专利名称：具有组合的面内和平行平面结构的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如电子电路之类的装置，包括例如电容性传感器或电阻性传感器之类的传感器，用于感测传感器环境的物理参数(例如湿度)的大小。传感器包括在第一 层中形成的第一电极、在第二层中的形成的第二电极以及第一和第二电极之间的材料。所 述材料具有电学性质，所述电学性质的值依赖于所述物理参数的大小。
背景技术：
这种传感器在本领域是众所周知的。作为这种传感器的一个示例，在下面的段落 中考虑电容湿度传感器。湿度传感在许多工业应用中非常重要，这些工业应用包括监测药物产品、生物医 学产品、食品、饮料存储和后勤管理(例如通过使用基于RFID的传感器登录装置)、汽车工 业、半导体工业等等。缩写“RFID”代表射频识别。例如对于食品监测应用，需要测量食品 包装内的相对湿度以监测产品质量，因为过大的水分含量将导致提前变质。在这种应用中， 湿度传感器的微型化也是关键因素。由于这些原因，使用例如CMOSIC技术之类的集成电路 (IC)技术来集成湿度微传感器，降低了加工的成本，并且给出了一种有利的集成方案。目前商用的大多数湿度传感器具有电容性传感器结构。电容器的电极通过合适的 电介质材料彼此电隔离。所述材料的介电常数的值依赖于相对湿度的大小。结果，电容依赖 于相对湿度。因此，如果电容确定了电子电路的功能行为(例如RC时间、振荡频率等等)， 这种行为的监控将使得能够确定相对湿度。考虑到在传感器工作时应该将电介质材料暴露到环境空气，电容性传感器中的电 容器可以具有几种空间结构之一。第一种结构称作平板电容器(或者平行平面电容器)结构。这里，由聚合物薄膜 或金属氧化物制成的电介质层夹在两个金属电极之间。典型地使用金(Au)，对上电极进 行构图或者使其多孔，使得空气中的水蒸气可以到达电介质层。构图后的电极配置用于 保护电介质层免于沾污以及受到凝结影响。这种传感器的示例例如参见EP 0 395 349； S. A. Krutovertsev 等人在 Sensors and Actuators, A 62 (1997)第 582-585 页的文章 "Integrated multifunctional humidity sensor” ；A. K. Sen 等人 2008 年 4 月在 IEEE Sensors Journal. Vol. 8 (4) % 333-340 页的文章 "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 页的文章 “Improvement of polyimide capacitive humidity sensor by reactive ion etching and novel electrode design，，。这种传感器的改进涉及例如上电极的设计、添加加热元件以控制传感器灵敏度、 以及底部电极的构图。对于后一特征，使用上电极的顶部金属网格作为硬掩模在电介质材 料中制作开口。因此，增加了暴露于环境空气中的电介质材料面积。也对底部电极进行了 构图，但是底部电极被电介质材料完全覆盖。对于更多的细节，例如参见EDocmeki等人在 Journal of Microelectromechanical System(2001)，Vol. 10，第 197—203 页的文章 “A high-sensitivity polyimide capacitive relative humidity sensor for monitoring anodically bonded hermetic micropackages，，。第二种结构称作面内(in-plane)电容器。在这种电容器中，在衬底顶部上的相同 层中形成两个电极，并且用电介质材料涂覆电极的顶部。电极的形状可以是一对互锁的梳 子状。也将这种电极图案称作叉指型电极(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 中公开了 使用面内结构的电容性湿度传感器的示例。J. Laconte等人在2003年10月的!Proceedings of IEEE, Sensors, Vol. 1 第 373-377 页的文章“High-Sensitivity Capacitive Humidity Sensor Using 3-Layer Patterned Polyimide Sensing film，，公开了一禾中改进的 IDE 结 构。在该文章中所考虑的电容性湿度传感器基于IDE结构和聚酰亚胺敏感层。形成电极指 宽度为ι μ m的铝叉指型电极，两个相邻电极指之间的距离是1 μ m。将电极沉积到第一绝缘 聚酰亚胺层上，并且用两个另外的聚酰亚胺层覆盖电极。上聚酰亚胺层表现出孔的规则阵 列，以增加有用表面积。
发明内容
发明人已经认识到通过组合平行平面结构的特征与面内结构的特征，可以改进 传感器结构的灵敏度。以上讨论涉及电容性实施方式的已知湿度传感器。然而，本发明涉 及电极和夹在电极之间的材料的空间结构，因此也可应用于具有对除了湿度之外的环境参 数敏感的材料的电容性或电阻性传感器。更具体地，发明人提出了一种包括传感器的装置，所述传感器用于感测传感器环 境的物理参数的大小。所述传感器包括第一电极、第二电极以及第一电极和第二电极之间 的材料。所述材料具有电学性质，所述电学性质的值依赖于所述物理参数的大小。第一电 极形成于第一层中，第二电极形成于第二层中。第一层具有沟槽以及与沟槽相邻的隆起部。 沟槽具有底壁和侧壁。所述材料位于底壁上、侧壁上以及隆起部的顶部上。沟槽容纳第二 电极的至少一部分。第二电极暴露出在隆起部的顶部上形成的材料。在这种结构中，对这 两个电极都进行了构图并且在它们之间嵌入敏感材料层。沟槽的底壁和侧壁对于传感器的 有效电学行为都有贡献。在实施例中，所述材料形成为在沟槽和隆起部上在空间上分离开的多个带状部。 结果，材料层的相邻带状部的侧壁，即彼此面对的相邻带状部的侧壁，增加了与环境的接触 面积，并且因此增加了传感器对于物理参数的灵敏度。在另外的实施例中，隆起部顶部上的材料具有一个或多个槽或者孔。所述孔或槽 只出现于由第二电极暴露出的材料层中，而不会出现在夹在第一和第二电极之间的材料部 分中。所述槽或者孔对隆起部顶部上的材料进行构图，以便进一步增加与环境的接触面积。在另外的实施例中，将传感器配置为电容性传感器，并且所述材料用作电介质，其 介电常数依赖于物理参数的大小。例如，所述物理参数是湿度，并且所述材料包括诸如至少 以下之一的湿度敏感物质聚酰亚胺、碳化硅、金属氧化物和氮化硅。沿水平方向在电介质 材料覆盖沟槽侧壁的位置、以及沿垂直方向在电介质材料覆盖沟槽底部的位置处形成电容 器。因此，本发明将面内设计与平行平面设计进行了组合，并且以光刻工艺相对易于制造。
在另外的实施例中，所述装置包括容纳传感器的收发机(transponder)，例如 RFID标签。
作为示例并且参考附图更加详细地解释本发明，其中图1、2和3是示出了本发明传感器实施例的制造中不同阶段的图；图4是示出了在本发明传感器的另一实施例中制造的一个阶段的图；以及图5是示出了在本发明传感器的另一个实施例中制造的一个阶段的图。贯穿附图，类似或相应的特征用相同的参考数字表示。
具体实施例方式图1至图3以透视图示出了本发明的电容性传感器100实施例的制造。优选地， 以光刻技术制造传感器100，例如在制造集成电路(IC)或印刷电路板(PCB)时所使用的光 刻技术。图1示出了将导电层102制造在隔离衬底104上的制造步骤的结果。层102将用
作电容性传感器100的电极。对层102进行构图，以便具有限定了沟槽112.....114的隆
起部106、108.....110。每一沟槽112-114具有底壁和两个侧壁。为了不使附图含混不清，
只示出了针对沟槽112的底壁116和侧壁118。图2示出了与隆起部116-110和沟槽112-114的图案保形(conformal)地形成电 介质材料层202的制造步骤的结果。注意层202已经覆盖了沟槽112-114的底壁和侧壁。 层202的电介质材料的介电常数的值依赖于物理参数的大小。下面将详细讨论物理参数和 用于层202的关联材料的示例。图3示出了制造导电层302来填充沟槽112和114的制造步骤的结果。层302将 用作传感器100的另一电极。层302使层202的顶部部分304、306和308暴露到传感器 100的环境中，使其介电常数的值受到环境的物理参数性质影响。主要是层202夹在层102和302之间的那部分确定传感器100的电容，并且因此 也确定其灵敏度。顶部部分304-306的大部分没有夹在电极102和302之间。结果，顶部 部分304-308对于总电容的贡献具有较低影响，并且只由电极指电场来确定。现在作为示例假设层202由对于周围环境空气中的湿度敏感的电介质材料构成。 于是，传感器100实现为湿度传感器。传感器100在层202的上表面部分304-308处暴露于 湿度。在部分304-308处捕获的湿度需要扩散到层202夹在层102和302之间的那部分。图4示出了参考图1至图3讨论的类似制造工艺的结果。在该工艺中制造的传感 器400与传感器100的不同之处在于层202由在隆起部106-110以及隆起部106-110之
间的沟槽112-114上平行延伸的多条带状部401.....403构成。在图4中没有示出沟槽
112-114以便不使附图含混不清，但是沟槽112-114如图1所讨论那样形成。在传感器400 中，电介质层202的顶部部分402、404、406、408、410、. . ·、412暴露到环境中。传感器400的结构相对于传感器100的结构的优势在于相邻带状部之间的开口 有助于环境空气或环境液体中的媒质(上述示例中的湿度)穿透进入层202对于电容有贡 献的相关部分，即进入夹在电极102和302之间的那些部分。这种夹持部分的每单位面积与环境空气或液体的接触面积比传感器100中要大。接触面积包括带状部401和403的侧 表面，即带状部401上面对带状部403上类似侧表面的那些表面。为了清楚起见，只示出了 这些侧表面中的单独一个侧表面，即表面414，以便不会使附图含混不清。注意，层202的 厚度不需要在传感器中是均勻的。例如，使用附加的工艺步骤，使顶部部分402比夹持部分 厚。结果，增加了侧表面的面积，因此增加了层202的夹持部分的每单位面积的捕获面积， 从而增加了传感器的灵敏度。图5是示出了在本发明传感器的另一个实施例500 —部分的透视图。为了不使附 图含混不清，没有示出第二电极302。通过传感器100的顶部部分304-308或者传感器400 的顶部部分402-412中、而不在电极102和302之间夹持的那部分层202中的槽或者孔(未 示出)，进一步增加了灵敏度。图5示出了针对传感器100的结构的槽。图5只示出了这些 槽中的两个槽502和槽504，并且没有示出电极302，以便不使附图含混不清。优选地，在 提供电极302占据沟槽112和114之后，制作槽502-504。顶部部分304-308或者402-412 中的槽或者孔进一步增加了层202暴露于环境的接触面积。注意，这种槽或者孔不会影响 最终确定电容的夹持部分的面积。槽502-504沿与沟槽112-114的主方向实质上垂直的方 向延伸，但是可以选择其他方向。附图没有示出在工艺中提供的其他层，例如电极层102和302之间的隔离层、或者 用于覆盖顶部部分402-412之间的隆起部106-110的保护层。这些附加层的制造和定位对 于例如半导体制造领域的普通技术人员而言是清楚的，因此这里没有详细讨论这些层。电极层102和302可以由类似的材料或不同的材料形成。例如，电极102由铝(Al) 制成，并且电极302由铜(Cu)制成。电介质层202由介电性质依赖于待测量环境参数、并 且适用于光刻工艺的材料制成。例如，如果传感器100和400用作湿度传感器，敏感材料可 以是以下之一聚酰亚胺、碳化硅、金属氧化物、氮化硅。在本发明的实施例中，可以使用例如旋涂工艺、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉 积(CVD)等，按保形沉积来涂覆敏感材料层202。在保形沉积中，覆盖所有暴露的表面，而 与其朝向无关。例如，与电极302的条相面对的隆起部106-110的面积也被覆盖，所述电极 302的条连接容纳于沟槽112-114中的电极302各部分。以上示例讨论了电容性传感器，其操作基于检测由于表示传感器环境的物理参数 的变化而导致的电容变化。然而，相同的拓扑结构可以用于电阻性传感器。在电阻性传感 器中，检测由于表示传感器环境的物理参数的变化而导致的电阻变化。下表是适用于感测具体物理参数的电容性或电阻性传感器的层202中的敏感材 料的示例，所述材料利用光刻工艺进行构图并且在合适时进行后续刻蚀。
权利要求
1.一种包括传感器(100 ；400 ；500)的装置，所述传感器用于感测传感器环境的物理参 数的大小，其中所述传感器包括第一电极(102)、第二电极(302)以及所述第一电极和第二电极之间 的材料(202)；所述材料具有电学性质，所述电学性质的值依赖于所述物理参数的大小； 所述第一电极形成于第一层中，以及所述第二电极形成于与所述第一层不同的第二层中；所述第一层具有沟槽(112)以及与所述沟槽相邻的隆起部(106)； 所述沟槽具有底壁(116)和侧壁(118)； 所述材料位于所述底壁上、所述侧壁上以及所述隆起部的顶部上； 所述沟槽容纳所述第二电极的至少一部分；以及所述第二电极暴露出在所述隆起部的顶部上形成的材料(304、306、380 ；402,404, 406、408、410、412)。
2.根据权利要求1所述的装置G00)，其中所述材料形成为所述沟槽和隆起部上多个 在空间上分离开的带状部。
3.根据权利要求1或2所述的装置(500)，其中所述隆起部顶部上的材料具有一个或 多个槽(502,504)或者孔。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中 所述传感器配置为电容性传感器；所述物理参数是湿度；以及所述材料包括以下至少之一金属氧化物、SiO2, SiC、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、苯并环 丁烯、聚硫化物、乙酸丁酸纤维素、多孔硅和氮化硅。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的装置，包括容纳所述传感器的收发机。
全文摘要
传感器感测传感器环境的物理参数的大小。传感器包括第一和第二电极以及其间的材料层。所述材料具有电学性质，例如电容或电阻，所述电学性质的值依赖于所述物理参数的大小。第一电极形成于第一层中，第二电极形成于与第一层不同的第二层中。第一层具有沟槽以及与沟槽相邻的隆起部。沟槽具有底壁和侧壁。所述材料于底壁上、侧壁上以及隆起部的顶部上。所述沟槽容纳第二电极的至少一部分。第二电极暴露出在隆起部的顶部上形成的材料。
文档编号G01N27/22GK102150038SQ200980135484
公开日2011年8月10日 申请日期2009年9月10日 优先权日2008年9月11日
发明者奥瑞利·休伯特, 马蒂亚斯·梅兹 申请人:Nxp股份有限公司