专利名称：电容性传感器、集成电路、电子设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于感测关注分析物的传感器，该传感器包括具有电容性感测元件，所述电容性感测元件具有由电介质分开的电极，所述电介质的介电常数对关注分析物敏感。本发明还涉及包括这种传感器的集成电路(IC)。本发明还涉及包括这种IC的电子设备。本发明还涉及到使用这种传感器确定关注分析物等级的方法。
背景技术：
现在，集成电路(IC)可以包括诸如湿气敏感(moisture-senstive)传感器之类的电容性传感器，所述湿气敏感传感器例如是相对湿度(RH, relative humidity)传感器或浸液检测(liquid immersion detection)传感器。这种传感器的电容性感测元件典型地包括电极对，即由电介质分开的电容器极板，其中电介质的介电常数对关注分析物(例如湿气)的等级(level)敏感。关注分析物典型地由电介质吸收，这导致电介质的介电常数变化，从而改变了电容性感测元件的总电容。因此，对电容性感测元件的电容的确定指示了电容性感测元件暴露于其中的关注分析物的等级。由于多种许多原因，这种传感器可以包含在IC设计中。例如，可以将这种传感器包含在IC中以确定例如返回给制造商的故障IC是否已经由于暴露在湿气中(例如浸入事件)而损坏或者IC自身是否发生故障。对于确定将IC或包括IC的电子设备返回的用户是否具有对设备的保修权利而言，确定引起故障的这种外部影响是至关重要的，因为典型地诸如上述浸入事件等错误使用使保修无效。备选地，这种传感器可以是IC的功能模块的一部分。例如，可以为诸如射频(RF)识别(ID)芯片之类的近场通信IC提供多种传感器，例如温度传感器、环境光传感器、机械冲击传感器、浸液传感器、湿度传感器、CO2传感器、O2传感器、pH传感器以及こ烯传感器，这些传感器例如用于监视以芯片为标签的产品的环境条件，例如，可以通过监视芯片的传感器读数可以实现产品质量控制。将这些传感器中的一些传感器集成到IC制造流程的后端(例如集成到金属化叠层(metallization stack)中或金属化叠层上)是尤为具有吸引力的，这是因为，由于可以在对エ艺流程的改动最小的情况下实现这种集成，使这种集成更节省成本。这种电容性传感器的缺点是相对慢的响应时间。造成这种缓慢的原因有两个。首先，分析物进入传感元件电介质的有限扩散速率导致固有延迟，其次，所产生的測量信号是模拟信号，将该模拟信号转换成数字域中増加了另外的处理步骤和相关延迟。

发明内容
本发明试图提供ー种具有更高响应速度的传感器。本发明还试图提供ー种包括这种传感器的1C。
本发明还试图提供ー种包括这种IC的电子设备。本发明还试图提供ー种使用这种传感器来确定关注分析物的等级的方法。根据本发明的第一方面，提供了一种用于感测关注分析物的传感器，该传感器包括多个电容性元件，每个电容性元件包括被电介质隔开的一对电极，其中至少ー个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感，该传感器还包括比较器，适于将选定的电容性元件集合与參考信号比较以产生比较结果信号；以及控制器，用于选择电容性元件集合，并响应于比较结果信号来迭代地更新对感测的关注分析物的等级加以指示的数字化值，其中传感器被布置为产生对感测到的关注分析物的等级加以指示的数字化输出信号。本发明基于以下认识与使用単独的模数转换器产生数字化感测信号的现有技术结构相比，通过在传感器信号数字化级(stage)引入至少ー个感测电容器，可以更快地产生数字化感测信号。此外，通过在传感器信号数字化级中集成至少ー个感测电容器，有利于 減少传感器的总尺寸，从而降低了制造成本。在实施例中，每个电容性元件的电介质的介电常数取决于所述电介质中的关注分析物浓度，控制器被配置为选择所述子集以使得该子集的总电容保持恒定。换句话说，传感器结构中设置的对分析物敏感的电容性元件的数目随着关注分析物的等级(例如湿气)而相反地变化，这是因为，湿气等级的提高将会使电介质的介电常数増大，从而根据关系式C= ε A/d使每个电容性元件的电容C増大，其中ε是将电极隔开的电介质的介电常数，A是电极的面积，d是电极间的分隔间距。因此，对于使传感器的电容保持恒定所需的电容性元件的数目的确定可以直接转化为对关注分析物的等级的确定，而不需要単独的模数转换级。在实施例中，所述多个电容性元件包括第一组电容性元件和第二组电容性元件，第一组电容性元件中的每个电容性元件具有第一最大容量，第二组电容性元件中的每个电容性元件具有是第一最大容量倍数的最大容量。这种倍数例如可以是10，使得通过识别每个组中有多少个电容性元件包含在传感器结构中，可以得到关注分析物的等级。该方案的优点是需要更少的电容性元件来实现精确的数字化传感器读取。在备选实施例中，所述多个电容性元件定义了电荷定标(charge scaling)数模转换器(DAC)，其中所述多个电容性元件包括电介质的介电常数对关注分析物等级敏感的单个电容性元件，所述单个电容性元件在传感器的模数转换模式中定义了数模转换器的最高有效位，所述多个电容性元件还包括电介质的介电常数对关注分析物不敏感的另一电容性元件，所述另ー电容性元件在传感器的编程模式中定义了数模转换器的最高有效位，其中控制器包括用于提供数字码的逐次逼近寄存器。在本实施例中，传感器实质上被集成在逐次逼近模数转换器(ADC)中，设计上的改变在于，在电荷定标DAC中編程的电荷不与输入信号比较，而是与參考信号比较，使得用单个电容性元件替换所述另ー电容性元件会在形成电荷定标DAC的电容性元件上引起电荷重新分布(redistribution)。重新分布的电荷的量由该单个电容性元件的实际电容确定，其中该实际电容是该单个电容性元件的电介质中的分析物等级的函数，使得在模数转换级产生的逐次逼近码与该分析物等级直接相关。在实施例中，该电容性元件可以具有公共电极。这进一歩降低了传感器设计的复杂性，从而进一歩降低了制造成本。
本发明的传感器可以有利地设置到IC中，其中所述电容性元件形成在集成电路的金属化叠层中或金属化叠层上。这具有的优点在干由于不需要(显著地)改变诸如CMOSエ艺之类的制造エ艺改变以在该制造エ艺的后端适应电容性元件的制造，所以可以有限的附加成本将传感器功能添加到IC中。所述电容性元件的至少ー个电极可以形成在金属化叠层的金属层中。备选地，在需要防止金属层下方的电路元件暴露给关注分析物的情况下，例如传感器是浸液传感器的情况下，电容性元件可以形成在所述金属化叠层上，集成电路还包括在电容性感测元件与金属化叠层之间的防湿层，例如Ta2O5层。IC可以是集成到诸如移动通信设备之类的电子设备中，移动通信设备例如是移动电话、个人数字助理等。根据本发明的另一方面，提供了ー种确定关注分析物的等级的方法，包括提供多个电容性元件，每个电容性元件包括被电介质隔开的一个电极，其中至少ー个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感；将选定的电容性元件集合与參考信号进行比较并产生比较结果信号；响应于比较结果信号来迭代地选择电容性元件集合；以及在完成迭代之后产生对所确定的分析物的等级加以指示的数字化信号。这具有的优点在于可以产生所测量的关注分析物的等级的数字表示，而无需独立的ADC。在实施例中，每个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感；迭代地选择电容性元件集合的步骤包括调整电容性元件集合中电容性元件的数目，直到所述比较结果信号指示电容性元件集合中的电容性元件的总电容与參考信号匹配；产生数字化信号的步骤包括在完成迭代之后产生对所选的电容性元件的数目加以指示的信号。在备选实施例中，电容性元件中单个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感；所述多个电容性元件定义了电荷定标数模转换器，电荷定标数模转换器包括所述单个电容性元件作为在数模转换模式中的最高有效位，以及包括电介质的介电常数对关注分析物不敏感的另一电容性元件作为在编程模式中的最高有效位；该方法还包括在编程模式中用參考电压对包括所述另ー电容性元件的数模转换器进行编程；通过用所述单个电容性元件替换所述另ー电容性元件对数模转换器进行重新配置；迭代地选择电容性元件集合的步骤包括顺序选择数模转换器的单个电容性元件并重复下述步骤将所选的电容性元件上存储的电荷与參考信号进行比较并响应于所产生的比较结果信号来更新逐次逼近码，直到数模转换模式中的数模转换器的所有电容性元件已经与參考值比较，其中产生数字化信号的步骤包括随后输出逐次逼近码。


通过非限制性示例并參照附图更详细地描述本发明的实施例，其中图I示意性描述了根据本发明实施例的传感器；图2示意性描述了根据本发明实施例的传感器的ー个方面；图3示意性描述了根据本发明另ー实施例的传感器的ー个方面；图4示意性描述了根据本发明又一实施例的传感器的ー个方面；图5描述了感测阵列中的电容器数目作为相对湿度函数的仿真结果；图6示意性描述了根据本发明备选实施例的传感器；、
图7描述了图6的传感器的输出信号作为最高有效位(MSB)电容器的电容的函数的仿真；和图8示意性描述了本发明IC的示例性实施例。
具体实施例方式应该理解，所述附图仅仅是示意性的并且不按比例绘制。还应该理解，在所有附图中使用的相同的附图标记用于表示相同或类似的部件。图I不意性描述了本发明的电容性传感器100的第一实施例。传感器100包括感测阵列110，感测阵列110包括可以以适当布局布置的多个电容性元件120。图2示出了这种布局的非限制性示例，其中，多个电容性元件120共用公共电极126，公共电极126通过电介质124与独立电极122i_n隔开，该电介质124具有对电介质所吸收的湿气等级敏感的介电常数。尽管技术人员明了其它合适的材料，电介质合适实施例的非限制性示例是聚酰亚胺。如图3所示,公共电极126可以是弯曲电极(meandering electrode),分立的电容性元 件120的独立电极122η与该弯曲电极相互交叉(interdigitate)并通过电介质124与公共电极126隔开。当然，分立的电容器126不必须共用公共电极。至少ー些电容性元件120不共用电极也同样是可行的。在本发明上下文中，应该理解术语“电极”在与电容器一起使用时旨在包括电容器极板。现在返回到图1，传感器100还包括比较电路130，用于将设置在RC信号线112上的感测阵列Iio的RC时间与參考频率信号线142上的參考频率源140产生的參考频率进行比较。为此目的，比较电路130例如可以包括频率匹配电路。传感器100还包括控制器150，用于选择要包含在感测阵列110中的电容性元件120的数目。为此目的，控制器150例如可以被配置为向各个开关114提供使能信号，这些开关可以用任何适当的方式实现，例如M0SFET。控制器150以下述方式对比较电路130产生的比较结果信号作出响应。感测阵列110的总电容C是控制器150所选择的要包含在感测阵列110中的各个电容元件电容性元件120电容的和。电容C还取决于电介质124向关注分析物的暴露，更具体地，取决于电介质124中现存在关注分析物的等级，在本说明书的下文中，可以非限制性示例的方式假定该等级为相対湿度；应该理解，也可以等效地采用除了湿气之外的其它分析物。感测阵列110的RC时间τ可以表示为τ = RC = 1/2 f。，其中R是RC信号线112的电阻，f。是电容性感测阵列110的截止频率。由于C取决于相対湿度，并且R是常数(至少在第一近似(first approximation)),因此可以看出RC时间和截止频率f。也取决于实际的相対湿度。通过以下方式来利用该原理选择要包含在感测阵列110中的电容性元件120的数目，使得截止频率f。与參考频率发生电路140提供的參考频率匹配，从而下述关系式成立
权利要求
1.一种用于感测关注分析物的传感器(100，200)，所述传感器包括多个电容性元件(120),姆个电容性兀件包括被电介质(124)隔开的一对电极(122,126),其中至少ー个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感，所述传感器还包括 比较器(130，230)，适于将选定的电容性元件集合与參考信号比较并产生比较结果信号，以及 控制器(150，250)，用于选择所述电容性元件集合，并响应于所述比较结果信号来迭代地更新对感测的关注分析物的等级加以指示的数字化值，其中所述传感器被布置为在完成迭代时输出所述数字化值。
2.根据权利要求I所述的传感器(100)，其中每个电容性元件的电介质(124)的介电常数取决于电介质中关注分析物的浓度，控制器(150)被配置为选择子集以使得子集的总容量保持恒定。
3.根据权利要求I或2所述的传感器(100)，其中所述多个电容性元件(120)包括 第一组电容性元件，第一组电容性元件中的每个电容性元件具有第一最大容量；以及第二组电容性元件，第二组电容性元件中的每个电容性元件具有是第一最大容量倍数的最大容量。
4.根据权利要求I所述的传感器(200)，其中， 所述多个电容性元件(120,220^)定义了电荷定标数模转换器(210)， 所述多个电容性元件包括电介质(124)的介电常数对关注分析物的等级敏感的单个电容性元件(120)，所述单个电容性元件在传感器的模数转换模式中定义了数模转换器的最闻有效位， 所述多个电容性元件还包括电介质的介电常数对关注分析物不敏感的另一电容性元件(220^，所述另ー电容性元件在传感器的编程模式中定义了数模转换器的最高有效位；和 控制器(250)包括用于提供数字码的逐次逼近寄存器。
5.根据权利要求4所述的传感器(200)，其中电荷定标数模转换器(210)的最高N位是温度计编码的。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器(200，210)，其中參考信号是參考频率信号。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的传感器(100，200)，其中所述电容性元件具有公共电极(126)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的传感器(100，200)，其中关注分析物是湿气。
9.ー种集成电路，包括根据权利要求1-8中任一项所述的传感器(100，200)，其中所述电容性元件(120，220)形成在集成电路的金属化叠层中或所述金属化叠层上。
10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述电容性元件(120，220)的至少ー个电极(122，126)形成在所述金属化叠层的金属层中。
11.根据权利要求9所述的集成电路，其中电容性元件(120)形成在所述金属化叠层上，所述集成电路还包括在电容性元件与金属化叠层之间的防湿层。
12.ー种电子设备，包括根据权利要求8或9所述的集成电路。
13.ー种确定关注分析物的等级的方法，包括提供多个电容性元件(120)，每个电容性元件包括被电介质(124)隔开的一对电极(122，126)，其中至少ー个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感； 将选定的电容性元件集合与參考信号进行比较并产生比较结果信号； 响应于所述比较结果信号来迭代地选择电容性元件集合；以及 在完成迭代之后产生对所确定的分析物的等级加以指示的数字化信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中 每个电容性元件(120)的电介质(124)的介电常数对 关注分析物敏感； 迭代地选择电容性元件集合的步骤包括调整所述电容性元件集合中的电容性元件的数目，直到比较结果信号指示电容性元件集合中的电容性元件的总电容与參考信号匹配；并且 产生数字化信号的步骤包括在完成迭代之后产生对所选的电容性感测元件的数目加以指示的信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述电容性元件(120)中的单个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感；所述多个电容性元件定义了电荷定标数模转换器(210)，所述电荷定标数模转换器(210)包括所述单个电容性元件作为在数模转换模式中的最高有效位，以及包括电介质的介电常数对关注分析物不敏感的另一电容性元件(220J作为在编程模式中的最高有效位； 该方法还包括 在所述编程模式中用參考电压对包括所述另ー电容性元件的数模转换器进行编程； 通过用所述单个电容性元件替换所述另ー电容性元件对数模转换器进行重新配置； 迭代地选择电容性元件集合的步骤包括顺序选择数模转换器的单个电容性元件并重复下述步骤将所选的电容性元件上存储的电荷与參考信号进行比较，并响应于所产生的比较结果信号来更新逐次逼近码，直到数模转换模式中数模转换器的所有电容性元件已经与參考值比较； 其中产生数字化信号的步骤包括随后输出逐次逼近码。
全文摘要
本发明公开了一种用于感测关注分析物的传感器(100，200)，该传感器包括多个电容性元件(120)，每个电容性元件包括被电介质(124)隔开的一对电极(122，126)，其中至少一个电容性元件的电介质的介电常数对关注分析物敏感，该传感器还包括比较器(130，230)，适于将选定的电容性元件集合与参考信号比较以产生比较结果信号；以及控制器(150，250)，用于响应于所述比较结果信号来迭代地选择电容性元件集合，其中传感器被布置为产生对感测到的关注分析物的等级加以指示的数字化输出信号。本发明还公开了一种包括这种传感器的IC，一种包括这种IC的电子设备，以及一种利用这种传感器来确定关注分析物的等级的方法。
文档编号G01N27/22GK102735716SQ20121009325
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月31日 优先权日2011年4月8日
发明者帕斯卡尔·贝思肯, 罗埃尔·达门, 菲特·恩古耶恩, 阿克塞尔·纳克尔特斯 申请人:Nxp股份有限公司