CN104167415A - 半导体器件和识别标签 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件和识别标签。一种半导体器件包括半导体衬底、附接至该半导体衬底的电池和附接至该半导体衬底的传感器。该电池电连接至该传感器并且被配置为向该传感器供应电功率。

Description

半导体器件和识别标签

技术领域

本文所描述的实施例涉及半导体器件，尤其涉及包括识别标签的半导体器件。

背景技术

有持续的需要以确定例如与库存、产品制造、经营和相关操作相关联的对象的身份和位置。这样的操作为准确监视对象的位置和流动形成了挑战。适当配置为要与诸如货物、物品、人员或动物或者任意其它类型的移动对象的各种对象相关联而促成位置和数据追踪的标签器件可以被用来监视对象的移动。一种这样的标签追踪系统是电子识别系统，诸如RFID。RFID标签出于追踪对象的目的而被附接、连接或者以某些方式与对象相关联，并且存储和获取与对象相关的信息。

与RFID标签附接到的对象相关的任意数据或信息能够被写入RFID标签的存储器并存储在其中。RFID标签将被适当电磁场中的特殊读取器所检测，并且存储在标签中的信息可以在期望的情况下被读取和改变。通常，RFID标签器件是完全无源的，这意味着它们并不包括板载电源。这导致了小型且便携的封装。然而，无源标签仅能够在相对短范围的距离内操作并且被用来供电并且与标签通信的场的范围所限制。

有源RFID标签包括连接至标签以增加可检测范围的电源。然而，由于增加了电池，RFID标签在物理上变得更大并且更为昂贵。大型和刚性的标签通过限制应用而降低了标签的可用性。

发明内容

根据一个实施例，一种半导体器件包括半导体衬底，附接至该半导体衬底的电池以及附接至该半导体衬底的传感器。该电池电连接至该传感器并且被配置为向该传感器提供电力。

根据另一个实施例，一种识别标签包括半导体衬底，集成在该半导体衬底中的电池，以及集成在该半导体衬底中的传感器。

根据另一个实施例，一种识别标签包括被配置为存储识别信息的存储器、电池以及传感器。该电池电连接至该传感器并且被配置为向该传感器提供电力。

通过阅读以下详细描述以及观看附图，本领域技术人员将会认识到附加的特征和优势。

附图说明

附图被包括于此以提供对实施例的进一步理解并且结合在该说明书中并且构成其一部分。附图图示了实施例并且连同描述一起用来对实施例的原理进行解释。其它实施例和实施例的许多预期优势将由于它们通过参考以下详细描述而被更好地理解而被轻易意识到。附图中的要素并非必然相对于彼此成比例。同样的附图标记指定相对应的相似部分。

图1示出了包括根据实施例的包括电池和温度传感器的半导体器件(A)的示意性横截面侧视图以及传感器区域(B)的顶视图。

图2示出了包括电池和冲击传感器的半导体器件(A)的示意性横截面侧视图以及传感器区域(B)的顶视图。

图3示出了根据实施例的射频识别(RFID)标签的示意性模块。

具体实施方式

现在参考附图对各个方面和实施例进行描述，其中同样的附图标记总体上始终被用来指代同样的要素。在以下描述中，出于解释的目的给出了多个具体细节以提供对实施例的一个或多个方面的全面理解。然而，对于本领域技术人员而言，实施例的一个或多个方面显然可以利用较低程度的具体细节而得以实践。在其它情况下，已知结构和要素以示意形式示出以促进实施例的一个或多个方面的描述。要理解的是，其它实施例可以被加以利用并且可以在不背离本发明范围的情况下进行结构或逻辑的变化。应当进一步注意的是，附图并非是依比例绘制或者不必依比例绘制。

此外，虽然可能仅关于若干种实施方式之一公开了实施例的特定特征或方面，但是如针对给定或特定应用而言所期望或有利的，这样的特征或方面可以与其它实施方式的一个或多个其它特征或方面相结合。此外，就术语“包括”、“具有”、“带有”或者在其详细描述或权利要求中所使用的其它变化形式的范围而言，这样的术语意在以类似于术语“包含”的方式而是包含性的。可以使用术语“耦合”和“连接”连同派生词。应当理解的是，这些术语可以被用来指示两个要素互相协作或交互而不论它们是否处于直接的物理或电气接触还是它们并未直接互相接触。而且，术语“示例性”仅意味着作为示例而并非是最佳或最优。因此，以下详细描述并非以限制的含义被加以理解，并且本发明的范围由所附权利要求所限定。

在特定实施例中，分层或分层堆叠可以被互相应用，或者材料可以被应用或沉积到分层上。诸如“应用”或“沉积”的任意术语意在覆盖将分层应用于彼此之上的任意已知技术。特别地，术语“应用”或“沉积”意在覆盖其中分层作为整体被一次性应用的技术，例如层压技术，以及其中分层以例如溅射、电镀、模塑、CVD等的顺序方式进行沉积的技术。

半导体器件可以在其一个或多个外表面上包括接触元件或接触焊盘，其中接触元件用于与半导体器件电接触。接触元件可以具有任意所期望的形式或形状。例如，它们可以具有平面形式，即半导体封装的外表面上的扁平接触层。接触元件或接触焊盘可以由任意导电材料所制成，例如由诸如铝、金或铜的金属所制成，或者例如由金属合金或导电有机材料或导电半导体材料所制成。

术语“连接”和“耦合”包括相接触的元件之间的直接连接，或者通过一个或多个无源或有源元件、中间器件或部件的间接连接。

“一个”(“a”、“an”和“the”)的含义包括复数引用。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。此外，除非以其它方式指出或者与这里所公开的不符，否则对单数的引用包括对复数的引用。

图1A示出了根据一个实施例的半导体器件的示意性横截面侧视图。图1B示出了半导体器件的传感器区域的顶部视图的表示。

图1A的半导体器件100包括半导体衬底10，附接至半导体衬底10的电池20以及附接至半导体衬底10的传感器30。电池20电连接至传感器30并且为传感器30提供电力。

在图1A-1B所示的实施例中，传感器30包括温度传感器。然而，一般而言，传感器30可以是任意类别或类型的传感器，例如冲击传感器、加速度传感器、辐射传感器以及电场或磁场传感器。传感器30可以以微机电传感器(MEMS)的形式进行配置。传感器30还可以被配置为使得其执行能量采集器的功能。在这样的情况下，能量采集器例如可以被配置为对电池充电。

根据半导体器件的一个实施例，该传感器是包括热电偶或热电堆中的至少一个的温度传感器。

根据半导体器件的一个实施例，该传感器包括以下的一个或多个：冲击传感器和加速度传感器，其中该冲击传感器或加速度传感器包括可移动元件以及连接至该可移动元件的压电元件。

根据半导体器件的一个实施例，该传感器包括辐射传感器，其中该辐射传感器包括PN结和光电二极管中的一个或多个。

根据半导体器件的一个实施例，该传感器包括电场或磁场传感器，其中该电场或磁场传感器包括场感应元件，诸如Hall传感器、各向异性磁阻传感器、隧道磁阻传感器或大磁阻(GMR)传感器。

根据半导体器件的一个实施例，该传感器被配置为感应预定数值，例如温度、加速度、辐射等，并且传感器自身或者与传感器相连接的电路被配置为检测该预定数值何时超出或低于预定阈值。该电路可以进一步被配置为记录该预定数值何时超出或低于预定阈值。这样的事件可以被记录在附接至该半导体器件的半导体衬底或集成于半导体衬底中的存储器中。

根据一个实施例，该半导体器件被配置作为识别标签，并且进一步包括用于在其中存储识别信息的存储器。该识别信息意在唯一地识别该识别标签与之附接的对象。该存储器因此还可以被用来记录如之前所描述的事件。在读取操作中，读取器接近相对于标签的空间距离和位置而使得该标签的存储器可以被读出。识别标签可以进一步被配置为射频识别(RFID)标签，在这种情况下其进一步包括射频收发器。

根据一个实施例，该传感器使用电池的制作工艺的处理步骤进行制作，例如用来封闭电池电芯并承载第二电极的薄膜的微加工空腔或分层。

如图1A所示的半导体器件100包括半导体衬底10，例如硅质衬底。半导体衬底10包括第一上部主面10A和第二下部主面10B。电池20主要被布置在第一主面10A中所形成的第一凹进区域内。电池20包括设置在第一凹进区域的整个底部表面上的第一电池电极21。第一凹进区域完全被电池20的电池主体所填充。与半导体衬底10的上表面共面的电池主体的上表面被第二电池电极22所覆盖。封装或密封层15被应用于半导体衬底10以及第一和第二凹进区域上以使得其也覆盖第二电池电极22。在封装层15内，可以设置布线或连线层16，其与第二电池电极22相连接并且可以具有与封装层15的上表面共面的上表面并且可以用来将电池20与外部器件或元件相连接。布线层16也可以被用来将电池20与温度传感器30相连接。

温度传感器30可以包括空的凹进区域31和热电堆32。热电堆32可以以具有p掺杂硅32.1和n掺杂硅32.2的交替分段的曲折形式进行配置。热电堆32可以被应用在覆盖第二凹进区域并且基本上与硅衬底10的第一主面10A共面的薄膜或隔膜之上。热电堆32也被封装层15所覆盖。空置空间31可以与外部连通而使得空置空间31内的温度对应于半导体器件100的环境温度。半导体器件100可以附接至对象的表面以用于监视对象与环境温度之间的温度差。如果半导体器件100被附接至对象的表面，而其温度明显不同于在半导体器件100的另一侧的环境温度，则基于塞贝克(Seebeck)效应进行操作的热电堆32可以被用来形成从热侧到冷侧的电流。在具有大的温度梯度的情况下，该电流可能有益于对电池20进行充电，但是在许多情况下，热电堆32仅被用来检测温度差。例如，在冷却或冷冻货物的情况下，标签可以被附接在被监视对象的表面上。对于冷链中断的紧要情况，冷却货物的表面间的温度与环境温度相比明显温度更低。在这种情况下，硅衬底10可以被用来将热电堆32的一侧导通至冷却对象，同时热电堆32的另一侧则被热耦合至被环境温度加热的芯片表面区域。热电堆32可以输送能够利用超低功率阈值检测电路进行观察的可检测电压。如果超出了温度差的阈值，则即使该事件在并未安排温度测量的时间段期间出现，也能够激活消耗更多能量的绝对温度传感器。因而，在不承担错失其间的相关温度变化的风险下，温度测量周期可以明显增加，例如两次测量间是30分钟而不是数秒。绝对温度传感器的两次唤醒之间的可容忍距离与热电堆32的敏感度相反。

图1B示出了包括空的空间31和热电堆32的温度传感器的顶视图表示。图1A的横截面图沿图1B所示的平面A-A取得。如果环境温度不同于硅衬底10的温度，则隔膜可以由于低的热质量和高的热阻而适应于环境温度。热电堆32的p和n掺杂导体跨过两个不同温度分区之间的边缘并且塞贝克效应将会导致自由电荷载子从暖侧移动至冷侧。这种电荷载子的流动形成了沿导体与温度梯度成比例的电压。由于所有导体都被串联连接并且p和n掺杂分区具有不同极性的电荷载子，所以所有压降累加为与温度差成比例的相对高的输出电压。

图1B还示出了可以集成在硅衬底10中并且可以相对电池20附近设置以监视电池20的温度的电池温度传感器40(图1A中未示出)。图1B中还示出了可以包括集成电路芯片并且可以集成在硅衬底10中的功率管理单元50，其功能将在此进行解释。

图1A-1B的半导体器件100可以被配置作为识别标签，特别是射频识别标签(RFID)，其中射频收发器芯片集成在硅衬底10中并且天线与射频收发器芯片相连接。

图2A示出了根据一个实施例的半导体器件200的横截面侧视图表示。半导体器件200还包括电池20，其可以与图1A的电池20以相同方式进行配置。半导体器件200进一步包括冲击传感器60，其在图2B的顶视图表示形式中更为详细地示出。冲击传感器60包括可移动质量61、连接至可移动质量61的悬臂62，以及应用于悬臂62的压电层63。可移动质量61和悬臂62可以通过执行封装层15的附加构造而接近密封或封装层15形成。封装层15可以由硅、玻璃或者任意类型的合成材料所制成。冲击传感器60进一步包括形成在硅衬底10的第一主面10A中的空的空间64。压电层63的材料可以被溅射在悬臂62上而使得其无需被整合到承载电子元件的硅晶片的制作过程中。压电层63与连线层65相连接。

半导体器件200可以被用作识别标签，其用于监视由于运输而处于移动之中的货物。半导体器件200还可以被用来从运动的动能采集能量。显然，可获得的能量取决于诸如加速度强度、加速时间段的出现概率之类的因素，并且取决于采集器中所使用的可移动质量的大小。半导体器件200能够以以下方式进行配置，其中冲击传感器60在其作为能量采集器进行工作时仅在加速情况下输送能量，从而其能够被用作事件检测传感器，其辨识超出特定阈值能量的冲击。这消耗能量以唤醒加速度测量模块并且与常规加速度传感器相比从电池消耗能量。这必须十分频繁地进行以便避免错失短促冲击。利用将在事件情况下输送与加速度成比例的能量的采集器，这完全是非必要的。在这种情况下，用于对来自采集器的加速度信号进行处理的另外的加速度测量电子器件在所采集的信号能量保持低于阈值的情况下必须不被唤醒。

半导体器件的另一个可能应用示例是监视不应当暴露于光线或红外辐射的产品。这种情况下，辐射传感器可以是简单的输送光电流的PN结。其操作与针对图1A、B中的温度监视标签所描述的操作非常相似。该光电二极管的暗电流能够被阈值检测器所监视，其具有最小的电池电流消耗。如果超过了阈值，则能够记录事件并且在有必要的情况下能够发起更为精确的测量。这样的光线检视标签的可能应用可能是薄膜材料或者光敏制药产品。光敏标签还可以在警报系统中使用以监视门或窗是否被打开。

图3示出了根据一个实施例的射频识别(RFID)标签的示意性框图。图3的RFID标签300包括功率管理单元310、集成电池320和能量采集器330，该能量采集器330也可以被用作例如热电堆的传感器，其中该配置还可以反之亦然如此，其中基准信号330表示也能够被用作能量采集器的传感器。RFID标签300进一步包括读取器接口340以及至少一个电池供电模块350。此外，可以存在可由功率管理单元310单独控制的附加的电池供电模块，以及在标签与读取器站点相接触的情况下接收外部能量的模块。如果在读取器之外完全或部分要求外部供电功能的功能，则这些模块也可以由电池320进行供电。

电池供电模块350包括对应于不同电池供电功能的多个部分。第一部分350.1可以包括向唤醒电路供应能量的功能。第二部分350.2可以包括向传感器或能量采集器330供应能量的功能。第三部分350.3可以包括向微控制器供应能量的功能。第四部分350.4可以包括向射频收发器供应能量的功能。显然，可以有对应于另外的电池供电功能的另外部分。

功率管理单元310包括可以对应于如图1B所示的电池温度传感器40的电池监视器311、充电器312、电压控制器313以及多个电开关。在操作中，标签300可以运行经过一系列操作，这些操作可以由在节电时间段之后唤醒至少一个更为复杂的电池供电功能的计时器进行安排。根据例如传感器信号、技术状态或所接收的RF信号的在唤醒决定之后检测到的事件，取得有关其它所要求的操作和下一休眠时间段的长度。在完成所要求的操作之后，标签300被设置回到休眠模式。如果使用了一次性电池，则除非电池为空否则可以继续进行该序列。在这种情况下，电池能量设定了标签300的寿命限制。在这种情况下，电池的大小必须保证在所要求的最大操作时间上具有充分余量的操作。最大操作时间对于例如疫苗监视而言可以为数月，而对于飞机上的行李箱的追踪而言可以为数日。

能量采集器330的输出被连接至充电器312的输入，并且充电器312的输出与集成电池320的输入相连接。然而，能量采集器330的功能并非必然是如常规能量采集方法中那样对电池320进行充电。如已经结合图1A-1B和2A-2B所解释的，能量采集器或传感器330可以被用来利用来自电池320的最小能量消耗而检测与标签的监视功能相关的事件。该事件检测被用来对消耗能多能量的操作的安排进行操控，上述操作例如更为准确的测量、RF传输或复杂信号处理。

如果标签300可在超过电池寿命的时间段上使用，则其应当被配备有充电机制。对于标签300被能够为其供应能量的读取器频繁读取的情况，可以在读取过程期间实现对电池320的充电。这对于电池容量低并且充电能力允许高电荷传输速率的情形而言是特别令人感兴趣的。在这种情况下，允许以不超过电化学电芯的最大额定温度的方式对充电电流进行控制的温度测量使得能够将充电电流控制为可容忍的余量并且保证在每次读取器接触期间达到可实现的电荷传输。

另一种允许更长充电时间的选择涉及特殊充电站。除了专门的充电器件之外，移动电话可以是一种专用于针对每天使用而构建的标签的选择。针对这种情形，标签被长时间附接至智能电话(直接通过插头附接或者通过将2个线圈进行耦合而感应附接，如果标签制作技术为支持RF的，则用于接近电话天线的标签的口袋也将是一种接收能量的选择)而仅在有限时间段被取下(例如，在运动活动期间被用作计步器或心率监视器以及数据记录器的标签)。在标签使用之后，当标签被附接至电话时，该标签所收集的信息就能够再次被电话所读取。

对于提供能够被集成能量收集器以与至少一些预期标签功能所要求的相同量级提取能量的方式加以利用的能量源的应用而言，所采集的能量可以被输送至电池充电器312。

可选地，电池320的状态至少通过适当计量器314对流入和流出电池320的电流及其输出电压的测量而得以被监视。与电池电芯的特性数据相结合，该信息传递了对电荷状态以及电池内部电阻的估计。由于化学过程是强烈依赖于温度的，所以来自如电池温度传感器的附加传感器的信息可以使得电池监视的准确性有所提高，该电池温度传感器诸如参考图1B中利用附图标记40所示出和表示的，其由于集成在相同裸片上而接近于电池。只要标签电路并未产生明显热量或者应用要求对热或冷的对象的部分接触，则硅裸片温度应当在整个芯片上是几乎恒定的。在这种情况下，电池温度传感器也可以用作应用温度传感器。标签的操作可以根据电池状态如下变化：

a.如果电荷的某些状态被截取(undercut)，则操作序列通过休眠时间段的延长而拉长，

b.如果电荷的某些状态被截取，则从操作序列排除较不重要的分块，

c，如果电池电荷接近于操作极限，则发起关断操作，例如，除非标签被读取否则使得计时器无效并且使用其余电荷来保持数据日志存储器中的信息而使得它们可用，

d.在电池温度指示其无法再传递所需电流的情况下例如通过降低电池驱动模块的时钟频率或者顺序运行通常基本上并行执行的功能而使得操作被拉长。

虽然已经关于一种或多种实施方式对本发明的实施例进行了说明和描述，但是可以针对所说明的示例进行替换和/或修改而并不背离所附权利要求的精神和范围。特别关于以上所描述的部件或结构(组件、器件、电路、系统等)所执行的各种功能而言，除非另外指出，否则即使在结构上并不与执行这里所说明的本发明示例性实施方式中的功能的所公开结构等同，但是用来描述这样的部件的术语(包括对“装置”的引用)意在对应于执行所描述部件的制定功能的(例如，在功能上等效的)任意部件或结构。

Claims (21)

1.一种半导体器件，包括：

半导体衬底；

电池，所述电池附接至所述半导体衬底；以及

传感器，所述传感器附接至所述半导体衬底，其中所述电池电连接至所述传感器并且被配置为向所述传感器供应电功率。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述传感器包括以下的一个或多个：温度传感器；冲击传感器；加速度传感器；辐射传感器；和能量采集器。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述传感器包括温度传感器，并且其中所述温度传感器包括热电堆。

4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述传感器包括以下的一个或多个：冲击传感器和加速度传感器，并且其中所述冲击传感器或所述加速度传感器包括可移动元件以及连接至所述可移动元件的压电元件。

5.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述传感器包括辐射传感器，并且其中所述辐射传感器包括光电二极管。

6.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述传感器包括能量采集器，并且其中所述能量采集器被配置为对所述电池再充电。

7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述传感器被配置为感测预定值并且检测所述预定值何时超出或低于预定阈值。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述半导体器件被配置为记录所述预定值何时超出或低于所述预定阈值。

9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述半导体器件被配置作为识别标签并且进一步包括存储器以在所述存储器中存储识别信息。

10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述半导体器件被配置作为射频识别(RFID)标签并且进一步包括射频收发器。

11.一种识别标签，包括

半导体衬底；

电池，所述电池集成在所述半导体衬底中；以及

传感器，所述传感器集成在所述半导体衬底中。

12.根据权利要求11所述的识别标签，进一步包括：

存储器，所述存储器被配置为存储识别信息。

13.根据权利要求12所述的识别标签，其中所述存储器集成在所述半导体衬底中。

14.根据权利要求11所述的识别标签，进一步包括：

微控制器，所述微控制器集成在所述半导体衬底中。

15.根据权利要求11所述的识别标签，进一步包括：

电池监视器，所述电池监视器被配置为监视以下的一个或多个：所述电池的输入电流、输出电流和输出电压。

16.根据权利要求15所述的识别标签，其中所述电池监视器集成在所述半导体衬底中。

17.一种识别标签，包括：

存储器，所述存储器被配置为存储识别信息；

电池；以及

传感器，其中所述电池电连接至所述传感器并且被配置为向所述传感器供应电功率。

18.根据权利要求17所述的识别标签，进一步包括：

硅衬底，其中所述存储器、所述电池和所述传感器集成在所述硅衬底中。

19.根据权利要求17所述的识别标签，进一步包括：

功率管理单元，所述功率管理单元被配置为对所述电池向所述识别标签的不同部分的电功率供应的激活与去激活进行控制。

20.根据权利要求19所述的识别标签，其中所述功率管理单元被配置为根据所述电池的电荷状态而对激活和去激活进行控制。

21.根据权利要求19所述的识别标签，其中所述功率管理单元集成在所述硅衬底中。