[发明专利]电容性传感器、集成电路、电子设备和方法

说明书

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传感器以及乙烯传感器，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，由于可以在对工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，所产生的测量信号是模拟信号，将该模拟信号转换成数字域中增加了另外的处理步骤和相关延迟。

发明内容

本发明试图提供一种具有更高响应速度的传感器。

本发明还试图提供一种包括这种传感器的IC。

本发明还试图提供一种包括这种IC的电子设备。

本发明还试图提供一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，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，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：与使用单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)引入至少一个感测电容器，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一个感测电容器，有利于减少传感器的总尺寸，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增大，从而根据关系式C＝εA/d使每个电容性元件的电容C增大，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，而不需要单独的模数转换级。