電化學(xué)傳感器裝置制造方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種電化學(xué)傳感器裝置，包括：集成電化學(xué)傳感器元件，具有襯底、在襯底的上表面上形成的第一電極和第二電極以及在第一電極和第二電極上形成以與第一電極和第二電極兩者電接觸的電解質(zhì)層；以及傳感器集成電路，與集成電化學(xué)傳感器元件的第一電極和第二電極電連接。將集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路設(shè)置在單一封裝中。
【專利說(shuō)明】電化學(xué)傳感器裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在檢測(cè)氣體介質(zhì)中成分時(shí)使用的電化學(xué)傳感器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)傳感器是現(xiàn)有技術(shù)中公知的用于供檢測(cè)氣體介質(zhì)中成分使用。傳感器通常包括兩個(gè)電極，工作電極和對(duì)電極。作為傳感器與氣體介質(zhì)接觸的結(jié)果，例如通過(guò)在電極兩端施加已知值和形式的電壓來(lái)確定電極之間的電學(xué)阻抗變化。在許多情況下，電極涂覆有將電極橋接的電解質(zhì)或半導(dǎo)體材料，所述電解質(zhì)或半導(dǎo)體材料的視在電導(dǎo)率作為與氣體介質(zhì)接觸的結(jié)果而變化。
[0003]電化學(xué)氣體傳感器用在多種應(yīng)用中，例如安全(有毒氣體濃度的檢測(cè))或環(huán)境監(jiān)測(cè)。
[0004]然而，傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器典型地尺寸較大并且昂貴。這主要是由于需要通過(guò)印刷電路板(PCB)相連的分離的電化學(xué)電池和讀出電子裝置。另外，為了實(shí)現(xiàn)足夠的傳感器精度，電化學(xué)傳感器元件應(yīng)該足夠大，以產(chǎn)生足夠的電流以供(典型地，遠(yuǎn)距離的)讀出電子裝置測(cè)量。這也對(duì)于傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器的尺寸做出了貢獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)傳感器裝置。
[0006]實(shí)施例還可以包括濾波器以增加電化學(xué)傳感器元件的選擇性。
[0007]可以在電解質(zhì)層下方襯底的上表面上形成參考電極。
[0008]電解質(zhì)層的厚度可以是10 μ m或以下，第一和第二電極與電解質(zhì)層電接觸的面積可以在0.0lmm2至Ilmm2的范圍內(nèi)。
[0009]實(shí)施例可以提供一種封裝的電化學(xué)傳感器裝置，所述封裝的電化學(xué)傳感器裝置包括在單一管芯上形成的集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路。在其他實(shí)施例中，集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路可以形成于分離的管芯上，但是設(shè)置在單一封裝中(例如，封裝在相同的分立部件中)。
[0010]因此，實(shí)施例可以提供一種封裝的氣體傳感器裝置，所述封裝的氣體傳感器裝置包括集成在單一封裝中的電化學(xué)傳感器元件和電學(xué)讀出電路。將傳感器元件和讀出電子裝置共同集成在相同的分立封裝中可以使能顯著地減小總體系統(tǒng)尺寸和降低成本。
[0011]電化學(xué)傳感器和電學(xué)讀出電路還可以集成在傳統(tǒng)CMOS芯片或管芯的頂部上。
[0012]換句話說(shuō)，實(shí)施例可以提供單一分離封裝中電化學(xué)傳感器元件與讀出電子裝置的集成。可以使用兩個(gè)分離的管芯(一個(gè)用于電化學(xué)傳感器元件，另一個(gè)用于讀出集成電路(IC))并且通過(guò)接合線電連接分離的管芯來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。備選地，可以將電化學(xué)傳感器元件與讀出IC制造在相同的管芯上，以在使用CMOS工藝的同時(shí)提供甚至更小的外形因子。這里，在進(jìn)行傳統(tǒng)處理之后所需的僅僅是附加的處理步驟，從而避免了對(duì)于現(xiàn)有工藝的改變。
[0013]適用于感測(cè)諸如溫度、相對(duì)濕度、環(huán)境光等參數(shù)的附加傳感器元件也可以包括在相同的封裝中。這種另外的傳感器可以用于提供附加的環(huán)境信息，并且也可以用于對(duì)電化學(xué)傳感器元件的改變的靈敏度(例如，由于溫度或相對(duì)濕度)進(jìn)行校正，從而改進(jìn)了根據(jù)實(shí)施例的電化學(xué)傳感器的精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，其中:
[0015]圖1說(shuō)明了針對(duì)一氧化碳感測(cè)中包含的電化學(xué)活性氣體在電化學(xué)傳感器元件內(nèi)的初始平衡(initial equilibrium)情況；
[0016]圖2A-2C說(shuō)明了針對(duì)外部施加電勢(shì)差的各種值的各種濃度分布；
[0017]圖3說(shuō)明了針對(duì)在一氧化碳感測(cè)中包含的電化學(xué)活性氣體在電化學(xué)傳感器內(nèi)的全電流情況；
[0018]圖4說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電化學(xué)傳感器裝置；
[0019]圖5A-5C示出了制造圖4的裝置的步驟；
[0020]圖6A-6B示出了圖4的實(shí)施例的修改；
[0021]圖7A-7E說(shuō)明了根據(jù)備選實(shí)施例的制造裝置的步驟；
[0022]圖8A-8D說(shuō)明了根據(jù)實(shí)施例的制造用于裝置的集成電化學(xué)傳感器元件的方法；以及
[0023]圖9A-9D說(shuō)明了根據(jù)備選實(shí)施例的制造用于裝置的集成電化學(xué)傳感器元件的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在本領(lǐng)域，術(shù)語(yǔ)芯片、集成電路、單片器件、半導(dǎo)體器件和微電子器件通常可互換的使用。如在本領(lǐng)域通常理解的，本方面可應(yīng)用于所有上述情況。
[0025]術(shù)語(yǔ)金屬線、互連線、跡線、導(dǎo)線、導(dǎo)體、信號(hào)路徑和信令介質(zhì)都是相關(guān)的。以上列舉的相關(guān)術(shù)語(yǔ)通常是可互換的，并且按照從具體到概括的順序出現(xiàn)。在本領(lǐng)域，金屬線有時(shí)稱作跡線、導(dǎo)線、線路、互連或簡(jiǎn)單地金屬。通常為鋁(Al)、銅(Cu)或Al和Cu合金的金屬線是導(dǎo)體，所述導(dǎo)體提供信號(hào)路徑以耦合或互連電路。除了金屬之外的導(dǎo)體在微電子器件中是可用的。諸如摻雜多晶硅、摻雜單晶硅(通常簡(jiǎn)單地稱作擴(kuò)散，而與這種摻雜是通過(guò)熱擴(kuò)散還是離子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)關(guān))、鈦(TI)、鑰(MO)和難熔金屬之類的材料是其他導(dǎo)體的示例。
[0026]術(shù)語(yǔ)接觸或通孔都指的是用于以不同互連等級(jí)將導(dǎo)體電連接的結(jié)構(gòu)。這些術(shù)語(yǔ)有時(shí)在現(xiàn)有技術(shù)中用于描述絕緣體中的開(kāi)口和完成的結(jié)構(gòu)本身，其中在所述絕緣體中完成所述結(jié)構(gòu)。為了本公開(kāi)的目的，接觸和通孔指的是完成的結(jié)構(gòu)。
[0027]如這里使用的術(shù)語(yǔ)垂直意味著與襯底表面實(shí)質(zhì)上正交。同樣，將結(jié)合附圖中說(shuō)明的結(jié)構(gòu)的朝向來(lái)理解描述定位或位置的術(shù)語(yǔ)(例如上方，下方，頂部，底部等等)。
[0028]提出了一種集成電化學(xué)傳感器元件，所述集成電化學(xué)傳感器元件可以使用IC處理技術(shù)來(lái)制造，從而與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器相比使能顯著減小尺寸。
[0029]為了評(píng)估電化學(xué)元件(或電池)的可能縮放，現(xiàn)在將分析電流和空氣中氣體濃度之間的關(guān)系。實(shí)質(zhì)上，測(cè)量的電流是三種過(guò)程的組合。在以下部分中包括簡(jiǎn)短的分析，得到了針對(duì)給定的電極表面積、氣體濃度和電解質(zhì)厚度來(lái)估計(jì)最大可獲得電流的公式。
[0030]針對(duì)在一氧化碳(CO)感測(cè)中包含的電化學(xué)活性氣體，在圖1中說(shuō)明了電化學(xué)傳感器元件內(nèi)的初始平衡情況。更具體地，電解質(zhì)中CO和O2氣體分子的濃度與氣體分壓(partial pressure)平衡。在感興趣的壓力范圍內(nèi)，這種平衡濃度與氣體濃度直接成正比。在以下等式(等式I)中通過(guò)亨利定律(Henry’ s law)(這里,針對(duì)CO示出)來(lái)描述這種情況:
[0031]pCO = kHxC0 (I),
[0032]其中，pco是CO分壓，kH是亨利常數(shù)，并且Χα)是溶液中CO的摩爾分?jǐn)?shù)。可以使用以下等式(等式2)將摩爾分?jǐn)?shù)容易地重新計(jì)算為CO的濃度:
【權(quán)利要求】
1.一種電化學(xué)傳感器裝置，包括: 集成電化學(xué)傳感器兀件，具有襯底、在襯底的上表面上形成的第一電極和第二電極以及在第一電極和第二電極上形成以與第一電極和第二電極兩者電接觸的電解質(zhì)層；以及傳感器集成電路，與集成電化學(xué)傳感器元件的第一電極和第二電極電連接， 其中將集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路設(shè)置在單一封裝中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中，所述集成電化學(xué)傳感器元件還包括:在電解質(zhì)層上形成的過(guò)濾器層，所述過(guò)濾器層適用于阻擋氣體介質(zhì)的一種或多種成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中，所述集成電化學(xué)傳感器元件還包括:在電解質(zhì)層下方襯底的上表面上形成的參考電極，電解質(zhì)層與參考電極電接觸， 其中參考電極與集成電路電連接。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中， 電解質(zhì)層的厚度是10 μ m或以下；并且 第一電極和第二電極與電解質(zhì)層電接觸的面積是Ilmm2或以下。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電化學(xué)傳感器裝置，還包括:二次成型模，所述二次成型模具有定位于集成電化學(xué)傳感器元件上方的腔體， 其中電解質(zhì)層形成于所述腔體中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中， 襯底的上表面包括腔體，在所述腔體內(nèi)形成第一電極和第二電極；并且 在所述腔體中形成電解質(zhì)層以填充所述腔體并且覆蓋第一電極和第二電極。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中，集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路形成于單一管芯上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中，傳感器集成電路經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)通孔與集成電化學(xué)傳感器元件的第一電極和第二電極電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)傳感器裝置，其中， 集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路形成于分離的管芯上；并且 傳感器集成電路經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)接合線與集成電化學(xué)傳感器元件的第一電極和第二電極電連接。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電化學(xué)傳感器裝置，還包括:適用于確定溫度的附加感測(cè)元件。
11.一種制造封裝的電化學(xué)傳感器裝置的方法，包括步驟: 形成集成電化學(xué)傳感器元件，所述集成電化學(xué)傳感器元件具有在襯底的上表面上的第一電極和第二電極以及與所述第一電極和第二電極兩者電接觸的電解質(zhì)層； 將所述第一電極和第二電極與傳感器集成電路電連接；以及 將傳感器集成電路和集成電化學(xué)傳感器元件放置于單一封裝中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括步驟:在電解質(zhì)層上方形成過(guò)濾器層，所述過(guò)濾器層適用于阻擋氣體介質(zhì)的一種或多種分量。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，還包括: 在電解質(zhì)層下方襯底的上表面上形成參考電極，電解質(zhì)層與參考電極電接觸；以及 將參考電極與傳感器集成電路電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，包括:將集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路形成于單一管芯上。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，包括將集成電化學(xué)傳感器元件和傳感器集成電路形成于分離的管芯上；并且 其中將傳感器集成電路與 集成電化學(xué)傳感器元件的第一電極和第二電極電連接包括:經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)接合線將傳感器集成電路與集成電化學(xué)傳感器元件的第一電極和第二電極電連接。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK103940862SQ201410027770
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月23日
【發(fā)明者】馬蒂亞斯·梅茲, 迪米特里·索科爾 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司