CN108700540A

CN108700540A - 用于生成测量信号的传感器装置和方法

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Publication number: CN108700540A
Application number: CN201780012082.3A
Authority: CN
Inventors: 希尔科·瑟伊; 迪米特里·索科尔
Original assignee: AMS Ltd
Current assignee: BAE Systems Integrated System Technologies Ltd
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-02-07
Also published as: WO2017140530A1; EP3208610A1; US10921277B2; CN108700540B; US20190041349A1; EP3208610B1

Abstract

传感器装置(10)包括电容传感器(11)，电容传感器(11)具有第一电极线(12)、第二电极线(16)和第三电极线(20)以及布置在第一、第二和第三电极线(12、16、20)上的敏感层(30)。传感器装置(10)包括读出电路(50)，读出电路(50)包括电容数字转换器(51)，电容数字转换器(51)耦合到第一、第二和第三电极线(12、16、20)并且被配置为使用第一和第二电极线(12、16)生成第一测量信号(S1)以及使用第三电极线(20)生成第二测量信号(S2)。

Description

用于生成测量信号的传感器装置和方法

本发明涉及一种用于生成测量信号的传感器装置和方法。

传感器装置配置为化学传感器装置。因此，传感器装置设计为用于测量气体或液体中的参数。例如，传感器装置可以实现用于检测湿度，即用于检测空气中的水分子。

具有敏感层的电容传感器通常用于湿度检测。湿度可能改变敏感层的几个参数。但是，通常仅测量敏感层的一个参数。

本发明的目的是提供一种用于生成测量信号的传感器装置和方法，其允许测量敏感层的一个以上的参数。

该目的由独立权利要求解决。在从属权利要求中描述了其他进展和实施例。

在实施例中，传感器装置包括电容传感器和读出电路。电容传感器包括第一电极线、第二电极线、第三电极线和敏感层。敏感层布置在第一、第二和第三电极线处。读出电路包括电容数字转换器，简写为转换器。读出电路耦合到第一、第二和第三电极线。读出电路被配置为使用第一和第二电极线生成第一测量信号，并至少使用第三电极线生成第二测量信号。

由于第一、第二和第三电极线布置在敏感层处，因此能够生成一个以上的测量信号，并且因此能够测量一个以上的敏感层的参数。有利地，传感器装置允许从敏感层获得更多信息。

在实施例中，敏感层与第一、第二和第三电极线接触。

在实施例中，转换器在其输入侧耦合到第一、第二和第三电极线。转换器生成第一测量信号和第二测量信号。

在可替代实施例中，转换器在其输入侧耦合到第一和第二电极线。转换器生成第一测量信号。读出电路包括另外的电容数字转换器(简写为另外的转换器)，其至少耦合到第三电极线。该另外的转换器生成第二测量信号。

在实施例中，传感器装置实现为化学传感器装置。化学传感器装置可以实施为气体传感器装置。气体传感器装置可以配置为湿度传感器装置。由于水分子是气体的示例，因此湿度传感器装置是气体传感器装置的实施例。

在实施例中，敏感层设计成吸收待检测的气体，例如CO₂或SO₂。敏感层可以根据吸收的气体改变其介电常数。敏感层可以根据吸收的气体改变其电容和/或其电阻。

在气体传感器装置被配置为湿度传感器装置的情况下，由敏感层吸收的气体是水分子H₂O。但是，湿度传感器的行为通常与用于其他气体的气体传感器不同，这是因为水分子与CO或碳氢化合物一样，是不可燃的，具有高浓度并且在空气中具有上限。

敏感层可以是聚合物。敏感层可以由聚酰亚胺制成。

在实施例中，第一、第二和第三电极线被配置为使得第一测量信号比第二测量信号更依赖于敏感层的膨胀。当敏感层吸收待检测的气体(例如水分子)时，可能发生敏感层的膨胀。

在实施例中，第一测量信号比第二测量信号更依赖于敏感层的厚度变化。敏感层通过膨胀增加其厚度。

膨胀可以是可逆的膨胀、永久膨胀或部分可逆且部分永久的膨胀。在可逆膨胀的情况下，敏感层的厚度随着待检测气体浓度(例如湿度)的上升而增加，且随着待检测气体浓度(例如湿度)的下降而降低。在永久膨胀的情况下，当要检测的气体的浓度(例如湿度)下降时，敏感层的厚度不会降低。

在实施例中，第一、第二和第三电极线被配置为使得第二测量信号比第一测量信号更依赖于敏感层的体特性。

在实施例中，读出电路根据第一测量信号和第二测量信号提供气体信号。因此，第一和第二测量信号二者都用于确定气体信号。气体信号可以是湿度信号。

读出电路可以具有耦合到转换器的数字处理器。可替代地，读出电路的数字处理器耦合到转换器和另外的转换器。数字处理器可以实现为微控制器、微处理器或状态机。读出电路可以包括耦合到数字处理器的存储器。

数字处理器可以计算气体信号。

在实施例中，数字处理器使用以第一和第二测量信号作为输入的方程和/或查找表来计算气体信号。

在实施例中，数字处理器使用以第一测量信号作为输入的第一方程和/或第一查找表来计算第一气体信号。此外，数字处理器使用第二等式和/或第二查找表并使用第二测量信号作为输入来计算第二气体信号。数字处理器可以计算第一和第二气体信号的平均值作为气体信号。

在实施例中，读出电路根据第一和第二测量信号提供漂移信号。数字处理器可以执行对该漂移信号的计算。数字处理器可以根据第一和第二测量信号以及存储在存储器中的数据提供漂移信号。

在实施例中，数字处理器可以使用第一和第二气体信号作为输入来计算漂移信号。当第一气体信号不同于第二气体信号时，漂移信号具有指示漂移的值。漂移信号的值可以是第一和第二气体信号之间的差的函数，例如，可以与所述差成比例。

在实施例中，读出电路将第一和第二测量信号与存储在存储器中的相关性数据进行比较。读出电路根据比较结果计算漂移信号。如果第一和第二测量信号彼此相关，则读出电路可能计算出表示不存在漂移的漂移信号的值。在第一和第二测量信号仅具有小相关或不相关的情况下，读出电路计算出的漂移信号具有指示漂移的值。

在实施例中，传感器装置根据漂移信号的值执行偏移校正、生成警报信号和/或开始再生循环。读出电路可以被配置为将漂移信号的值与阈值进行比较并且在漂移信号高于阈值的情况下生成警报信号、开始再生循环和/或执行偏移校正。可替代地，读出电路可以对漂移信号的每个指示漂移的值执行偏移校正。

在实施例中，电容传感器包括第四电极线。敏感层布置在第四电极线处。第四电极线耦合到读出电路。读出电路被配置为使用第三和第四电极线生成第二测量信号。转换器可以在其输入侧上耦合到第三和第四电极线。

在读出电路包括转换器和另外的转换器的情况下，另外的转换器在其输入侧上耦合到第三和第四电极线。转换器在其输入侧上耦合到第一和第二电极线。

在实施例中，敏感层与第四电极线接触。

在实施例中，第一、第二、第三和第四电极线被配置为使得第一测量信号比第二测量信号更依赖于敏感层的膨胀。

在实施例中，第一、第二、第三和第四电极线被配置为使得第二测量信号比第一测量信号更依和赖于敏感层的体特性。

在实施例中，第一和第二电极线到敏感层和环境气体之间的界面的距离小于第三和第四电极线到所述界面的距离。因此，第一到第四电极线可以布置在不同的平面中。因此，界面处的参数的变化能够通过第一和第二电极线检测到，并且将第一测量信号变化到比第二测量信号更高的程度。敏感层的主体变化能够通过第三和第四电极线更容易地检测到，并且因此将第二测量信号变化到比第一测量信号更高的程度。

在实施例中，电容传感器包括半导体衬底和在半导体衬底上方的至少一个介电层。第一和第二电极线到半导体衬底的距离大于第三和第四电极线到半导体衬底的距离。

第三和第四电极线可以被敏感层覆盖。第三和第四电极线可以各自具有被敏感层覆盖的上表面。第三和第四电极线可以具有被敏感层覆盖的侧表面。第一到第四电极线并排布置在介电层上。

在可替代实施例中，第一电极线布置在第三电极线的上方。相应地，第二电极线布置在第四电极线的上方。另外的介电层布置在第一和第三电极线之间以及第二和第四电极线之间。另外的介电层还可以称为分离介电层。第一和第二电极线堆叠在第三和第四电极线的上方。第三和第四电极线并排布置在介电层上。

在实施例中，第一和第二电极线被敏感层覆盖。

在可替代实施例中，第一和第二电极线仅部分地被敏感层覆盖。例如，第一和第二电极线的上表面可以没有敏感层。例如，仅第一和第二电极线的侧表面的一部分可以与敏感层接触。

在实施例中，敏感层和环境空气的界面在第一和第二电极线的上表面的下方并且在下表面的上方。可选地，所述界面可以在上表面和下表面的中间。因此，所述界面可以在第一和第二电极线的侧表面的中间。

在实施例中，敏感层可以不是完全平坦的。敏感层的厚度可以在第一和第二电极线附近比在第一和第二电极线之间的区域中更高。然而，能够限定敏感层的平均厚度和敏感层到环境空气的平均界面。因此，敏感层到环境空气的平均界面在第一和第二电极线的上表面的下方并且在下表面的上方。

在实施例中，第一、第二和第三电极线布置在平面中。第一、第二和第三电极线到电容传感器的半导体衬底的距离近似相同。

在实施例中，第一电极线到第二电极线的距离大于第一电极线到第三电极线的距离。读出电路通过第一和第二电极线之间的电容测量值生成第一测量信号。此外，读出电路通过第一和第三电极线之间的电容测量值生成第二测量信号。

在实施例中，第一和第二电极线在第一阶段中耦合到转换器，并且第一和第三电极线在第二阶段中耦合到转换器。由于第一电极线到第三电极线小的距离，第二测量信号比第一测量信号更依赖于敏感层的体参数。由于第一电极线到第二电极线较大的距离，第一测量信号比第二测量信号更依赖于敏感层的表面处的参数。

在实施例中，电容传感器包括换能器布局，该换能器布局被配置为跟踪永久性的材料变化，例如敏感层的永久变化。

传感器装置可以执行对传感器漂移的主动消除。

传感器装置可以跟踪由于材料变化(即，膨胀)和体介电常数变化引起的电容读数的差异，从而检测漂移(或永久电容变化)并将漂移(或永久电容变化)与规则的介电变化分离。因此，传感器装置能够抵消敏感层中的漂移。传感器漂移通常能够归因于敏感层的体效应，敏感层也称为材料或气体敏感层。

传感器装置可以使用至少两种材料特性来确定气体浓度或相对湿度。因此，传感器读数的准确度增加。传感器装置能够识别何时需要恢复处理。这种恢复处理可以使材料(例如，敏感层)返回到其原始状态。

传感器布置可以包括跟踪相对湿度敏感的体材料中是否发生永久变化。传感器装置可以包括识别漂移以启动对这些效应的对策。传感器装置同时监视气体敏感材料中的多种漂移(永久膨胀和介电常数漂移)并确定启动对策的条件。传感器装置识别漂移并触发警报或片上对策。

传感器装置可以设计成通过两个电容测量值来跟踪两种不同的材料特性。这是通过调整换能器布局(包括不同的电极组)或/和通过在同一电极组上施加不同的电极极化来实现的。

传感器装置可以设计成识别漂移。连续比较两个电容测量值。理想情况下，存在相对湿度-(可逆)膨胀-(可逆)介电常数变化之间的相关性图或相关性数据。如果发生不可逆的膨胀，则尺寸材料变化将不再与根据先前漂移相关性的介电常数变化相对应。对传感器装置的双电容测量识别与该相关性的偏差。

敏感层可以是聚合物材料或其他材料类别，例如金属-有机骨架(简写为MOF)或离子液体。敏感层可以设计用于电容测量或电容气体感测。

在实施例中，传感器装置独立地从聚合物厚度和聚合物主体介电常数获得信息。为了通过电容测量实现这一点，聚合物的厚度和电极线的间距是精确匹配的。电容厚度测量利用延伸超出空气-聚合物界面的电场线。例如，电极线和聚合物-空气界面之间的距离应该小于电极线的间距的三倍(经验法则)。对于测量聚合物介电特性的电极线，正好相反：到空气-聚合物界面的距离应该是电极线的间距的三倍以上。

在实施例中，传感器装置可以经由使用两个不同组的电极线(具有到空气/聚合物界面的不同距离)或/和经由改变电极配置，来跟踪永久性的材料变化。聚合物膨胀且特别是永久聚合物膨胀通常仅使空气/聚合物界面移位非常小的量，通常为几纳米。与完全被聚合物覆盖的电极配置相比，未被聚合物完全覆盖的电极配置对检测这种变化更敏感。因此，空气/聚合物界面可以设置在电极配置的最敏感部分中，例如，电极高度的中间。因此，传感器装置可能够检测聚合物层的任何(永久)膨胀。

在实施例中，一种用于生成测量信号的方法包括读出电路使用电容传感器的第一和第二电极线生成第一测量信号。此外，读出电路使用电容传感器的至少第三电极线生成第二测量信号。电容传感器包括布置在第一、第二和第三电极线处的敏感层。读出电路包括电容数字转换器。

有利地，通过使用与一个敏感层组合的三个不同的电极线，能够通过读出电路检测敏感层的不同参数。

对示例性实施例的附图的以下描述可以进一步图示和解释本发明的方面。具有相同结构和相同效果的元件、层和电路块分别以等效的参考符号出现。在不同附图中，就元件、层和电路块在其功能方面彼此对应而言，对于以下附图中的每一个，不再重复其描述。

图1A和1B示出了具有电容传感器的传感器装置的示例性实施例；

图2A到2D示出了电容传感器的其他示例性实施例；

图3A到3F示出了用于制造电容传感器的示例性过程；

图4A到4C示出了传感器装置的其他示例性实施例；

图5A到5D示出了对电容传感器的示例性测量，以及

图6示出了传感器装置的其他示例性实施例。

图1A示出了传感器装置10的电容传感器11的示例性实施例。电容传感器11包括第一电极线12、第二电极线16和第三电极线20。此外，电容传感器11包括第四电极线24。电容传感器11包括敏感层30。敏感层30具有到环境气体32的界面31。环境气体32包括待检测的参数，例如水分子或另一目标气体。敏感层30可以是聚合物，例如聚酰亚胺。

第一和第二电极线12、16具有到敏感层30和环境气体32之间的界面31的第一距离d1。类似地，第三和第四电极线20、24具有到界面31的第二距离d2。第二距离d2大于第一距离d1。在示例中，第一距离d1可以具有1μm的值并且第二距离d2可以具有4μm的值。第一和第二电极线12、16具有第一厚度t1。第三和第四电极线20、24具有第二厚度t2。第一和第二厚度t1、t2可以例如选自0.1μm到2μm的区间。可选地，第一和第二厚度t1、t2可以相等。可选地，第一和第二厚度t1、t2可以是1μm。

第一和第二电极线12、16之间的第一间隙36可以具有第一宽度gl。类似地，第三和第四电极线20、24之间的第二间隙37可以具有第二宽度g2。在示例中，第一宽度gl等于第二宽度g2。第一宽度g1和第二宽度g2可以选自0.1μm到20μm的区间。例如，第一和第二宽度g1、g2可以各自为1μm。在示例中，电极线12、16、20、21可以具有相同的宽度。

电容传感器11包括介电层33。第一到第四电极线12、16、20、24布置在介电层30上方。第三和第四电极线20、24直接布置在介电层33上。电容传感器11包括其他介电层34，该其他介电层34布置在介电层33与第一和第二电极线12、16之间。

敏感层30覆盖第三和第四电极线20、24的上表面。敏感层16还覆盖第三和第四电极线14、15的侧表面。相应地，敏感层16覆盖第一和第二电极线12、16的上表面。此外，敏感层30还覆盖第一和第二电极线12、16的侧表面。敏感层30填充第一和第二间隙36、37。

另外，电容传感器11包括半导体衬底35，介电层33布置在该半导体衬底35上。因此，电容传感器11包括第一堆叠，第一堆叠包括第三电极线20、介电层19和半导体衬底21。另外，电容器传感器11包括第二堆叠，第二堆叠包括第一电极线12、其他介电层34、介电层33和半导体衬底35。介电层33和/或其他介电层34可以实现为金属间介电层。

电场线E1从第一电极线12走向到第二电极线16，并且通过对第一和第二电极线12、16施加不同的电压来生成。电场线E1主要延伸通过敏感层30，但也延伸通过环境气体32。因此，电场线E1中的一些穿过界面31。电场线E2从第三电极线20延伸到第四电极线24。电场线E2全部通过敏感层30。电场线E2不接触界面31或环境气体32。

第一电极线12不与第二电极线16导电连接。第三电极线20不与第四电极线24导电连接。第一和第二电极线12、16也不与第三和第四电极线20、24导电连接。

可替代地，第一和第二电极线12、16之一电连接到第三和第四电极线20、24之一。例如，第二和第四电极线16、24可以都连接到公共端子，例如提供参考电位的参考电位端子。

在图1A中，示出了电容传感器11的横截面。在电容传感器11中，第一电极组12、16专用于跟踪永久尺寸变化，并且第二单独电极组20、24专用于跟踪介电常数变化。第一电极组12、16在物理上位于比第二电极组20、24更靠近空气-聚合物界面31、，以捕获尺寸效应。电容传感器11使用两个不同的电极对跟踪聚酰亚胺30中的尺寸变化。聚酰亚胺-空气界面31在第一电极组12、16(也称为第一电极对)的边缘场中移动。

可选地，第一宽度gl和第一距离dl根据以下等式设置：

gl·N>dl，

其中，N可以是3。可替代地，N可以是1或2。

可选地，第二宽度g2和第二距离d2根据以下等式设置：

g2·M<d2，

其中，M可以是3。可替代地，M可以是1或2。

在未示出的可替代实施例中，敏感层30仅覆盖第一和第二电极线12、16的侧表面的一部分，并且不覆盖第一和第二电极线12、16的上表面。

在未示出的替代实施例中，金属化堆叠可以布置在半导体衬底35和介电层33之间。金属化堆叠可以包括至少一个其他金属化层和一个其他介电层。

图1B示出了包括电容传感器11的传感器装置10的示例性实施例。图1A示出了图1B中用EE标记的电容传感器11的一部分的横截面。第一电极线12电连接到电容传感器11的其他第一电极线13到15。第一电极线12和其他第一电极线13到15彼此平行走向。第一电极线12和其他第一电极线13到15形成第一叉指电极40。

相应地，第二电极线16电连接到电容传感器11的其他第二电极线17到19。第二电极线16和其他第二电极线17到19彼此平行走向。第二电极线16和其他第二电极线17到19形成第二叉指电极41。第一和第二叉指电极40、41形成第一叉指电容器42。

此外，电容传感器11包括电连接到第三电极线20的其他第三电极线21到23。第三电极线20和其他第三电极线21到23彼此平行走向。第三电极线20和其他第三电极线21到23形成第三叉指电极43。

相应地，第四电极线24电连接到电容传感器11的其他第四电极线25到27。第四电极线24和其他第四电极线25到27彼此平行走向。第四电极线24和其他第四电极线25到27形成第四叉指电极44。第三和第四叉指电极43、44形成第二叉指电容器45。

在下文中，第一电极线12和其他第一电极线13到15简写为第一电极线12到15。相应地定义第二电极线16到19、第三电极线20到23和第四电极线24到27。

传感器装置10包括读出电路50，该读出电路50电耦合到第一电极线12到15、第二电极线16到19、第三电极线20到23和第四电极线24到27。

读出电路50包括电容数字转换器51，简写为转换器。转换器51电耦合到第一、第二、第三和第四电极线12到27。此外，读出电路50包括数字处理器52，数字处理器52在其输入侧上耦合到转换器51。读出电路50包括耦合到数字处理器52的存储器53。

此外，读出电路50包括开关装置54。开关装置54的控制输入端耦合到数字处理器52的输出端。开关装置54包括第一转换开关55，第一转换开关55具有连接到第一电极线12到15的第一输入端和连接到第三电极线20到23的第二输入端以及连接到转换器51的第一输入端56的输出端。开关装置54可以包括第二转换开关57，第二转换开关57具有连接到第二电极线16到19的第一输入端、连接到第四电极线24到27的第二输入端和连接到转换器51的第二输入端58的输出端。

传感器装置10包括半导体本体60。电容传感器11和读出电路50是半导体本体60的一部分。因此，图1A中所示的半导体衬底35用于实现读出电路50。

在第一阶段A中，第一电极线12到15经由第一转换开关55耦合到转换器51的第一输入端56。第二电极线16到19经由第二转换开关57电耦合到转换器51的第二输入端58。转换器51生成第一测量信号S1。因此，第一测量信号S1是使用第一和第二电极线12到19生成的。第一测量信号S1是第一电极线12到15与第二电极线16到19之间的电容的函数。

在第二阶段B中，第三电极线20到23经由第一转换开关55耦合到转换器51的第一输入端56。第四电极线24到27经由第二转换开关57耦合到转换器51的第二输入端58。转换器51生成第二测量信号S2。因此，第二测量信号S2是使用第三和第四电极线20到27生成的。第二测量信号S2是第三电极线20到23与第四电极线24到27之间的电容的函数。第一和第二测量信号S1、S2被提供到数字处理器52。

数字处理器52在第一输出端61处生成气体信号SG。气体信号SG可以实现为湿度信号。湿度信号提供关于环境气体32中的相对湿度的信息。气体信号SG可以由数字处理器52使用第一和第二测量信号S1、S2确定。此外，数字处理器52在第二输出端62处生成漂移信号SD。漂移信号SD可以由数字处理器52使用第一和第二测量信号S1、S2确定。

数字处理器52使用存储在存储器53中的数据来提供气体信号SG和漂移信号SD。存储器53可以存储函数的参数或查找表，以用于使用第一和第二测量信号S1、S2作为输入，来计算气体信号SG和漂移信号SD。函数参数或查找表可以存储在存储器53的非易失性块中，存储器53例如是电可擦可编程只读存储器(简写为EEPROM)或一次性可编程存储器(简写为OTP)。

交替地生成第一和第二测量信号S1、S2。由于第一和第二测量信号S1、S2是在单独的阶段(即第一和第二阶段A、B)中生成的，所以它们是在单独的时间点生成的，并且数字处理器52可以将中间值存储在存储器53的易失性块中。周期性地重复第一和第二阶段A、B。

传感器装置10通过将气体测量值与先前存储的气体相关性图进行比较，或将相对湿度测量值与先前存储的相对湿度相关性图进行比较，来识别漂移。

为了检测永久膨胀偏移，两个测量的值的比对于“正常”-可逆条件(由漂移前的相关性曲线确定)是已知的。对于每个介电常数值，预期有固定量的膨胀。当比Ah/As偏离校准值时，检测到永久变化。传感器装置10施加补偿，该补偿可以是偏移校正、来自传感器装置10的警报信号和/或再生循环。

第一测量信号S1主要是敏感层30的高度h和介电常数ε的函数，并且第二测量信号S2主要是敏感层30的介电常数ε的函数。高度h和介电常数ε二者都取决于待测量的气体浓度，或者，在湿度感测的情况下取决于环境气体32中的相对湿度。在一个示例中，当在第一测量信号S1的测量的值处能够测量第二测量信号S2的预定值时，漂移信号SD可以表示不存在漂移。当处于第一测量信号S1的测量的值时，第二测量信号S2的预定值与第二测量信号S2的实际测量的值不同，那么漂移信号SD可以表示漂移。

在未示出的可替代实施例中，第二转换开关57的输出端连接到参考电位端子。

在未示出的可替代实施例中，第二和第四电极线16到19、24到27直接连接到参考电位端子。省略第二转换开关57。

图2A示出了传感器装置10的电容传感器11的其他示例性实施例，这是图1A和1B中所示实施例的进一步扩展。第一电极线12布置在第三电极线20的上方。相应地，第二电极线16布置在第四电极线24的上方。其他介电层34布置在第一和第三电极线12、20之间以及第二和第四电极线16、24之间。其他介电层34具有层厚度t3。

在图2A中，示出了横截面。堆叠第一到第四电极线12、16、20、24。因此，电容传感器11包括第一堆叠70，第一堆叠70包括第一电极线12、其他介电层34、第三电极线20、介电层33和半导体衬底35。相应地，电容传感器11包括第二堆叠71，第二堆叠71包括第二电极线16、其他介电层34、第四电极线24、介电层33和半导体衬底35。

与图1A相反，第一和第二电极线12、16未被敏感层30完全覆盖。因此，第一和第二电极线12、16的上表面没有敏感层30。敏感层30仅覆盖第一和第二电极线12、16的侧表面的一部分。界面31在第一和第二电极线12、16的侧表面的高度处。

电容传感器11可以包括连接到第一、第二、第三和第四电极线12、16、20、24的其他第一电极线13到15、其他第二电极线17到19、其他第三电极线21到23以及其他第四电极线25到27。因此，第二叉指电容器45在第一叉指电容器42和介电层33之间实现。第一叉指电容器42在第二叉指电容器45的上方实现。第一和第二叉指电容器42、45由其他介电层34分离。

有利地，与图1A中所示的实施例相比，减小了用于实现电容传感器11的区域。电容传感器11实现了电极线12到27的垂直集成。两个单独的电极组垂直地实施在电容传感器11中。电容传感器11旨在对尺寸变化具有高敏感度。

图2B示出了第一和第二阶段A、B中图2A所示的电容传感器11。在图2B的左侧上所示的第一阶段A中，读出电路50向第一电极线12提供驱动信号S并向第二电极线16提供参考电位G。第二电极线16接地。用S标记第一电极线12，并且用G标记第二电极线16。此外，第三和第四电极线20、24是浮动的。因此，用F标记第三和第四电极线20、24。在图2B的右侧上，电容传感器11示出为处于第二阶段B中。在第二阶段B中，第一和第二电极12、16保持浮动。读出电路50对第三电极20施加驱动信号S并且将对第四电极24施加参考电位G。

图2C示出了图2A和2B中所示的电容传感器11的仿真结果的示例性实施例。仿真曲线72示出了第一和第二电极线12、16对敏感层30的高度h的敏感度与对介电常数ε的敏感度的对比。相应地，第二仿真曲线73示出了第三和第四电极线20、24对高度h的敏感度与对介电常数ε的敏感度的对比。根据仿真，第三和第四电极线20、24仅对敏感层30的介电常数ε的变化敏感，而第一和第二电极线12、16对敏感层30的高度h和介电常数ε敏感。

用有限元仿真研究了电容传感器11的可行性。采用模型参数来模拟如图2A和2B中所示的膨胀电容换能器(上电极对40、41)和介电电容换能器(掩埋在聚酰亚胺中的电极对43、44)二者的换能器尺寸。对于这种情况，选择聚合物厚度h以获得上电极对40、41对聚合物厚度变化的最大敏感度。

计算的电容变化如图2C所示：其示出了两种不同电极组(即上电极对和掩埋电极对)对聚合物膨胀的敏感度(单位为fF/nm)与介电常数敏感度的比较。上电极线12、16的电容示出对聚合物膨胀和介电常数变化的明显依赖性，而掩埋(底部)电极线20、24的电容几乎完全依赖于聚合物介电常数。对于仿真的换能器布局和聚合物厚度，0.1fF/nm的敏感度相当于每nm 0.1到0.3％的相对湿度。电容数字转换器51的敏感度被认为足够大，以将亚纳米的厚度变化检测到显著水平。完全覆盖的上电极线12、16对膨胀的敏感度更小。

以下模型参数用于有限元计算：电极线的宽度w和高度t1、t2：0.5μm·1.0μm；电极间距：水平间距1.0μm，垂直间距1.0μm；聚酰亚胺高度h：在第一电极层的中途的标称位置变化(即第一电极线12的侧表面的中间)。仿真的任务是求解上电极配置和第二(掩埋)电极配置对以[fF/nm]为单位的聚酰亚胺高度h_PI：δC/δh_PI的变化以及介电常数ε：δC/δε_PI的变化的敏感度。

图2D示出了电容传感器11的其他示例性实施例，这是图1A、1B、2A和2B中所示实施例的进一步扩展。类似于图2A，第一电极线12布置在第三电极线20的上方，其中其他介电层34使第一和第三电极线12、20分离。相应地，第二电极线16布置在第四电极线24的上方，而其他电介电层34使第二和第四电极线16、24分离。因此，其他介电层34能够实现为单独的介电层。

电容传感器11包括布置在第一堆叠70的一侧上的第一介电层堆叠74。因此，仅第一电极线12的一个侧表面和第三电极线20的一个侧表面被第一介电层堆叠74覆盖。相应地，电容传感器11包括布置在第三和第四电极线16、24处的第二介电层堆叠75。仅第三电极线16的一个侧表面和第四电极线24的一个侧表面被第二介电层堆叠75覆盖。第一和第二介电层堆叠74、75由其他介电层34和附加介电层76形成。

第一和第二堆叠70、71之间的第一间隙36由敏感层30填充。第一间隙36中的敏感层30与第一、第二、第三和第四电极线12、16、20、24的侧表面直接接触。第一和第二电极线12、16的上表面被敏感层覆盖。敏感层30在第一和第二电极线12、16的上表面与界面31之间具有第一距离d1。第一距离d1可以是在0.1μm到5μm或0.2μm到2μm的区间中。例如，第一距离d1是1μm。

电容传感器11可以执行残余钝化，并且可以适合于不太理想的聚合物沉积。

在未示出的可替代实施例中，第一和第二电极线12、16的上表面没有敏感层30。敏感层30可以具有如图2A和2B中所示的高度。

图3A到3F示出了用于制造传感器装置10的电容传感器11的过程的示例性实施例。该过程的结果是类似于图2A和2B中所示的电容传感器的电容传感器11。然而，在经过一些微小修改之后，图1A、1B、2D、4A到4C中所示的电容传感器11也能够通过图3A至3F中图示的过程制造。

如图3A中所示，过程开始于具有半导体衬底35的半导体本体60。半导体衬底35具有晶片的形式。半导体衬底35被介电层33覆盖。半导体衬底35可以包括集成电路，例如图1B和4C中所示的读出电路50。读出电路50可以实现为互补金属氧化物半导体电路，简写为CMOS电路。因此，半导体衬底35可以至少包括(未示出)阱和用于场效应晶体管的源区和漏区的扩散区。在介电层33和半导体衬底35之间可以布置金属化堆叠(未示出)。金属化堆叠可以至少包括金属化层(例如由多晶硅、硅化物或金属制成)以及介电层。一个或更多个介电层将金属化层彼此分离并与半导体衬底35分离。

介电层33可以是例如氮化硅或二氧化硅层。金属化层82沉积在介电层33上。金属化层82可以称为金属1。金属化层82可以由铝、铜、钨、铂或其他金属制成。通孔81、81布置在金属化层82和半导体衬底35或未示出的金属化堆叠中的金属化层之间。

如图3B中所示，图案化金属化层82。通过刻蚀金属化层82来实现第三、第四和其他第三电极线20、24、21。此外，通过刻蚀金属化层82来实现接触线83。接触线83布置在通孔80上。其他第三电极线21与通孔81接触。

如图3C中所示地，沉积其他介电层34。其他介电层34可以称为金属间介电层。其他介电层34可以由氮化硅或二氧化硅制成。其他介电层34沉积在从金属化层82刻蚀出的结构上和介电层33上。

如图3D中所示，其他金属化层85沉积在其他介电层34上并图案化。其他金属化层85可以称为金属2。可以类似于对金属化层82的沉积和图案化来实现对其他金属化层85的沉积和图案化。因此，第一、第二和其他第一电极线12、16、13由其他金属化层85来实现。此外，连接线86也由其他金属化层85制成。连接线86布置在通孔87的上方，通孔87继而布置在接触线83的上方。因此，连接线86通过通孔87、接触线83和通孔80电连接到半导体衬底35或未示出的金属化堆叠中的金属化层。

因此，从由其他金属化层85制成的第一电极线12到15和/或第二电极线16到19到半导体衬底35或未示出的金属化堆叠的金属化层，来实现电连接。由金属化层82制成的第三电极线20到23或/和第四电极线24到27通过通孔81电连接至半导体衬底35或未示出的金属化堆叠的金属化层。

如图3E中所图示地，图案化其他介电层34。其他介电层34的刻蚀过程在介电层33的上表面处停止。此外，第一和第二堆叠70、71以及其他堆叠中的第一到第四电极线12到27和其他介电层34未被去除。

如图3F中所图示地，例如通过旋涂过程沉积敏感层30。敏感层30的高度h小于第一和第二堆叠70、71之一的堆叠高度ts。因此，敏感层30不覆盖第一和第二电极线12、16的上表面。

可替代地，敏感层30的高度h可以大于第一堆叠70的堆叠高度ts。最终的聚合物厚度可以有边限84，由图3F中聚合物沉积步骤中的虚线84表示。

可以经由后端处理制造电容传感器11。为了制造上述图中所示的电容传感器11，同时对上方两个金属层82、85进行处理。在示例中，将在两个不同的金属层82、85中创建两个相同的结构。两个不同金属层82、85中的两个对准电极组可以通过后端处理制造，如图3A到3F中所示。

间隙36(也称为沟槽的)可以具有大于2的长宽比：第一间隙36的堆叠高度ts可以大于第一间隙36的第一宽度gl的两倍。沉积聚合物30以填充长宽比大于2的沟槽。能够调节电极间距以容纳聚合物沉积物。

在未示出的可替代实施例中，电容传感器11实现在绝缘基板(例如，玻璃)上，而不是介电层33和半导体基板35上。电容传感器11和读出电路50实现在单独的芯片上。

图4A示出了传感器装置10的电容传感器11的其他示例性实施例，这是以上所示的实施例的进一步扩展。电容传感器11包括第一、第二和第三电极线12、16、20。另外，电容传感器11包括其他第三电极线21。第三电极线20布置在第一和第二电极线12、16之间。第二电极线16布置在第三和其他第三电极线20、21之间。电容传感器11可以没有第四电极线24或第四电极线24到27。

在未示出的实施例中，将重复图4A中所示的四个电极线12、20、16、21。图4A的四个电极线12、20、16、21形成周期性重复的基本单元。第一电极线12到15之一或第二电极线16到19之一在第三电极线20到23中的两个电极线之间。第三电极线20到23的数量近似等于第一和第二电极线12到19的总和。

敏感层30覆盖第一到第三电极线12到23。第一到第三电极线12到23中的每一个都在同一平面上。第一到第三电极线12到23中的每一个具有到界面31相同的距离d1。第一到第三电极线12到23中的每一个直接布置在介电层33上。

在第一阶段A中，第三电极线20和其他第三电极线21保持浮动。在第一和第二电极线12、16之间生成电场线E3。由于第一和第二电极线12、16之间的大的距离g3，电场线E3在敏感层30内具有高穿透深度。电场线E3可以与界面31接触。因此，通过电场线E3，能够检测界面31处的敏感层30的参数的变化。

图4B示出了第二阶段B中图4A所示的电容传感器11。在第二阶段B中，在第一和第三电极线12、20之间、第二和第三电极线16、21之间以及第二和第三电极线16、20之间生成电场线E4到E6。因此，在第二阶段B中，第一和第二电极线12、16可以耦合在一起。由于第一和第三电极线12、20之间、第二和第三电极线16、20之间以及第二和第三电极线16、21之间的小的距离gl，电场线E4到E6在敏感层30内仅具有低穿透深度。通过电场线E4到E6，能够测量敏感层30的主体中的参数的变化。

图4C示出了传感器装置10的示例性实施例，这是以上所示实施例的进一步扩展。如图4C中所示的电容传感器11是图4A和4B所图示的电容传感器11的示意性俯视图。读出电路50类似于图1B中所示。在图4C中，用DD标记图4A和4B中所示的横截面。第三电极线20到23布置在第一和第二电极线12到14、16、17之间。因此，在第一电极线12到14中的一条线与第二电极线16、17中的一条线之间，在各种情况下，布置第三电极线20到23中的一条线。第一电极线12到14中的线具有到第二电极线16到17的相邻线的大的距离g3。第一和第二电极线12到14、16、17的线仅具有到第三电极线20到23的相邻线的短的距离gl。

第一电极线12到14可以直接且永久地连接到转换器51的第一输入端56。第一转换开关55具有连接到第二电极线16、17的输入端、连接到转换器51的第一输入端56的第一输出端和连接到转换器51的第二输入端57的第二输出端。第二转换开关57具有连接到第三电极线20到23的输入端和连接到转换器51的第二输入端58的第一输出端。第二转换器开关57的第二输出端保持打开。

可替代地，开关装置54包括将第三电极线20到24耦合到转换器51的第二输入端58的开关90。可以省略第二转换开关57。

在第一和第二阶段A、B中，第一电极线12到14永久地连接到转换器51的第一输入端56。在第一阶段A中，第二电极线16、17经由第一转换开关55耦合到转换器51的第二输入端57，并且第三电极线20到23保持浮动。在第二阶段B中，第二电极线16、17耦合到转换器51的第一输入端56，并且第三电极线20到23经由第一和第二转换开关55、57耦合到转换器51的第二输入端58。

有利地，电容传感器11在第一和第二阶段A、B中具有不同的电场线E3到E6，并因此能够在第一和第二阶段A、B中测量敏感层30的不同参数。如上所述的并且如在图1B中示出的，确定并进一步处理第一和第二测量信号S1、S2。

图4A到4C的传感器装置10使用能够不同偏置地一组连续的横向电极线。在第二阶段B中的偏置期间，电极线测量靠近电极线的材料30。当在从第二阶段B到第一阶段A的转变中改变偏置时，电极线的有效间隔增加，由此电场线E3也探测空气-聚合物界面31。

电容传感器11提供具有不同偏置的横向电极配置。电场线E3、E4、E5探测材料30的不同部分。在第二阶段B中，探测靠近电极线的材料30。在第一阶段A中，探测材料30和空气-聚合物界面31。读出电路50包括通过两种不同的偏置方案使相同的电极组极化的开关。

在未示出的可替代实施例中，敏感层30具有更小的高度h。设置第一距离d1，使得第一阶段A中电场线E3延伸到环境气体32。第一距离d1可以小于两个相邻电极线12、16、20、21之间的第一间隙36的第一宽度gl。在示例中，电极线12、16、20、21可以具有相同的宽度w。

图5A到5D示出了实现为叉指电容器的电容传感器11的示例性测量结果。叉指电容器可以例如仅具有第一和第二电极线。在图5A和5C中示出了测量的电容偏移，并且在图5B和5D中，示出了暴露于应力条件(95％相对湿度、95℃)几天后的聚酰亚胺膜的厚度以及之后的恢复处理。如图5A到5D中所示，对于不同的材料特性，漂移量是不同的。如果可能的话，传感器装置10利用这些差异来识别漂移并触发警报或片上对策。

暴露于极端条件后的相对湿度传感器中的漂移的一些示例示出了，在15天的应力(95℃、95％相对湿度)后，聚合物有约0.4-1.5％的永久膨胀，并且聚合物电容变化了约0.2％。有利地，恢复处理使材料30再生并部分地移除了漂移。

图6示出了传感器装置10的电容传感器11的其他示例性实施例，这是以上示出的实施例的进一步扩展。电容传感器11包括第一、第二、第三和第四电极线12、16、20、24。第三和第四电极线20、24具有被敏感层30覆盖的上表面。第一和第二电极线12、16具有上表面和下表面，使得敏感层30和环境气体32的界面31在第一和第二电极线12、16的上表面下方和下表面上方。

附图标记

10 传感器装置

11 电容传感器

12 第一电极线

13到15 其他第一电极线

16 第二电极线

17到19 其他第二电极线

20 第三电极线

21到23 其他第三电极线

24 第四电极线

25到27 其他第四电极线

30 敏感层

31 界面

32 环境气体

33 介电层

34 其他介电层

35 半导体衬底

36、37 间隙

40 第一叉指电极

41 第二叉指电极

42 第一叉指电容器

43 第三叉指电极

44 第四叉指电极

45 第二叉指电容器

50 读出电路

51 电容数字转换器

52 数字处理器

53 存储器

54 开关装置

55 第一转换开关

56 第一输入端

57 第二转换开关

58 第二输入端

60 半导体本体

61、62 输出端

70 第一堆叠

71 第二堆叠

72 第一仿真曲线

73 第二仿真曲线

74 第一介电层堆叠

75 第二介电层堆叠

76 附加介电层

80、81 通孔

82 金属化层

83 接触线

84 边限

85 其他金属化层

86 连接线

87 其他通孔

A 第一阶段

B 第二阶段

d1、d2 距离

El到E6 电场线

gl、g2、w 宽度

g3 距离

SD 漂移信号

SG 气体信号

S1 第一测量信号

S2 第二测量信号

tl、t2、t3 厚度

ts 堆叠高度

Claims

1.一种传感器装置，包括

-电容传感器(11)，具有第一电极线(12)、第二电极线(16)、第三电极线(20)和第四电极线(24)以及布置在第一、第二、第三和第四电极线(12、16、20、24)处的敏感层(30)，

-读出电路(50)，包括电容数字转换器(51)，其耦合到第一、第二、第三和第四电极线(12、16、20、24)并且被配置为使用第一和第二电极线(12、16)来生成第一测量信号(S1)以及使用第三和第四电极线(20、24)来生成第二测量信号(S2)，

其中，第一和第二电极线(12、16)具有上表面和下表面，使得所述敏感层(30)与环境气体(32)的界面(31)在第一和第二电极线(12、16)的上表面的下方并且在下表面的上方，

其中，第三和第四电极线(20、24)的上表面被所述敏感层(30)覆盖，或者

所述第一电极线(12)布置在所述第三电极线(20)的上方，所述第二电极线(16)布置在所述第四电极线(24)的上方，并且另外的介电层(34)布置在第一和第三电极线(12、20)之间以及第二和第四电极线(16、24)之间。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，

其中，所述传感器装置(10)被配置为湿度传感器装置，并且所述敏感层(30)被配置为吸收水分子。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，

其中，所述敏感层(30)由聚酰亚胺制成。

4.根据权利要求1到3之一所述的传感器装置，

其中，第一、第二和第三电极线(12、16、20)被配置为使得所述第一测量信号(S1)比所述第二测量信号(S2)更依赖于所述敏感层(30)的膨胀。

5.根据权利要求1到4之一所述的传感器装置，

其中，第一、第二和第三电极线(12、16、20)被配置为使得所述第二测量信号(S2)比所述第一测量信号(S1)更依赖于所述敏感层(30)的体特性。

6.根据权利要求1到5之一所述的传感器装置，

其中，所述读出电路(50)被配置为根据第一和第二测量信号(S1、S2)提供气体信号(SG)。

7.根据权利要求1到6之一所述的传感器装置，

其中，所述读出电路(50)被配置为根据第一和第二测量信号(S1、S2)提供漂移信号(SD)。

8.根据权利要求7所述的传感器装置，

其中，所述读出电路(50)包括存储器(53)，并被配置为根据第一和第二测量信号(S1、S2)以及存储在所述存储器(53)中的数据提供所述漂移信号(SD)。

9.根据权利要求8所述的传感器装置，

其中，所述读出电路(50)被配置为将第一和第二测量信号(S1、S2)与存储在所述存储器(53)中的相关性数据进行比较，并根据比较的结果计算所述漂移信号(SD)。

10.根据权利要求7到9之一所述的传感器装置，

其中，所述传感器装置(10)被配置为执行偏移校正，以根据所述漂移信号(SD)的值生成警报信号和/或开始再生循环。

11.根据权利要求1到10之一所述的传感器装置，

其中，所述电容传感器(11)包括半导体衬底(35)和在所述半导体衬底的上方的至少一个介电层(33)。

12.一种用于生成测量信号的方法，包括：

-读出电路(50)使用电容传感器(11)的第一和第二电极线(12、16)生成第一测量信号(S1)，以及

-读出电路(50)使用所述电容传感器(11)的第三和第四电极线(20、24)生成第二测量信号，

其中，所述电容传感器(11)包括布置在第一、第二、第三和第四电极线(12、16、20、24)处的敏感层(30)，并且所述读出电路(50)包括电容数字转换器(51)，

其中，第三和第四电极线(20、24)的上表面被敏感层(30)覆盖，或者

第一电极线(12)布置在第三电极线(20)的上方，第二电极线(16)布置在第四电极线(24)的上方，并且另外的介电层(34)布置在第一和第三电极线(12、20)之间以及第二和第四电极线(16、24)之间。