[发明专利]电容式传感器

说明书

一种电容式环境传感器和一种利用差分电容测量来确定目标物质(例如水)的存在的方法。传感器包括具有表面的半导体衬底。传感器还包括位于表面上的多个传感器电极。电极在表面上通过中间间隔横向地分隔开。所述传感器还包括覆盖电极的传感器层。所述传感器层具有对目标物质的存在敏感的介电常数。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中包括凹槽。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中不包括凹槽。传感器可以设置在射频识别(RFID)标签中。传感器可以设置在智能建筑物中。

技术领域

本发明涉及电容式环境传感器以及包括该传感器的射频识别(RFID)标签或智能建筑物。本发明还涉及利用差分电容测量来确定目标物质的存在的方法。

背景技术

图1中示出了已知类型的电容式环境传感器。该传感器包括设置在半导体衬底2的表面上的多个电极4。通常，电极4被设置为一系列交叉型指状物。传感器层6覆盖电极。传感器层具有对目标物质诸如水分或气体的存在敏感的介电常数ε。因为电极的电容至少部分地取决于传感器层6的介电常数，所以测量电极的电容可以确定目标物质的存在。根据传感器的敏感度，还可以对目标物质的浓度进行评估。通常，电极4的电容与进入传感器层6的目标物质的量成比例。

这种传感器可能会漂移。漂移可以由许多不同的因素引起，例如：衬底2的介电常数的变化(例如由水吸收引起)，其也会对电极4的电容产生影响；

在传感器层中除了目标物质之外的物质(本文中称为干扰物)的存在，其会影响传感器层的介电常数并且因此影响电极的电容；

与干扰物相关联的相变或化学反应——这些最有可能发生在电极4与传感器层6之间的界面处(“Water at polymer interfaces”，B.D.Vogt，University of Akron，Summer school 2012)，并且导致界面层8的增长，这可能再次影响电极4的电容。

为了应对传感器漂移而开发的策略涉及进行电容的差分测量。例如，可以将电极的电容与由对目标物质不敏感的传感器层覆盖的相邻电极集合的电容进行比较。然而，在大多数情况下，工艺和IC尺寸限制不允许在同一管芯上使用不同的功能层，而多芯片实现方式可能由于不同芯片之间的漂移的可变性而不可行。此外，对于某些目标物质，可能无法识别适当的成对的传感器层。

在EP 1607739A1中描述的可替代方法涉及在具有单个传感器层和多层电极的传感器中进行差分测量，多层电极可以被切换成具有其中进行单独的电容测量的不同的电气构造。电气构造的变化改变传感器内的场线分布。然而，该解决方案经受电极的相对复杂的布局(特别是需要在不同层中提供电极)，这可能增加制造成本并且限制衬底的其他部分中的设计自由度。

US 8,633,047 B2描述了包括衬底的传感器芯片。多个电极元件沿第一水平面布置在衬底上，其中，在相邻的电极元件之间具有至少一个间隙。金属结构沿第二水平面布置在衬底上，其中第二水平面不同于第一水平面。金属结构至少延伸过第二水平面的通过至少一个间隙朝向第二水平面的投影限定的区域。

EP 1607739 A1描述了具有单层电极的示例。然而，如本文中将要说明的，具有单层电极的已知解决方案通常是无效的，因为它们缺乏对目标物质的敏感性。

发明内容

本发明的各个方面在所附的独立权利要求和从属权利要求中进行了阐述。从属权利要求的特征的组合可以适当地与独立权利要求的特征组合，而不仅仅如权利要求中明确阐述的。

根据本发明的一个方面，提供了一种电容式环境传感器。该传感器包括具有表面的半导体衬底。该传感器还包括位于表面上的多个传感器电极。电极在表面上通过中间间隔横向地分隔开。该传感器还包括覆盖电极的传感器层。传感器层具有对目标物质的存在敏感的介电常数。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中包括凹槽。衬底的表面在使至少一对电极分隔开的间隔中不包括凹槽。