专利名称：占用传感器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种传感器装置，其能够探测房间中一个或多个人的存在，并且能够输出适于比如切换灯或者对建筑物内环境参数甚至更智能控制的探测信号。
背景技术：
通常期望节约能量。这种能量节约的一个领域是建筑物、特别是办公建筑物以及住宅建筑物中的照明。正在进行工作以发展出非常高效的光源，这种光源消耗更少能量并仍产生相同数量的光。然而，如果灯在不需要时候自动地切断，也可以实现重要的能量节约；在这个方面，当灯照射的区域不被人占用时，这个灯可以被认为是不需要的(实践中，可以使用更加细化的定义)。因而需要一种占用传感器(occupancy sensor).为了能够切换灯，占用传感器和灯之间必须存在通信链路。期望这种链路是无线的。这将节约按安装成本，并且对于已有建筑物中的已有照明设施的情形，这将使得安装占用传感器更加容易。另外，不存在线路将在美观上更容易接受。不可避免地，传感器装置将需要功率。功率可以从市电供应，但是这需要输电线。 因此，功率优选地由蓄电池(battery)提供，但是这种情况下传感器装置必须具有低功耗从而具有长寿命。在这个方面，将优选的是，传感器装置能够收集能量，特别是如果传感器装置设有太阳能电池(solar cell)，即能够将光能转换为电能的电池。将甚至更优选的是，传感器装置能够收集RF能量。另外，从审美观点来说，人们将不希望在他们的天花板或壁上安装笨重的传感器装置。最期望的是，传感器装置应几乎不可见。
发明内容
本发明旨在提供一种能够满足上述设计方面的传感器装置。在一个方面，本发明提供一种传感器装置，其包括整合制作在一个半导体主体中的传感器、蓄电池、发射器和太阳能电池。在另一方面，本发明提供一种用于制作传感器装置的方法，该传感器装置包括一起整合在一个半导体载体内的传感器、蓄电池、发射器和太阳能电池。在从属权利要求中提到另外的有利实施例。
参考附图通过对一个或多个优选实施例的下述描述而进一步解释本发明的这些和其它方面、特征和优点，在附图中相同的附图标记表示相同或相似部分，并且附图中
图1A-1E示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置的第一实施例的制作工艺中的后续阶段；
图IF示意性说明附连到房间的壁的传感器装置的第一实施例； 图2A-2G示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置的第二实施例的制作工艺中的后续阶段；
图2G示意性说明附连到房间的窗户的传感器装置的第二实施例； 图3A-3E示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置的第三实施例的制作工艺中的后续阶段；
图4A-4E示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置的第四实施例的制作工艺中的后续阶段；
图5示意性说明热电偶；
图6示意性说明热传感器的设计；
图7和8示意性说明热传感器的可替换设计。
具体实施例方式图1A-1E示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置100的第一实施例的制作工艺中的后续阶段。在第一步骤，提供硅晶片10。如图IA说明，晶片具有晶片主体13，该晶片主体具有两个主表面11和12。第一主表面11将表示为顶表面并且相对的主表面将表示为背表面。在图IB说明的第一处理阶段中，在顶表面11中或上制作第一功能层20。第一功能层20制作成从而包括在第一功能层20中的中心位置处具有热传感器23的热传感器部分21，以及布置在热传感器部分21周围的电子电路系统22。将在下文描述热传感器部分 21的合适设计。电子电路系统22的设计基本上是装置设计者的自由选择，取决于例如传感器的期望用途，因此不需要在此处太详细地讨论这种设计。只要说电子电路系统22将能够接收和处理来自热传感器23的输出信号，这是足够的。比如，电路系统22可包括微处理能力。用于制作热传感器部分21和电子电路系统22的工艺可以是IC制作领域中常用的标准工艺，因此此处不需要对这种工艺进行详细解释。注意，特别是用于制作电子电路系统22的合适技术为CMOS技术。本领域技术人员应清楚，第一功能层20实际包括在连续步骤中布置的多个膜的层叠。这些膜可包括一个或多个陶瓷膜，如在下文变得更加清楚，该陶瓷膜可以在之后的蚀刻步骤中用作蚀刻停止层。在图IC说明的第二处理阶段中，在第一功能层20上制作第二功能层30。第二功能层30不完全覆盖第一功能层20，但是它包括围绕空余空间(empty space) 31的环状材料部分32。这个空余空间31与热传感器部分21对齐，并且具有与热传感器部分21相同或更大的尺寸，使得环状材料部分32使热传感器部分21完全自由不存在与热传感器23的交叠。注意，第二功能层30可以沉积成环状，但是也可能将第二功能层30沉积在整个第一功能层20上方以及随后比如通过蚀刻部分地移除热传感器部分21上方的材料从而留下环状材料部分32。第二功能层30含有仅仅在33示意性示出的蓄电池。蓄电池33具有对电路系统 22供电的功能。注意，用于在半导体载体上制作蓄电池的薄膜处理本身是已知的，使得此处不需要更详细解释这种蓄电池设计和制作工艺。这种蓄电池的若干设计是已知的，并且此处可以使用那些已知设计。优选地，该蓄电池为固态蓄电池。第二功能层30还含有仅仅在34示意性示出的天线。天线具有允许电路系统22 通信，即接收命令信号和/或发射探测信号的功能。因而，特别地，电路系统22可包括发射器功能、接收器功能或者收发器功能。注意，用于在半导体载体上应用天线的方法本身是已知的，使得此处不需要更详细解释这种天线设计和制作工艺。然而，注意，这种设计典型地包括沉积在半导体载体上的金属线，其有可能是螺旋形状。另外注意，除了这种通信天线， 有可能该第二功能层30含有RF收集天线，或者一个天线被用于通信并且用于RF收集。另外注意，用于制作第二功能层30的制作工艺在较低温度、优选地小于400° C执行，使得第一功能层20中的部件不受该制作工艺影响。能够在低于所述温度极限的处理步骤来完全制作的全固态蓄电池的合适示例包括氧化钒活性电极以及基于磷酸锂的固态电解质。在图ID说明的第三处理阶段中，在第二功能层30上制作含有一个或多个太阳能电池43的第三功能层40。与第二功能层30类似，第三功能层40不完全覆盖第二功能层 30，它而是包括围绕空余空间41的环状材料部分42。此空余空间41与热传感器部分21对齐，并且具有与热传感器部分21相同或更大的尺寸，使得环状材料部分42使热传感器部分 21完全自由不存在与热传感器23的交叠。注意，第三功能层40可以沉积成环状，但是也有可能将第三功能层40沉积在整个第二功能层30上方以及随后比如通过蚀刻部分地移除热传感器部分21上方的材料从而留下环状材料部分42。注意，用于在半导体载体上制作太阳能电池的工艺本身是已知的，使得此处不需要更详细解释这种太阳能电池设计和制作工艺。这种太阳能电池的若干设计是已知的，并且此处可以使用那些已知设计。另外注意，用于制作第三功能层40的制作工艺是在低于用于制作第二功能层30 的制作工艺的温度，优选地在小于300° C的温度执行，使得第二功能层30中的部件不受该制作工艺影响。制作工艺的合适示例为用于制作多晶硅太阳能电池的热丝化学气相沉积 (HWCVD)，或者用于制作无定形硅太阳能电池的低温等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在图IE说明的第四处理阶段中，移除在热传感器部分21下方的部分的晶片主体 13从而形成凹部14，该凹部具有从底表面12侧到达第一功能层20中的热传感器部分21 的深度。在此凹部14外部，也可以移除部分的晶片主体13从而减小主体厚度，如所说明。注意，用于移除半导体材料的合适工艺本身是已知的，使得此处不需要更详细解释这种工艺。通过示例的方式，这种工艺的合适示例为反应离子蚀刻、或者溅射蚀刻、或者湿法化学蚀刻。另外注意，结合在第一功能层20中的蚀刻停止层，诸如前面提到的陶瓷层， 使该蚀刻工艺停止。为了清楚起见，这种陶瓷层未分开示出。注意，本领域技术人员应清楚，通过蓄电池和太阳能电池的拓扑的合适设计，可以容易地提供从太阳能电池到蓄电池的电连接，因为太阳能电池直接制作在蓄电池顶部上。 类似地，通过蓄电池和电子电路系统22的拓扑的合适设计，可以容易地提供从蓄电池到电子电路系统22的电连接，因为蓄电池直接制作在电子电路系统22顶部上。注意，层20、30、40的相应厚度在图中被夸大。尽管精确尺度不是绝对必要的，通过示例的方式
晶片主体的厚度可以典型地为700 μ m或更小的量级，第一功能层20的厚度可以典型地在1-5 μ m的范围，
第二功能层30的厚度可以典型地在2-50 μ m的范围，
第三功能层40的厚度可以典型地在0. 1-10 μ m的范围，
以及在移除部分的晶片主体之后，整个装置的厚度可以典型地小于200 μ m。另外，整个装置的表面积可以典型地在0. I-IOcm2的范围内，而热传感器部分21 的表面积可以典型地在0. 025-lcm2的范围内。以此方式获得的传感器装置100非常小，并且由于其厚度小的原因而具有非常柔软的优点。图IF示意性说明传感器装置100的使用。装置100附连到房间R的壁W，其取向为使得晶片10的底表面指向壁W，而具有(多个)太阳能电池43的第三功能层40指向房间 R的内部。因而，(多个)太阳能电池43可以接收内部光L，而热传感器23可以接收热辐射 T。在这个概念中，晶片10充当有源层20、30、40的载体。会期望安装传感器装置使得它可以接收太阳光。为此，根据本发明的传感器装置 200的第二实施例包括在具有(多个)太阳能电池43的第三功能层40的顶部上的载板50。 图2G示意性说明此传感器装置200的使用。装置200附连到房间R的玻璃窗户G，其取向为使得晶片10的底表面指向房间R的内部，而具有(多个)太阳能电池43的第三功能层40 指向窗户G。因而，(多个)太阳能电池43可以接收外部光L，而热传感器23可以接收来自房间内部的热辐射T。在这个概念中，载板50充当有源层20、30、40的载体。图2A-2F示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置200的此第二实施例的制作工艺中的后续阶段。晶片示于210，并且与第一实施例的晶片10不同在于该晶片为绝缘体上硅晶片；附图标记15表示在顶表面11上的氧化物层。此氧化物层15对于回蚀刻是有用的，但是不是必不可少的，使得晶片210不必为S0I。另一方面，第一实施例的晶片10也可以是S0I。在此实施例中，第一处理步骤(图2B中说明)、第二处理步骤(图2C中说明)、第三处理步骤(图2D中说明)和第四处理步骤(图2F中说明)与第一实施例中相同，因此将不重复对它们的描述。偏离第一实施例之处为在第三和第四处理步骤之间执行的第五处理步骤。在图2E说明的这个第五处理步骤中，玻璃衬底50附连到第三功能层40(或者，反之亦然，晶片210附连到衬底)。可以使用布置在第三功能层40上的合适粘合剂(未示出)执行附连。玻璃足够硬从而不触及热传感器部分21，允许玻璃衬底50在热传感器部分21上方延伸从而起到覆盖和保护的作用。在合适实施例中，玻璃衬底50具有约200 μ m或更多的厚度。由于用于将晶片胶粘在玻璃衬底上的方法本身是已知的，此处不需要更详细的解释。然而注意，热传感器23上方的空间31和41应保持空闲，即任何粘合剂不应触及热传感器23。有可能将粘合剂应用在玻璃衬底上并且随后将玻璃衬底和晶片彼此附连。还可能比如通过旋涂将粘合剂应用在晶片的顶表面上(即在第三层40上)，并且随后将玻璃衬底和晶片彼此附连。如本领域技术人员所应清楚的，在两种情况下，如果不可能使粘合剂不接近热传感器23，则有可能通过回蚀刻从热传感器移除过量粘合剂。注意，在第四步骤中，晶片材料被完全蚀刻掉，氧化物层15用作蚀刻停止层。结果，装置的机械性能主要由玻璃板确定。
参考图2G，注意，太阳光L也含有红外光。为了使热传感器23对于热辐射T具有足够灵敏度，玻璃板50起到阻挡所有来自外部的热辐射的作用。通过向玻璃板表面应用抗反射涂层(未示出)，可以提高这个作用。在上述实施例中，载板50由玻璃制成。除了玻璃， 有可能使用另一透明材料。在特别优选实施例中，载板50可以由聚酰亚胺制成。为了就蚀刻而言便于操作，优选地在蚀刻之前将玻璃板附连到聚酰亚胺板以及在蚀刻之后移除此玻璃板。为了简化起见，不单独地说明这些步骤。在上文讨论的实施例中，所有功能层20、30、40布置在晶片衬底的同一侧。可替换地，还有可能将功能层布置在晶片衬底的对立侧。在所有情形中，具有热传感器23和电路系统22的第一功能层将布置在硅衬底13上。在传感器装置300的第三实施例中，太阳能电池与热传感器相对布置。图3A-3E 示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置300的此第三实施例的制作工艺中的后续阶段。如图3A-3C说明的第一步骤与图1A-1C说明的第一步骤相同。偏离第一实施例之处在于，在衬底13中形成通路16，在晶片的底表面12上形成氧化物隔离层17，并且随后在所述氧化物隔离层上制作第三功能层40，如图3D说明。通路用于提供太阳能电池43和电路系统22之间的电接触。最后，如图3E说明的从热传感器部分21下方移除衬底的步骤与图 IE说明的步骤相同，注意氧化物层也从热传感器部分21下方移除。注意，在变型中，取决于太阳能电池和蓄电池的材料选择，可以在第二功能层30 之前布置第三功能层40，并且甚至可以在第一功能层20之前布置第三功能层40。在传感器装置400的第四实施例中，蓄电池与热传感器相对布置。图4A-4E示意性说明用于制作根据本发明的传感器装置400的此第四实施例的制作工艺中的后续阶段。 如图4A-4B说明的第一步骤与图3A-3B说明的第一步骤相同。随后如图4C中说明，在第一功能层20上制作具有太阳能电池42的第三功能层40。在衬底13中形成通路16，在晶片的底表面12上形成氧化物隔离层17，并且随后在所述氧化物隔离层上制作第二功能层30， 如图4D说明。通路用于提供蓄电池33和电路系统22之间的电接触。最后，如图4E说明的从热传感器部分21下方移除衬底的步骤与图3E说明的步骤相同。图5示意性说明通常由附图标记500表示的热电偶的基本设计。热电偶500包括材料互不相同的两条传导线510和520，每一条传导线具有第一端部511、521并且每一条具有第二端部512、522。线510、520的第一端部511、521连接在一起。假设第一端部511、521 的结(joint)保持在第一温度Tl，并且第二端部512、522保持在彼此相同的与Tl不同的温度T2 可以测量这些两个第二端部512、522之间的电压差异V，该电压与温度差异|T1_T2 成比例，比例常数依赖于材料的选择。因为这种设计通常是已知的，此处不需要进一步解释。图6示意性说明根据本发明的热传感器600的设计，该热传感器适合于用作前述的热传感器部分21。热传感器600包括中心主体610，该中心主体可以如所示适合具有方形形状，并且该中心主体安装成具有到其环境的尽可能小的热传导。多个热电偶500靠着其边缘布置。每个热电偶500的第一端部511、521的结总是连接到中心主体610。另外，相邻热电偶的自由第二端部连接在一起，如部分放大图所示，使得所有热电偶串联电连接，同时并联热连接。这个串联布置的端部端子示于601和602。中心主体610和热电偶500实施为硅中的图案。中心主体610设计成具有比较大的表面区域，其吸收热量，即吸收红外辐射。非常合适的材料为黑金(black gold)。传导线510和520可以比如制成为η掺杂和ρ
掺杂多晶硅。中心主体610被安装以接收IR辐射并且在硅的薄区域中实施，使得它吸收辐射并且温度上升，提升的温度不容易流走。传导线510和520可以布置在硅的较厚部分中，使得它们被更好地冷却。在端部端子601、602之间发展出电压差异，布置在同一芯片中的电路系统可以直接使用该电压差异。注意，此检测电压不依赖于任何电源电压。另外注意，这种装置的响应时间短，在约IOms的量级。在图6的实施例中，检测表面区域比较大。图7和8说明能够指示接收传感器哪个部分上的热能的实施例。在图7中，传感器装置755包括四个单独传感器700，每个传感器 700包括中心纵向主体710，该中心纵向主体具有沿着相对的纵向边缘布置的热电偶500， 该热电偶具有端部端子701和702。在图8中，传感器装置800包括中心纵向主体810，该中心纵向主体具有沿着相对的纵向边缘布置的热电偶500，该热电偶具有不仅布置在端部而且布置在中间位置的端子801，使得可以从传感器的不同部分获得传感器信号。重要优点在于柔性传感器755、800可以弯曲，使得不同传感器部分可以从不同方向接收热辐射。因而，不仅有可能探测人的存在，还有可能探测这个人的位置，和/或探测这个人的移动方向。概言之，本发明提供一种用于制作传感器装置100 ；200 ；300 ；400的方法，该传感器装置包括一起整合在一个半导体载体10中的热传感器23、蓄电池33、天线34、电子电路系统22和太阳能电池43。该方法包括下述步骤
提供硅晶片10，其具有两个主表面11、12 ；
在一个主表面11上制作第一功能层20，该第一功能层包括热传感器部分21并且包括与该热传感器部分按照不交叠关系布置的电子电路系统22 ；
与该热传感器部分按照不交叠关系布置含有蓄电池和天线的第二功能层30 ； 与该热传感器部分按照不交叠关系布置含有一个或多个太阳能电池的第三功能层
40 ；
移除该热传感器部分21下方的部分晶片。尽管本发明已经在附图和前述说明书中予以详细说明和描述，本领域技术人员应清楚，这种说明和描述被认为是说明或示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例；相反，在所附权利要求限定的本发明保护范围内有可能进行若干变化和调整。比如，不是绝对要求电子电路系统22、蓄电池33、天线34和太阳能电池43围绕热传感器23 ； 也有可能是电子电路系统22、蓄电池33、天线34和太阳能电池43布置成挨着热传感器23， 只要不存在交叠。另外，有可能将电子电路系统22和热传感器23布置在不同的相邻层中， 但是优选地电子电路系统22和热传感器23布置在同一层中。在上文中，未指定在载体上制作的蓄电池的细节，因为在硅载体上制作蓄电池本身是已知的。注意，有可能使用2D设计或3D设计；在后一种情形中，如本领域技术人员所应清楚，下述将是有益的沉积一层无定形硅并且随后在此无定形硅中蚀刻形成任意形状的腔体从而产生期望的3D结构，并且最后沉积蓄电池。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和达成对所公开实施例的其它变化。在权利要求中，措词“包括“不排除其它元件或步骤，并且不定冠词"一"或“一个“不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应解读为限制范围。
权利要求
1.一种用于制作传感器装置(100 ；200 ；300 ；400)的方法，该传感器装置包括一起整合在一个半导体载体(10)中的热传感器(23)、蓄电池(33)、天线(34)、电子电路系统(22) 和太阳能电池(43)，该方法包括下述步骤提供具有晶片主体(13)的硅晶片(10)，该晶片主体具有两个相对的、相互平行的主表面(11、12)；在第一处理阶段，在所述主表面其中之一(11)中或上制作第一功能层(20)，该第一功能层包括具有至少一个热传感器(23)的热传感器部分(21)，以及制作包括与该热传感器部分(21)按照不交叠关系布置的电子电路系统(22 )的功能层(20 )；在该第一处理阶段之后的第二处理阶段，制作具有与该热传感器部分(21)按照不交叠关系布置的材料部分(32 )的第二功能层(30 )，该材料部分(32 )含有蓄电池(33 )和天线 (34)；在该第一处理阶段之后的第三处理阶段，制作具有与该热传感器部分(21)按照不交叠关系布置的材料部分(42)的第三功能层(40)，该材料部分(42)含有一个或多个太阳能电池(43)；在该第三处理阶段之后的第四处理阶段，移除该热传感器部分(21)下方的部分的晶片主体(13)，从而产生凹部(14)，该凹部具有从底表面(12)侧到达该第一功能层(20)中的该热传感器部分(21)的深度。
2.根据权利要求1的方法，其中在同一功能层(20)中制作该电子电路系统(22)和该热传感器部分(21)。
3.根据权利要求2的方法，其中利用相同处理步骤制作该电子电路系统(22)和该热传感器部分(21)。
4.根据权利要求1的方法，其中该第二功能层(30)包括与该热传感器部分(21)对齐的空洞(31)，和/或其中该第三功能层(40)包括与该热传感器部分(21)对齐的空洞(41)。
5.根据权利要求1的方法，其中用于制作该第二功能层(30)的制作工艺是在较低温度、优选地小于400° C执行，使得该第一功能层(20)中的部件不受此制作工艺影响。
6.根据权利要求1的方法，其中该第三处理阶段是在该第二处理阶段之后执行。
7.根据权利要求6的方法，其中用于制作该第三功能层(40)的制作工艺是在比用于制作该第二功能层(30)的制作工艺的温度低的温度、优选地小于300° C执行，使得该第二功能层(30)中的部件不受此制作工艺影响。
8.根据权利要求1的方法，其中在该第一功能层(20)上制作具有蓄电池和天线的第二功能层(30)，以及其中在第二功能层(30)上制作具有(多个)太阳能电池的第三功能层 (40)。
9.根据权利要求1的方法，其中在该第一功能层(20)上制作具有蓄电池和天线的第二功能层(30)，以及其中在所述主表面的第二个(12)上制作具有(多个)太阳能电池的第三功能层(40)。
10.根据权利要求1的方法，其中在所述主表面的第二个(12)上制作具有蓄电池和天线的第二功能层(30)，以及其中在该第一功能层(20)上制作具有(多个)太阳能电池的第三功能层(40)。
11.根据权利要求1的方法，其中具有(多个)太阳能电池的第三功能层(40)制成最外层，以及其中载板(50)布置在此第三功能层的顶部上，该载板优选地由玻璃或聚酰亚胺制成。
12.—种传感器装置，包括利用根据权利要求1-11任意一项的方法整合地制作在一个半导体主体(13)中的热传感器(23)、蓄电池(33)、天线(34)、电子电路系统(22)和太阳能电池(43)。
13.根据权利要求12的传感器装置，其中该热传感器(23)包括薄中心主体(610)以及沿着该中心主体(610)的边缘布置的多个热电偶(500)；其中该中心主体(610)设计成吸收热量；其中所有热电偶串联电连接，同时并联热连接；以及其中该中心主体(610)和该热电偶(500)实施为硅中的图案。
14.根据权利要求12的传感器装置，其中该热传感器(23)包括四个单独传感器部分 (700)，每个传感器部分(700)包括薄的中心纵向主体(710)和沿着该中心主体(710)的相对纵向边缘布置的多个热电偶(500 )。
15.根据权利要求12的传感器装置，其中该热传感器(23)包括薄的中心纵向主体 (810)和沿着该中心主体(810)的相对纵向边缘布置的多个热电偶(500)，该中心主体具有接触端部热电偶的端子(801)且还具有在中间热电偶接触的端子(801)，使得从传感器的不同部分可以获得传感器信号。
全文摘要
一种用于制作传感器装置(100；200；300；400)的方法，该传感器装置包括一起整合在一个半导体载体(10)中的热传感器(23)、蓄电池(33)、天线(34)、电子电路系统(22)和太阳能电池(43)，该方法包括下述步骤提供硅晶片(10)，其具有两个主表面(11、12)；在一个主表面(11)中制作第一功能层(20)，其包括热传感器部分(21)并且包括与该热传感器部分按照不交叠关系布置的电子电路系统(22)；与该热传感器部分按照不交叠关系布置第二功能层(30)，其包含蓄电池(33)和天线(34)；与该热传感器部分按照不交叠关系布置第三功能层(40)，其含有一个或多个太阳能电池(43)；移除该传感器部分(21)下方的部分晶片。
文档编号H01L27/14GK102450106SQ201080023392
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月7日 优先权日2009年5月27日
发明者R. 哈尔特森 J., A. H. 尼森 R., F. P. 帕斯维尔 W. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司