化學(xué)傳感器及用于制造該化學(xué)傳感器的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及化學(xué)傳感器及用于制造該化學(xué)傳感器的方法?；瘜W(xué)傳感器(1)包括具有前表面(2.1)和后表面(2.2)的基板層(2)和布置在所述基板層(2)的前表面(2.1)上的傳感層(3)，所述傳感層(3)包括傳感元件(4)，所述基板層(2)在后表面(2.2)上具有孔(5)從而形成包含所述傳感元件(4)的膜(6)，其中所述基板層(2)在后表面(2.2)具有接觸片(10)和從前表面(2.1)延伸到后表面(2.2)、用于將所述傳感元件(4)與所述接觸片(10)電連接的通孔(11)，處理層(17)設(shè)置在所述傳感層(3)的頂部上，所述處理層(17)包圍所述傳感元件(4)，并且所述處理層(17)的厚度(d1)大于所述基板層(2)的厚度(d2)。
【專利說明】化學(xué)傳感器及用于制造該化學(xué)傳感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)傳感器及制造該化學(xué)傳感器的方法。所述化學(xué)傳感器尤其可以是一種氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在例如GB2464016B中公開的化學(xué)傳感器包括具有前表面和后表面的半導(dǎo)體基板。傳感元件形成在所述前表面上，其具有氣體敏感層和用于加熱所述氣體敏感層從而促進與所述氣體敏感層的氣體反應(yīng)的加熱器。所述氣體敏感層位于用來提供電輸出的電極之間，所述電輸出指示與所述氣體敏感層的所述氣體反應(yīng)?？仔纬稍诨鍖拥乃龊蟊砻嬷袕亩纬砂鰝鞲性哪?。這種化學(xué)傳感器可以用于測量流體的性質(zhì)并因而測量組成所述流體的分析物的性質(zhì)，其中所述化學(xué)傳感器通過移動電子設(shè)備(例如智能電話)的外殼中的開口 /端口暴露于所述流體。所述性質(zhì)可以是例如周圍空氣中二氧化碳或臭氧的量。流體可以是氣體或液體。
[0003]為了將所述化學(xué)傳感器連接到用于進一步處理所述傳感元件的電輸出的電路板，其中所述傳感元件可暴露于待測流體，典型地，采用結(jié)合線來將所述傳感元件的電極電連接到所述電路板的接觸片上。所述結(jié)合線通常被可澆注化合物以頂部包封的形式密封以進行保護。然而，頂部包封需要空間，而空間尤其在移動電子設(shè)備(例如智能電話)中是有限的。此外，提供所述頂部包封可能會損害所述氣體敏感層的功能，因為所述頂部包封典型地分別接近于所述傳感元件和所述膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個目的是提供一種可以避免上述缺點的化學(xué)傳感器。本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造所述化學(xué)傳感器的方法。
[0005]為了實現(xiàn)這些以及隨著描述繼續(xù)會變得更加明顯的進一步的目的，提供了一種化學(xué)傳感器，其包括基板層，傳感層和處理層。所述基板層具有前表面和后表面，所述傳感層布置在所述基板層的所述前表面上。所述基板層在所述后表面上具有孔從而形成包含所述傳感層的傳感元件的膜。
[0006]所述基板層在所述后表面進一步包含接觸片和從所述前表面延伸到所述后表面、用于將所述傳感元件與所述接觸片進行電連接的通孔。所述接觸片可以電連接到電路板。所述通孔尤其是所謂的娃通孔(through-silicon via)(參見http:// en.wikipedia.0rg/wiki/Through-siIicon_via),所述基板層的材料是娃。
[0007]所述處理層設(shè)置在所述傳感層的頂部，所述處理層包圍所述傳感元件從而在所述傳感元件上方提供使流體到達所述傳感元件的腔。所述處理層用于保護所述傳感元件。所述處理層的厚度大于所述基板層的厚度。所述處理層優(yōu)選由晶片材料組成，其相對較硬。優(yōu)選地，所述處理層由硅或玻璃制成。
[0008]例如“頂部上”、“前”、“后”、“底部”、“上方”、“下方”或類似的表達參考如圖1中所描述的本發(fā)明的化學(xué)傳感器。
[0009]通過使用通孔來代替用于將所述傳感元件與所述電路板通過所述接觸片進行電連接的被頂部包封包圍的結(jié)合線，節(jié)省了寶貴的空間，從而可以使化學(xué)傳感器更小，尤其是在水平方向上?？梢杂欣乇苊夥謩e由于在所述傳感層的頂部提供結(jié)合線(例如通過澆注化合物)所引起的所述傳感元件和所述膜的可能損害。此外，由于沒有頂部包封，可以減少在所述傳感元件上方的死空間從而縮短所述化學(xué)傳感器的響應(yīng)時間。通過所述通孔所提供的電連接也不暴露于腐蝕，因為它們并不暴露于應(yīng)通過所述化學(xué)傳感器分析的所述流體。
[0010]所述處理層允許所述化學(xué)傳感器的安全機械處理，例如當(dāng)抓住所述化學(xué)傳感器或通過抽吸來保持/移動所述化學(xué)傳感器時，而保護所述傳感元件不受外界影響。因此，所述處理層用作保護罩以及過濾層，從所述傳感元件過濾可能的外部干擾影響。為了這個目的，所述處理層的厚度優(yōu)選為至少為整個化學(xué)傳感器的厚度的50%。通過所述通孔，可以實現(xiàn)比使用結(jié)合線更短的電連接。因此，可以減小所述基板層的厚度從而使其比所述處理層的厚度小。為了處理(例如為了在電路板上安裝)，可以使用較厚的處理層而不是基板層。
[0011]需要強調(diào)的是，根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)傳感器，即以TsV-封裝(也稱為芯片尺寸封裝)的形式的化學(xué)傳感器并不比傳統(tǒng)的未封裝的傳感器模具/芯片需要更大的空間/體積，尤其是更大的表面面積/占地面積，因此形成了最有空間效率的封裝方式。
[0012]本發(fā)明進一步涉及一種制造所述傳感器的方法。在第一步，包含所述傳感元件的傳感層形成在大塊基板上，例如第一晶片，尤其是硅晶片。然后，處理層形成在所述傳感層的頂部從而包圍所述傳感元件。所述處理層可以采用第二晶片形成，同樣優(yōu)選為硅晶片。
[0013]形成所述處理層后，可以減小頂部設(shè)置有所述傳感層的所述大塊基板的厚度從而形成厚度小于所述處理層的基板層。減小厚度例如可以通過研磨、蝕刻或銑削來實現(xiàn)。所述大塊基板的厚度優(yōu)選減小到使所述處理層的厚度不小于整個化學(xué)傳感器的厚度的50%。為了進一步處理所述化學(xué)傳感器，優(yōu)選使用所述處理層來代替所述基板層。
[0014]然后，在所述基板層中形成通孔，所述通孔從所述基板層的前表面延伸到所述后表面。然后在所述基板層的后表面中形成孔從而形成包含所述傳感元件的膜。所述孔可以例如通過背面蝕刻來形成。
[0015]為了將所述處理層設(shè)置在所述傳感層的頂部，優(yōu)選在所述傳感層和所述處理層之間提供粘合層，所述粘合層包圍所述傳感元件并將所述處理層與所述傳感層的頂部連接。
[0016]有利地，本發(fā)明的方法可以用來同時制造大量化學(xué)傳感器(就像制造CMOS電路的工藝)，其中第一晶片用于形成各自的基板層而第二晶片用于形成各自的處理層。根據(jù)本發(fā)明，這樣同時生產(chǎn)幾個化學(xué)傳感器可以減少制造公差，至于所述通孔也是如此。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]本發(fā)明的進一步有利的特征和應(yīng)用可以在從屬權(quán)利更求和對說明本發(fā)明的附圖的隨后描述中找到。單獨的圖1示出根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)傳感器的示意剖面圖。需要注意的是，所述單獨附圖中的繪圖完全是示意性的并且不成比例。
【具體實施方式】
[0018]單獨的圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)傳感器I。所述化學(xué)傳感器I包括具有前表面2.1和后表面2.2的基板層2。所述基板層2優(yōu)選由硅組成。在所述基板層2的頂部布置有傳感層3，所述傳感層3由介電材料制成，例如氧化硅或氮化硅。所述傳感層3包括傳感元件4。所述基板層2在所述后表面2.2具有孔5以形成包含所述傳感元件4的膜6。
[0019]所述傳感元件4優(yōu)選包含流體敏感、尤其是氣體敏感的薄膜7和金屬制成的加熱器8，其用于加熱所述流體敏感薄膜7來促進待測流體與所述流體敏感薄膜7的化學(xué)反應(yīng)。為了這個目的，所述流體敏感薄膜7形成在所述傳感層3的前表面3.1上，而所述加熱器8位于所述傳感層3中的所述流體敏感薄膜7的下方。所述傳感元件4進一步包含與所述流體敏感薄膜7相連接的電極9，所述電極9的電輸出可以指示所述待測流體的一個或多個性質(zhì)。當(dāng)然，還可以使用具有不同架構(gòu)和組成的其他類型的傳感元件4。
[0020]包含加熱器8的膜6也叫做加熱板，對應(yīng)的化學(xué)傳感器I也叫做加熱板化學(xué)傳感器。CMOS電路，例如基于CMOS的晶體管，通常沒置在所述加熱板旁邊的所述基板層2的前表面2.1上。然而，為了合適的工作，所述CMOS電路必須被保持為比所述加熱板涼。為了達到這個目的，所述基板層2的厚度優(yōu)選比所述膜6的橫向尺寸/延伸薄(得多)從而將所述加熱板提供的熱從所述基板層2的前表面2.1排放到設(shè)置在所述基板層2的后表面2.2上的接觸片10，所述接觸片10將在下面詳細描述。
[0021]所述基板層2在后表面2.2上設(shè)置有可以與電路板(末示出)電連接的接觸片
10。為了所述傳感元件4的所述電極9與所述接觸片10的電連接，提供通孔11，尤其是硅通孔，每個通孔11包括與所述傳感元件4的所述電極9—優(yōu)選通過所述傳感層3中的附加接點引線15——連接的接點引線14。通孔11的接點引線14優(yōu)選由相應(yīng)通孔11的內(nèi)壁上的接觸層形成。優(yōu)選地，所述接點引線或接觸層14分別通過二氧化硅制成的絕緣層16與所述基板層2絕緣，所述絕緣層16還覆蓋所述基板層2的后表面2.2。
[0022]在所述傳感層3的前表面3.1上提供有可以通過粘合層18與所述前表面3.1連接的處理層17。所述處理層17優(yōu)選由例如所述基板層2的晶片材料(尤其是硅)制成。所述處理層17—并因此還有所述粘合層18—包圍所述傳感元件4，從而在所述傳感元件4上方形成腔19。所述腔19作為用于待測流體與所述流體敏感薄膜7之間發(fā)生的反應(yīng)的反應(yīng)室。由于所述化學(xué)傳感器I被設(shè)置在例如移動電子設(shè)備中，例如智能電話中，所述腔19與所述移動電子設(shè)備的外殼中的開口 /端口流動連接，從而通過所述外殼中的開口 /端口的流體到達腔19，并因此到達所述傳感元件4。優(yōu)選地，所述腔19位于所述移動電子設(shè)備的開口 /端口的后面。
[0023]可以使所述處理層17變薄/減小厚度，從而整個化學(xué)傳感器I的厚度d3對應(yīng)于預(yù)定厚度。所述處理層17的厚度dl可以分別通過研磨和拋光來調(diào)整，從而所述處理層17的前表面17.1是平滑的/平坦的，至少對于整個化學(xué)傳感器I的30%、優(yōu)選50%的橫表面面積。所述“平滑的”和“平坦的”意味著在所述處理層17的前表面17.1上基本沒有垂直的結(jié)構(gòu)。如上所述，所述處理層17優(yōu)選由硅或玻璃組成，即它是氣密的。
[0024]尤其是由于其光滑的前表面17.1，所述處理層17可以用于密封，因為所述處理層17的前表面17.1密封連接到移動電子設(shè)備的外殼的內(nèi)壁上，所述處理層17包圍所述外殼中的待測流體可以通過的開口/端口。對所述移動電子設(shè)備中的所述開口/端口的密封導(dǎo)致通過所述開口 /端口的流體能到達所述腔19和所述傳感元件4，而有利地不會達到所述移動電子設(shè)備的其他內(nèi)部區(qū)域。[0025]額外地，可以在所述處理層17的前表面17.1上提供例如隔離片(未示出)的形式的密封元件，所述隔離片密封地包圍所述開口 /端口。即所述隔離片可以具有O型環(huán)的形狀。所述隔離片優(yōu)選由不如所述處理層17硬的材料組成。優(yōu)選地，所述密封元件的材料有些彈性。
[0026]所述處理層17用于保護所述傳感元件4，尤其是所述流體敏感薄膜7，并且用于所述化學(xué)傳感器I的機械處理。可以減輕所述基板層2的處理功能，并且通孔11提供的電連接可以縮短。因此，所述處理層17的厚度dl比所述基板層2的厚度大。優(yōu)選地，所述處理層17的厚度是整個化學(xué)傳感器I的厚度d3的至少50%。所述化學(xué)傳感器I的厚度d3可以在例如從300到600微米的范圍內(nèi)，所述處理層17的厚度dl在從200到500微米的范圍內(nèi)，而所述基板層2的厚度d2在從50到200微米的范圍內(nèi)(取決于所述處理層17的厚度 dl)。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解，盡管這里舉例說明和描述了本發(fā)明的某些實施例，本發(fā)明并不限制到所描述和示出的特定實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種化學(xué)傳感器，包括具有前表面(2.1)和后表面(2.2)的基板層(2)，和布置在所述基板層(2)的所述前表面(2.1)上的傳感層(3)，所述傳感層(3)包括傳感元件(4)，并且所述基板層(2)在所述后表面(2.2)上設(shè)置有孔(5)從而形成包含所述傳感元件(4)的膜(6)，其特征在于: -所述基板層(2)在所述后表面(2.2)上設(shè)置有接觸片(10)并且設(shè)置有從所述前表面(2.1)延伸到所述后表面(2.2)、用于將所述傳感元件(4)與所述接觸片(10)進行電連接的通孔(11)； -其中處理層(17)設(shè)置在所述傳感層(3)的頂部，所述處理層(17)包圍所述傳感元件(4);以及 -其中所述處理層(17)的厚度(dl)大于所述基板層(2)的厚度(d2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器，其中所述處理層(17)的厚度(dl)為整個化學(xué)傳感器(I)的厚度(d3)的至少50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)傳感器，其中所述處理層(17)的厚度(dl)在200到500微米的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的化學(xué)傳感器，其中所述基板層(2)的厚度(d2)比所述膜(6)的橫向延伸小。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的化學(xué)傳感器，其中所述基板層(2)的厚度(d2)在50到200微米的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的化學(xué)傳感器，其中所述處理層(17)由硅或玻璃制成。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的化學(xué)傳感器，其中所述處理層(17)的前表面(17.1)是光滑的。
8.一種用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的化學(xué)傳感器的方法，所述方法包括以下步驟: -在大炔基板上形成包含所述傳感元件(4)的傳感層(3)； -在所述傳感層(3)的頂部形成包圍所述傳感元件(4)的處理層(17)； -將所述大炔基板的厚度減小到比所述處理層(17)的厚度(dl)小的厚度(d2)，從而從所述大炔基板形成所述基板層(2); -在所述基板層(2)中形成通孔(11)，所述通孔(11)從所述基板層(2)的前表面(2.1)延伸到后表面(2.2);以及 -在所述基板層(2)的后表面(2.2)中形成孔(5)，從而形成包含所述傳感元件(4)的膜(6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中將所述大炔基板的厚度減小到厚度(d2)以形成所述基板層(2)，從而使得所述處理層(17)的厚度(dl)為整個化學(xué)傳感器(I)的厚度(d3)的至少50%。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中所述處理層(17)的厚度(dl)在200到500微米的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10之一所述的方法，其中將所述大炔基板的厚度減小到50-200微米范圍內(nèi)的厚度(d2)以形成所述基板層(2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11之一所述的方法，其中所述孔(5)形成在所述基板層(2)的所述后表面 (2.2)中，使得所述膜(6)的橫向延伸比所述基板層(2)的厚度(d2)大。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12之一所述的方法，其中為了在所述傳感層(3)的頂部形成所述處理層(17)，在所述傳感層(3)的頂部提供粘合層(18)，所述粘合層(18)包圍所述傳感元件(4)并將所述處理層(17)與所述傳感層(3)的頂部連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-13之一所述的方法，其中所述處理層(17)由硅或玻璃制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求8-14之一所述的方法，其中所述處理層(17)的頂部被研磨以形成所述處理層的光滑前表面(17.1)。
【文檔編號】G01N27/333GK103969311SQ201410079450
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】F·邁爾, M·萊希納, C·庫爾敏, R·胡梅爾, 羅伯特·蘇尼爾 申請人:盛思銳股份公司