一个光传感器的反射光的测量值来确定该表层上污染层的存在。
环境传感器本身被暴露在环境中，因此可能遭受污染层的堆积。这些污染层可以阻碍参数的正确读数。根据本发明的实施例中，它不仅能够实现包含半导体衬底的环境传感器中的污染层的检测，它还能够利用半导体衬底的其他优点，如小型化、低制造成本和多传感器集成。
根据本发明的一个实施例的环境传感器，可结合污染层检测和例如单独的烟或单独的一氧化碳或二氧化碳传感器。
而在一些示例中，环境传感器可以包括独立的光源和独立的光检测器，它也可以将光源和光检测器结合在共同的半导体衬底内，使结构更紧凑，制造成本更低。
在环境传感器中的半导体衬底内可以集成更多的传感器。除了根据本发明实施例的光传感器，可以在同一个半导体衬底内进一步集成压力、温度和气体等传感器。
在一个实施例中，光源可以被构造为发光二极管(LED)。这使得电源结构更紧凑和更高效。
光传感器可以分析接收到的光的频谱，从而区分不同种环境光源。当环境传感器被用于调整建筑物或房间内照明条件的系统中，这种区分是有用的。
环境传感器可以被封装(例如通过把传感器的半导体衬底和其他元件设置在半导体封装中，使传感器可以与外界环境接触)。在这种实施例中，在封装材料中的该表层可以包括一个窗口。
为环境传感器提供表层的另一种方式是在半导体衬底上沉积材料(例如，氧化物)，其可以作为表层。以这种方式，传感器的封装可以被简化(因为封装本身不需要单独的准备(例如一个窗口)以形成反射表层)。
包含沉积在半导体衬底上的沉积材料的表层包括氮化硅，硅氧氮化物或氧化硅。这些材料是半导体制造常用的材料，可进一步实现低成本制造。
该环境传感器可以成为环境管理系统的一部分，或作为一个独立的传感器，或作为楼宇自动化系统中的传感器网络的一部分。
根据本发明的一个实施例，在存在环境光的情况下确定反射光的强度，需要在光源关闭时进行第一强度测量，在光源开启时进行第二强度测量。减去两个强度，反射光强度将保持不变。
根据本发明的一个实施例中，提供了一种在没有环境光的情况下，测量没有污染层的表层反射的光的强度的方法，用作为净透明表层的校准光强度特性。鉴于不存在污染层，该强度可以被用作与反射光的强度值进行比较的参考值。
根据本发明的实施例，环境光和反射光的频率分析可用于区分各种不同的环境光源。当环境传感器用于建筑物或房间中调整光照条件的系统时，可以利用这样的区分。
根据本发明的实施例，环境光和反射光的频率分析可用于确定污染层的结构、成分和厚薄等因素。
附图说明
图1示出了本发明的在不同衬底上设置光源和光传感器的第一实施例；
图2示出了本发明的在第一实施例的基础上再在不同衬底上增加温度传感器的第二实施例；
图3示出了本发明的光传感器和光源都集成在同一衬底内的第三实施例；
图4示出了本发明的具有集成湿度传感器的第四实施例；
图5示出了图4的环境传感器的顶视图；
图6示出了本发明的表层沉积在半导体衬底上的第五实施例；
图7示出了图6的环境传感器的顶视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了本发明的第一实施例。在这个实施例中，提供了光源15、在半导体衬底20内的光传感器10和表层5。表层5包括一块材料(例如石英)，光可以穿过该材料。它可以是矩形、圆形或其他形状。表层5被暴露在环境中，因此可能积累污染层3。污染层3的材料可以是来自各种来源(如风力，工业活动及吸烟)的各种物质，如油脂，灰尘，颗粒，油和盐等。
来自周围环境的环境光可以穿过污染层3和表层5，并且可以到达光传感器10。污染层3可把来自光源15的一部分光反射到光传感器10上。在半导体衬底20内，可以集成用于测量编程和信号处理的外围电路。这使得可以在t=t1时进行第一强度测量，光源15被关闭，通过污染层和表层5的环境光的强度测量结果为I1。然后在t=t2时，进行第二强度测量，此时光源15被开启，强度测量结果为I2。随后在电路的信号处理部分，把I1从I2中减去，即结果是：Ic=I2-I1，其就是反射光的强度的测量值。由表层5反射的光的强度取决于表层5本身的材料，也取决于污染层的存在。由光传感器接收到的光的量在有污染层的情况对比没有污染层的情况会发生改变，因为一部分的光可以被污染层散射、反射或吸收。因此，由光传感器接收到的光的变化可以作为测量污染层的存在的方式。
t1和t2之间不应该有过大的时间差，只有在t1和t2之间的环境光没有实质性改变的情况下，Ic的测量才是可靠的。t1和t2之间的典型的时间差肯定比1秒少，可以小到几纳秒。例如，当环境传感器是在只有人工照明的房间内时，环境光的强度不会变化很多。然而，当环境传感器是在室外时，环境光波动较大，例如，当有云挡住阳光。在进一步改进中，也可以记录还未暴露在环境中的新的、未使用的环境传感器的反射光的强度Ir，该环境传感器中没有污染层。Ic-Ir的差值也是积累在表层5的污染层3的量的度量值。
在本实施例中，光源15可以以多种方式制成，但使用发光二极管(LED)是非常高效能的方式。可替代地，也可以使用OLED技术来构建光源15。
另外，也可以使用多个产生不同波长的光的光源。例如AlGaAs主要产生红外光，而InGaN主要产生紫外光。在多个波长上执行测量是有利的，可以获取污染层的更多细节信息。
根据第一实施例，光传感器被集成在半导体衬底中。光传感器可以是一个简单的装置，例如光敏电阻(LDR)，或是更先进的设备，例如是可控制空穴或电子在其PN结流动的基于光电二极管或光电晶体的半导体衬底。通过在该半导体衬底的顶部结合使用折射栅格，可以只让特定波长的光传递到光传感器。该栅格可以在制造半导体衬底内不同设备时进行制造，该栅格由多晶硅，电介质或金属材料形成的平行线制成。通过选择适当的线的间隔，可以使不同波长的光到达光传感器。把多个光传感器与不同的栅格相结合，可以产生不同波长的接收光的强度的分布。该特征在污染层性质已知的情况下非常有用，例如已知防污层是油脂或油等有机性质，或是冷凝水。在这种情况下，可选择波长，使得光被有机层或水层吸收。当环境传感器的机载外围电路中包含模型和算法时，这个特征有进一步的改进。在该模型和算法中，可以储存穿过污染层的环境光的波长信息。
图2示意性地示出了本发明的第二实施例。根据该实施例，设置有光源15、半导体衬底20内的光传感器10、表层15，和衬底22内的另外的传感器45(例如温度传感器)。以这种方式，可以把环境传感器扩展到更多的传感器，本质上很难将它们在同一个半导体衬底内集成。例如，光源可以设在GaN衬底内，光传感器可以设在CdS衬底内，温度传感器可以设在硅衬底内。
图3示意性地示出了本发明的第三实施例。根据该实施例，提供了光源15，在半导体衬底20内的光传感器10和表层5。根据本发明的这个实施例，光源15和光传感器都集成在共同的半导体衬底内。本实施例利用了半导体大规模批量制造的优点以实现低成本。另一个优点是，环境传感器结构可以比第一实施例中的更为紧凑。在本实施例中，可以具有发光二极管形成的集成光源15。
图4示意性地示出了本发明的第四实施例。图5提供了第四实施例的顶视图。根据这个实施例，提供了光源15，在半导体衬底20内的光传感器10，表层5，湿度传感器25和具有使湿度传感器暴露于环境的开口35的封装30。也有覆盖暴露于环境中的整个区域的污染层3。湿度传感器可通过测量包含两个交叉指状电极的电容的电容量来实现，其中介电材料可以是湿度敏感聚合物。当聚合物吸收水分，会改变其介电常数，这将导致所测量的电容的变化。
在该示例中，光源15、光传感器10和湿度传感器25都集成在一个共同的半导体衬底内，因此结构紧凑性和低成本方面具有与第三实施例相同的优点。根据本发明的这个实施例，在封装30内提供环境传感器，这在半导体器件中相当普遍，目的是保护环境检测器免受机械、化学和其它影响的损害。该封装支持表层5以与第一和第二实施例相同的测量方式进行测量。如前面提到的，表层5可以由如石英等材料制成，并且能够允许环境光的通过。表层5的尺寸可以比封装中的开口大，以便用相容的胶将它密封在封装的顶部。该封装还提供了开口35，以使集成湿度传感器接触环境。
图6示意性地示出了本发明的第五实施例。图7给出了第五实施例的顶视图。按照这个实施例，提供了光源15，在半导体衬底20内的光传感器10，表层40，封装和湿度传感器25。该封装还为表层5提供了开口35以使湿度传感器接触到外界坏境。第五实施例与第三实施例的区别在于表层的设置方式。根据本发明的实施例，表层直接沉积在半导体衬底上，并可由半导体工艺标准的材料制成，例如硅氧氮化物(SiON的)层或二氧化硅(SiO2)层。可使用化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积技术或旋涂玻璃技术来沉积该层。SiON层或SiO2层的厚度不是非常关键，但典型地是在0.5至1.0微米的范围内。如果需要的话，标准图案(光刻和蚀刻)技术可用于空出需要湿度传感器的衬底。本实施例简化了环境传感器的封装。
已知的，许多样式的环境传感器可以用CMOS技术制成。例如冲击，压力，温度，光，湿度和气体已经有相关技术了。在实施例1和2中，传感器不需要直接与环境接触，如冲击、温度和光传感器可以直接集成在半导体衬底内。在实施方案3和4中，可能添加温度和光传感器，还有如压力，湿度和气体传感器，这些传感器需要直接与环境接触的开口。由于这些传感器会受污染层的影响，具有污染层检测功能的环境传感器是非常有优势的。
一些上面提到的集成污染检测功能的传感器在家庭和楼宇环境管理系统中非常有用。该环境管理系统(EMS)将包含一种环境传感器，它可以监视如温度，湿度，光照水平和空气中的CO2浓度等参数。环境传感器可以是位于整个建筑物的传感器网络的一部分。在这样的应用中，希望可以在半导体衬底内集成能与环境管理系统进行有线或无线通讯的其他电路，并发射输出信号。这些管理系统中，在连续和需要的基础上，环境传感器的输出信号可用于调整制热或制冷、加湿、新鲜空气进口和人工光照强度等。很显然，住宅和建筑物中，环境传感器将要使用很多年。在该期间内，传感器可以追踪污染层的积累的情况。如果将非易失性存储器集成在半导体衬底内，那么这便是可以做到的。该存储器可以用于记录测量工具随时间推移提供的数据。把积累情况报告给管理系统，然后采取适当的行为，如启动维护，以防止非预期的快速积累或非预期的成分的积累，找寻导致故障的原因。
本发明也可应用在其他领域，如移动电话、药片、白色家电、汽车、或体内和体外等领域。
例如，在冰箱中可能积累厚的冷凝水层和油脂层。这可能会导致制造的冰箱存在危害健康的可能。应用环境传感器可以检测到这种层的堆积，并给出需要清洁的信号。
如上述的家、楼宇的环境管理体系中的原则在汽车中也可适用。例如，如果在一辆汽车的前部还有另一辆从排气管排浓烟的车辆，那么环境检测器可以检测空气中的颗粒物或CO浓度的升高，随后关闭汽车的新鲜空气进入的管道。
在移动电话或片剂中应用环境传感器也是可能的，包括测量空间内的压力或CO2水平。
上面给出的所有的实施方案和实施例都是假定有污染层积累的前提下的。可以想到，在实际应用中，环境传感器可能发生表层刻蚀的情况。例如，在环境传感器用于监测某些方面，如工业废水等情况下，表层可能被酸所刻蚀，其表层结构也可能发生改变。这就将导致反射光强度的变化，这样的信号可以达到监控的目的，以及发出环境感应器完整性受威胁的警告信号。在这样的例子中，防污层包括表层受影响(例如蚀刻)的部分。
相应的，已经描述了环境传感器和操作环境传感器的方法。环境传感器包括：包含光传感器的半导体衬底，表层，环境光可以通过该表层传递到达光传感器，和光源，该光源被设置为照亮表层，该表层反射该光源的至少一部分光到光传感器上，环境传感器被配置为通过比较坏境光和至少一个光传感器的反射光的测量值来确定该表层上污染层的存在。
虽然已经描述了本发明的特定实施例，可以理解的是，在本发明要求的保护范围内可以进行许多修改/添加和/或取代。

Claims (15)

1.一种环境传感器，其特征在于，包括：
包含光传感器的半导体衬底；
表层，环境光可以通过该表层传递到达光传感器；和
光源，该光源被设置为照亮表层，从而该表层反射该光源的至少一部分光到光传感器上；
其中，所述环境传感器被设置为通过比较坏境光和至少一个光传感器的反射光的测量值来确定该表层上污染层的存在。
2.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于，包括至少一个另外的传感器。
3.根据权利要求1或2所述的环境传感器，其特征在于，所述光传感器和光源被集成在共同的半导体衬底中。
4.根据前述任一权利要求所述的环境传感器，其特征在于，所述光传感器，光源和另外的传感器分别集成在共同的衬底上，其中，至少一个另外的传感器位于所述衬底的第一区域，所述光源和光传感器位于所述衬底的第二区域，通过表层避免将第二区域暴露在环境中，将第一区域暴露在环境中。
5.根据前述任一权利要求所述的环境传感器，其特征在于，所述光源是LED装置。
6.根据前述任一权利要求所述的环境传感器，其特征在于，该环境传感器被设置为分析接收到的光的频谱来区分不同类的环境光源。
7.根据前述任一权利要求所述的环境传感器，其特征在于，所述表层在环境传感器的封装中，包括窗口。
8.根据前述任一权利要求所述的环境传感器，其特征在于，所述表层包括沉积在半导体衬底上的材料。
9.根据权利要求8所述的环境传感器，其特征在于，所述沉积在半导体衬底上的材料包括氮化硅，氮氧化硅或二氧化硅。
10.一种环境管理系统，其特征在于，包括至少一个根据前述任一权利要求所述的环境传感器。
11.一种操作环境传感器的方法，其特征在于，包括包含光传感器的半导体衬底、表层和光源，其中，环境光可以通过该表层传递到达光传感器，该光源被设置为照亮表层，从而该表层反射该光源的至少一部分光到光传感器上，该方法包括：
通过比较坏境光和至少一个光传感器的反射光的测量值来确定该表层上污染层的存在。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
进行第一测量，包括鉴于光源关闭的情况，测量经过表层的环境光的强度；和
进行第二测量，包括鉴于光源开启的情况，测量到达光传感器的光的强度；和
将第二测量强度减去第一测量强度；和
用该相减的结果来确定反射光的强度。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括在没有环境光的情况下，通过光传感器测量没有污染层的表层反射光源后的光的强度，用作为干净透明表层的校准光强度特性。
14.根据权利要求11至13任一项所述的方法，其特征在于，分析接收到的光的频谱来区分不同类的环境光源。
15.根据权利要求11至14任一项所述的方法，其特征在于，包括使用环境光和反射光的频率特性来确定污染层的结构或厚度。
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