專利名稱：具有組合的面內和平行平面結構的傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種例如電子電路之類的裝置，包括例如電容性傳感器或電阻性傳感器之類的傳感器，用于感測傳感器環境的物理參數(例如濕度)的大小。傳感器包括在第一 層中形成的第一電極、在第二層中的形成的第二電極以及第一和第二電極之間的材料。所 述材料具有電學性質，所述電學性質的值依賴于所述物理參數的大小。
背景技術：
這種傳感器在本領域是眾所周知的。作為這種傳感器的一個示例，在下面的段落 中考慮電容濕度傳感器。濕度傳感在許多工業應用中非常重要，這些工業應用包括監測藥物產品、生物醫 學產品、食品、飲料存儲和后勤管理(例如通過使用基于RFID的傳感器登錄裝置)、汽車工 業、半導體工業等等。縮寫“RFID”代表射頻識別。例如對于食品監測應用，需要測量食品 包裝內的相對濕度以監測產品質量，因為過大的水分含量將導致提前變質。在這種應用中， 濕度傳感器的微型化也是關鍵因素。由于這些原因，使用例如CMOSIC技術之類的集成電路 (IC)技術來集成濕度微傳感器，降低了加工的成本，并且給出了一種有利的集成方案。目前商用的大多數濕度傳感器具有電容性傳感器結構。電容器的電極通過合適的 電介質材料彼此電隔離。所述材料的介電常數的值依賴于相對濕度的大小。結果，電容依賴 于相對濕度。因此，如果電容確定了電子電路的功能行為(例如RC時間、振蕩頻率等等)， 這種行為的監控將使得能夠確定相對濕度。考慮到在傳感器工作時應該將電介質材料暴露到環境空氣，電容性傳感器中的電 容器可以具有幾種空間結構之一。第一種結構稱作平板電容器(或者平行平面電容器)結構。這里，由聚合物薄膜 或金屬氧化物制成的電介質層夾在兩個金屬電極之間。典型地使用金(Au)，對上電極進 行構圖或者使其多孔，使得空氣中的水蒸氣可以到達電介質層。構圖后的電極配置用于 保護電介質層免于沾污以及受到凝結影響。這種傳感器的示例例如參見EP 0 395 349； S. A. Krutovertsev 等人在 Sensors and Actuators, A 62 (1997)第 582-585 頁的文章 "Integrated multifunctional humidity sensor” ；A. K. Sen 等人 2008 年 4 月在 IEEE Sensors Journal. Vol. 8 (4) % 333-340 頁的文章 "Modeling and Optimization of a Microscale Capacitive Humidity Sensors for HVAC Applications，，；EP 0 395 949 ； 以及 Y. L. Yang 等人在 IEEE Proceedings Sensors 2002，Vol. 1，第 511-514 頁的文章 “Improvement of polyimide capacitive humidity sensor by reactive ion etching and novel electrode design，，。這種傳感器的改進涉及例如上電極的設計、添加加熱元件以控制傳感器靈敏度、 以及底部電極的構圖。對于后一特征，使用上電極的頂部金屬網格作為硬掩模在電介質材 料中制作開口。因此，增加了暴露于環境空氣中的電介質材料面積。也對底部電極進行了 構圖，但是底部電極被電介質材料完全覆蓋。對于更多的細節，例如參見EDocmeki等人在 Journal of Microelectromechanical System(2001)，Vol. 10，第 197—203 頁的文章 “A high-sensitivity polyimide capacitive relative humidity sensor for monitoring anodically bonded hermetic micropackages，，。第二種結構稱作面內(in-plane)電容器。在這種電容器中，在襯底頂部上的相同 層中形成兩個電極，并且用電介質材料涂覆電極的頂部。電極的形狀可以是一對互鎖的梳 子狀。也將這種電極圖案稱作叉指型電極(IDE)。例如在US 7, 222, 53UUS 6, 742, 387,US 6，690，569、US 6，222，376、US 4，429，343、US 2002/0109959 和 JP 2004-037405 中公開了 使用面內結構的電容性濕度傳感器的示例。J. Laconte等人在2003年10月的!Proceedings of IEEE, Sensors, Vol. 1 第 373-377 頁的文章“High-Sensitivity Capacitive Humidity Sensor Using 3-Layer Patterned Polyimide Sensing film，，公開了一禾中改進的 IDE 結 構。在該文章中所考慮的電容性濕度傳感器基于IDE結構和聚酰亞胺敏感層。形成電極指 寬度為ι μ m的鋁叉指型電極，兩個相鄰電極指之間的距離是1 μ m。將電極沉積到第一絕緣 聚酰亞胺層上，并且用兩個另外的聚酰亞胺層覆蓋電極。上聚酰亞胺層表現出孔的規則陣 列，以增加有用表面積。
發明內容
發明人已經認識到通過組合平行平面結構的特征與面內結構的特征，可以改進 傳感器結構的靈敏度。以上討論涉及電容性實施方式的已知濕度傳感器。然而，本發明涉 及電極和夾在電極之間的材料的空間結構，因此也可應用于具有對除了濕度之外的環境參 數敏感的材料的電容性或電阻性傳感器。更具體地，發明人提出了一種包括傳感器的裝置，所述傳感器用于感測傳感器環 境的物理參數的大小。所述傳感器包括第一電極、第二電極以及第一電極和第二電極之間 的材料。所述材料具有電學性質，所述電學性質的值依賴于所述物理參數的大小。第一電 極形成于第一層中，第二電極形成于第二層中。第一層具有溝槽以及與溝槽相鄰的隆起部。 溝槽具有底壁和側壁。所述材料位于底壁上、側壁上以及隆起部的頂部上。溝槽容納第二 電極的至少一部分。第二電極暴露出在隆起部的頂部上形成的材料。在這種結構中，對這 兩個電極都進行了構圖并且在它們之間嵌入敏感材料層。溝槽的底壁和側壁對于傳感器的 有效電學行為都有貢獻。在實施例中，所述材料形成為在溝槽和隆起部上在空間上分離開的多個帶狀部。 結果，材料層的相鄰帶狀部的側壁，即彼此面對的相鄰帶狀部的側壁，增加了與環境的接觸 面積，并且因此增加了傳感器對于物理參數的靈敏度。在另外的實施例中，隆起部頂部上的材料具有一個或多個槽或者孔。所述孔或槽 只出現于由第二電極暴露出的材料層中，而不會出現在夾在第一和第二電極之間的材料部 分中。所述槽或者孔對隆起部頂部上的材料進行構圖，以便進一步增加與環境的接觸面積。在另外的實施例中，將傳感器配置為電容性傳感器，并且所述材料用作電介質，其 介電常數依賴于物理參數的大小。例如，所述物理參數是濕度，并且所述材料包括諸如至少 以下之一的濕度敏感物質聚酰亞胺、碳化硅、金屬氧化物和氮化硅。沿水平方向在電介質 材料覆蓋溝槽側壁的位置、以及沿垂直方向在電介質材料覆蓋溝槽底部的位置處形成電容 器。因此，本發明將面內設計與平行平面設計進行了組合，并且以光刻工藝相對易于制造。
在另外的實施例中，所述裝置包括容納傳感器的收發機(transponder)，例如 RFID標簽。
作為示例并且參考附圖更加詳細地解釋本發明，其中圖1、2和3是示出了本發明傳感器實施例的制造中不同階段的圖；圖4是示出了在本發明傳感器的另一實施例中制造的一個階段的圖；以及圖5是示出了在本發明傳感器的另一個實施例中制造的一個階段的圖。貫穿附圖，類似或相應的特征用相同的參考數字表示。
具體實施例方式圖1至圖3以透視圖示出了本發明的電容性傳感器100實施例的制造。優選地， 以光刻技術制造傳感器100，例如在制造集成電路(IC)或印刷電路板(PCB)時所使用的光 刻技術。圖1示出了將導電層102制造在隔離襯底104上的制造步驟的結果。層102將用
作電容性傳感器100的電極。對層102進行構圖，以便具有限定了溝槽112.....114的隆
起部106、108.....110。每一溝槽112-114具有底壁和兩個側壁。為了不使附圖含混不清，
只示出了針對溝槽112的底壁116和側壁118。圖2示出了與隆起部116-110和溝槽112-114的圖案保形(conformal)地形成電 介質材料層202的制造步驟的結果。注意層202已經覆蓋了溝槽112-114的底壁和側壁。 層202的電介質材料的介電常數的值依賴于物理參數的大小。下面將詳細討論物理參數和 用于層202的關聯材料的示例。圖3示出了制造導電層302來填充溝槽112和114的制造步驟的結果。層302將 用作傳感器100的另一電極。層302使層202的頂部部分304、306和308暴露到傳感器 100的環境中，使其介電常數的值受到環境的物理參數性質影響。主要是層202夾在層102和302之間的那部分確定傳感器100的電容，并且因此 也確定其靈敏度。頂部部分304-306的大部分沒有夾在電極102和302之間。結果，頂部 部分304-308對于總電容的貢獻具有較低影響，并且只由電極指電場來確定。現在作為示例假設層202由對于周圍環境空氣中的濕度敏感的電介質材料構成。 于是，傳感器100實現為濕度傳感器。傳感器100在層202的上表面部分304-308處暴露于 濕度。在部分304-308處捕獲的濕度需要擴散到層202夾在層102和302之間的那部分。圖4示出了參考圖1至圖3討論的類似制造工藝的結果。在該工藝中制造的傳感 器400與傳感器100的不同之處在于層202由在隆起部106-110以及隆起部106-110之
間的溝槽112-114上平行延伸的多條帶狀部401.....403構成。在圖4中沒有示出溝槽
112-114以便不使附圖含混不清，但是溝槽112-114如圖1所討論那樣形成。在傳感器400 中，電介質層202的頂部部分402、404、406、408、410、. . ·、412暴露到環境中。傳感器400的結構相對于傳感器100的結構的優勢在于相鄰帶狀部之間的開口 有助于環境空氣或環境液體中的媒質(上述示例中的濕度)穿透進入層202對于電容有貢 獻的相關部分，即進入夾在電極102和302之間的那些部分。這種夾持部分的每單位面積與環境空氣或液體的接觸面積比傳感器100中要大。接觸面積包括帶狀部401和403的側 表面，即帶狀部401上面對帶狀部403上類似側表面的那些表面。為了清楚起見，只示出了 這些側表面中的單獨一個側表面，即表面414，以便不會使附圖含混不清。注意，層202的 厚度不需要在傳感器中是均勻的。例如，使用附加的工藝步驟，使頂部部分402比夾持部分 厚。結果，增加了側表面的面積，因此增加了層202的夾持部分的每單位面積的捕獲面積， 從而增加了傳感器的靈敏度。圖5是示出了在本發明傳感器的另一個實施例500 —部分的透視圖。為了不使附 圖含混不清，沒有示出第二電極302。通過傳感器100的頂部部分304-308或者傳感器400 的頂部部分402-412中、而不在電極102和302之間夾持的那部分層202中的槽或者孔(未 示出)，進一步增加了靈敏度。圖5示出了針對傳感器100的結構的槽。圖5只示出了這些 槽中的兩個槽502和槽504，并且沒有示出電極302，以便不使附圖含混不清。優選地，在 提供電極302占據溝槽112和114之后，制作槽502-504。頂部部分304-308或者402-412 中的槽或者孔進一步增加了層202暴露于環境的接觸面積。注意，這種槽或者孔不會影響 最終確定電容的夾持部分的面積。槽502-504沿與溝槽112-114的主方向實質上垂直的方 向延伸，但是可以選擇其他方向。附圖沒有示出在工藝中提供的其他層，例如電極層102和302之間的隔離層、或者 用于覆蓋頂部部分402-412之間的隆起部106-110的保護層。這些附加層的制造和定位對 于例如半導體制造領域的普通技術人員而言是清楚的，因此這里沒有詳細討論這些層。電極層102和302可以由類似的材料或不同的材料形成。例如，電極102由鋁(Al) 制成，并且電極302由銅(Cu)制成。電介質層202由介電性質依賴于待測量環境參數、并 且適用于光刻工藝的材料制成。例如，如果傳感器100和400用作濕度傳感器，敏感材料可 以是以下之一聚酰亞胺、碳化硅、金屬氧化物、氮化硅。在本發明的實施例中，可以使用例如旋涂工藝、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉 積(CVD)等，按保形沉積來涂覆敏感材料層202。在保形沉積中，覆蓋所有暴露的表面，而 與其朝向無關。例如，與電極302的條相面對的隆起部106-110的面積也被覆蓋，所述電極 302的條連接容納于溝槽112-114中的電極302各部分。以上示例討論了電容性傳感器，其操作基于檢測由于表示傳感器環境的物理參數 的變化而導致的電容變化。然而，相同的拓撲結構可以用于電阻性傳感器。在電阻性傳感 器中，檢測由于表示傳感器環境的物理參數的變化而導致的電阻變化。下表是適用于感測具體物理參數的電容性或電阻性傳感器的層202中的敏感材 料的示例，所述材料利用光刻工藝進行構圖并且在合適時進行后續刻蝕。
權利要求
1.一種包括傳感器(100 ；400 ；500)的裝置，所述傳感器用于感測傳感器環境的物理參 數的大小，其中所述傳感器包括第一電極(102)、第二電極(302)以及所述第一電極和第二電極之間 的材料(202)；所述材料具有電學性質，所述電學性質的值依賴于所述物理參數的大小； 所述第一電極形成于第一層中，以及所述第二電極形成于與所述第一層不同的第二層中；所述第一層具有溝槽(112)以及與所述溝槽相鄰的隆起部(106)； 所述溝槽具有底壁(116)和側壁(118)； 所述材料位于所述底壁上、所述側壁上以及所述隆起部的頂部上； 所述溝槽容納所述第二電極的至少一部分；以及所述第二電極暴露出在所述隆起部的頂部上形成的材料(304、306、380 ；402,404, 406、408、410、412)。
2.根據權利要求1所述的裝置G00)，其中所述材料形成為所述溝槽和隆起部上多個 在空間上分離開的帶狀部。
3.根據權利要求1或2所述的裝置(500)，其中所述隆起部頂部上的材料具有一個或 多個槽(502,504)或者孔。
4.根據權利要求1、2或3所述的裝置，其中 所述傳感器配置為電容性傳感器；所述物理參數是濕度；以及所述材料包括以下至少之一金屬氧化物、SiO2, SiC、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、苯并環 丁烯、聚硫化物、乙酸丁酸纖維素、多孔硅和氮化硅。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的裝置，包括容納所述傳感器的收發機。
全文摘要
傳感器感測傳感器環境的物理參數的大小。傳感器包括第一和第二電極以及其間的材料層。所述材料具有電學性質，例如電容或電阻，所述電學性質的值依賴于所述物理參數的大小。第一電極形成于第一層中，第二電極形成于與第一層不同的第二層中。第一層具有溝槽以及與溝槽相鄰的隆起部。溝槽具有底壁和側壁。所述材料于底壁上、側壁上以及隆起部的頂部上。所述溝槽容納第二電極的至少一部分。第二電極暴露出在隆起部的頂部上形成的材料。
文檔編號G01N27/22GK102150038SQ200980135484
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月10日 優先權日2008年9月11日
發明者奧瑞利·休伯特, 馬蒂亞斯·梅茲 申請人:Nxp股份有限公司