有配置為維持ISFET管芯壓電電阻的基底或結(jié)合層的pH傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了有配置為維持ISFET管芯壓電電阻的基底或結(jié)合層的pH傳感器。這里描述的實(shí)施例提供了配置用于在壓力和溫度范圍上使用的pH傳感器。pH傳感器的ISFET管芯用結(jié)合層結(jié)合到pH傳感器的基底，結(jié)合層設(shè)置在基底和ISFET管芯之間?？鐗毫蜏囟确秶膲毫蜏囟雀淖冊趐H傳感器內(nèi)生成環(huán)境力。此外，基底或結(jié)合層或二者在壓力和溫度范圍上改變體積，并且基底或結(jié)合層或二者被配置使得體積改變引起抵消力，所述抵消力與環(huán)境力的至少一部分對立。抵消力被配置為在壓力和溫度范圍上將ISFET管芯從漏極到源極的壓電電阻的改變維持為小于0.5％。
【專利說明】有配置為維持131^ 了管芯壓電電阻的基底或結(jié)合層的叫傳感器
[0001〕 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)聲明
[0002]本發(fā)明在美國海軍研究局授予的合同號為勵0014-10-1-0206的政府支持下做出。政府對在發(fā)明中具有一定的權(quán)利。

【背景技術(shù)】
[0003]研究者使用傳感器裝置測量海洋中的水平。海洋中的1)?水平與溶解在海洋中的￠:02的量有關(guān)。通過測量不同深度處海洋中的邱水平，研究者能夠監(jiān)視全球變暖風(fēng)險和海洋健康。一些邱傳感器能夠通過將離子敏感場效應(yīng)晶體管浸入海洋中測量這些水平。在海洋中，水溫度和壓力之間存在相反關(guān)系。在接近表面處，溫度高而壓力低。在深海中，溫度比較低但壓力高。這樣寬的壓力變化可能限制傳統(tǒng)的邱傳感器的準(zhǔn)確度，這是由于在深海中相關(guān)聯(lián)的大的機(jī)械應(yīng)力引起的測量誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]這里描述的實(shí)施例提供了配置用于在壓力和溫度范圍上使用的邱傳感器。邱傳感器包括基底和離子敏感場效應(yīng)晶體管管芯。'管芯包括離子感測部分，其被配置為暴露于介質(zhì)，使得其輸出與介質(zhì)的邱水平相關(guān)的信號。'管芯用結(jié)合層結(jié)合到基底，結(jié)合層設(shè)置在基底和管芯之間。結(jié)合層包括設(shè)置于管芯和基底之間的至少一種成分的結(jié)合劑材料?？鐗毫蜏囟确秶膲毫蜏囟雀淖冊谇駛鞲衅鲀?nèi)生成環(huán)境力。此外，基底或結(jié)合層或二者在壓力和溫度范圍上改變體積，并且結(jié)合層或基底或二者被配置使得體積改變引起抵消力，所述抵消力與環(huán)境力的至少一部分對立。抵消力被配置為在壓力和溫度范圍上將管芯從漏極到源極的壓電電阻的改變維持為小于0.5%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是邱傳感器的實(shí)施例的橫截面視圖，包括將管芯附著到基底的結(jié)合層。
[0006]圖2是圖1的結(jié)合層的實(shí)施例的頂視圖。
[0007]圖3八-30是圖1的結(jié)合層的其他實(shí)施例的頂視圖。
[0008]圖4八和48是圖1的結(jié)合層的再其他實(shí)施例的頂視圖，其中結(jié)合層使用單種結(jié)合劑材料將基底附著到管芯。
[0009]圖5八-52是圖1的結(jié)合層的又其他實(shí)施例的頂視圖。
[0010]圖6是圖1的結(jié)合層的另一實(shí)施例的頂視圖，其中結(jié)合層包括彼此不正交的材料條帶。
[0011]圖717？圖示了圖1的結(jié)合層中設(shè)置的結(jié)合劑材料條帶的不同實(shí)施例。
[0012]圖8是形成圖1的邱傳感器的方法的一個實(shí)施例的流程圖。
[0013]圖9八圖示了從各向異性單晶體形式的固體形成基底層的實(shí)施例。
[0014]圖98圖示了使用對齊的纖維合成物形成基底層的實(shí)施例。
[0015]圖10是形成圖1的邱傳感器的方法的另一實(shí)施例的流程圖。
[0016]圖11是由圖1的邱傳感器實(shí)現(xiàn)的效果的數(shù)學(xué)模型的示例。
[0017]根據(jù)通常的實(shí)踐，各描述的特征并未按比例繪制，而是繪制來強(qiáng)調(diào)與本描述相關(guān)的特征。附圖標(biāo)記貫穿圖和文本表示相似元件。

【具體實(shí)施方式】
[0018]圖1是邱傳感器2的示例的橫截面視圖。邱傳感器2包括管芯10，其具有離子感測部分12，離子感測部分12在其中制造來感測與其接觸的介質(zhì)的1)?傳感器2被配置為向介質(zhì)(例如海水或海洋的水)暴露離子感測部分12的至少一部分以測量其
'管芯10具有通常為平面的結(jié)構(gòu)，限定了第一(主)表面，與第一表面相反的第二(主)表面，以及圍繞介于第一表面和第二表面之間的側(cè)的一個或多個邊緣。管芯10的第一表面具有形成在其中制造的離子感測部分12。
[0019]管芯10安裝到基底70，基底70為管芯10提供了機(jī)械支撐。基底70通常為平面結(jié)構(gòu)，具有第三(主)表面，與第三表面相反的第四(主)表面，以及圍繞介于第三表面和第四表面之間的側(cè)一個或多個邊緣。管芯10的第二表面結(jié)合于基底70的第三表面。在一些示例中，基底70具有基本上各向同性的機(jī)械性質(zhì)，其中基底70在平行于平面結(jié)構(gòu)限定的平面的所有方向上的熱膨脹系數(shù)￠12)基本上是相同的。在這樣的示例中，基底70可以為氧化鋁或氮化鋁形成的陶瓷。在其他示例中，基底70在平行于平面結(jié)構(gòu)限定的平面的方向上具有各向異性(例如正交各向異性)的機(jī)械性質(zhì)(見圖9八-98)?；?0可以安裝到頭部40。在一些示例中，基底70安裝到頭部，其中層80設(shè)置于基底70和頭部40之間。在示例中，層80可以是環(huán)氧樹脂形成的。在其他示例中，基底70直接安裝到頭部40，而在基底70和頭部40之間未設(shè)置層80。
[0020]基底70還限定了用于一個或多個電插針42的通孔。一個或多個導(dǎo)線14提供了管芯10和在管芯10外部的電路之間的電連接。導(dǎo)線14還可以結(jié)合到至少一個電插針42。在一個示例中，將導(dǎo)線14嵌入結(jié)合層20(以下討論)的結(jié)合劑材料內(nèi)可以給一個或多個導(dǎo)線14提供對于溫度和壓力改變的增加的保護(hù)。另外，在進(jìn)一步示例中，導(dǎo)線14可以結(jié)合到一個或多個電插針42?？梢試@介于導(dǎo)線14和至少一個電插針42之間的導(dǎo)線結(jié)合形成保護(hù)體43，保護(hù)體43可以包括部分真空。
[0021]在示例中，邱傳感器2還包括放置在管芯10周圍的蓋72。在一個示例中，蓋72包括與基底70同樣的成分。在其他示例中，蓋72可以包括與基底70不同的材料。在一些示例中，基底70和蓋72為管芯10提供了剛性支撐以減少由于壓力和溫度改變引起的可重復(fù)的應(yīng)變。在一些示例中，保護(hù)層44可以形成在蓋72和管芯10的部分上。在一個示例中，通過遮蔽結(jié)合層20的結(jié)合劑材料以防由于暴露于鹽水而造成的長期降級來保護(hù)邱傳感器。在示例中，當(dāng)浸入鹽水內(nèi)時保護(hù)層44可以幾乎是化學(xué)惰性的。
[0022]在圖1所示的示例中，邱傳感器2包括設(shè)置在基底70和蓋72之間的一個或多個區(qū)域內(nèi)的熔塊材料22，將基底70結(jié)合到蓋72。邱傳感器2還包括設(shè)置在管芯10和基底70之間的結(jié)合層20。結(jié)合層20將基底70結(jié)合到管芯10。在一些示例中，結(jié)合層20可以包括一種或多種成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶。在一些示例中，結(jié)合層20可以包括結(jié)合劑材料的同質(zhì)成分以將基底70結(jié)合到管芯。在其他示例中，結(jié)合層20可以包括各向異性材料的單種成分。在示例中，基底70可以使用陽極結(jié)合、共晶結(jié)合或粘合結(jié)合的技術(shù)結(jié)合到13？價管芯10。
[0023]傳統(tǒng)邱傳感器的準(zhǔn)確度可能受到測量誤差的限制，測量誤差由與諸如深海的使用環(huán)境相關(guān)聯(lián)的機(jī)械應(yīng)力和與使得傳感器足夠結(jié)實(shí)以在寬壓力變化上操作相關(guān)聯(lián)的包裝應(yīng)力引起。這些誤差可能由1管芯10的各向異性壓電電阻特性引起。特別地，在1管芯10上的機(jī)械應(yīng)力可能改變傳輸通過管芯10的電載體。
[0024]這里描述的主題提供了邱傳感器2，其通過減少壓力和溫度在13而1管芯10上引起的機(jī)械應(yīng)力減少了壓電電阻邱傳感器的誤差。特別地，這里描述的邱傳感器通過以下方式維持管芯從漏極到源極的壓電電阻:引起在管芯10上的依賴于壓力和溫度的力，并且抵消在管芯10上的其他壓力和溫度引起的機(jī)械力的至少一部分。該抵消依賴壓力和溫度的力由在介于管芯10和結(jié)合層20或基底70的任一或兩者之間的至少一個方向的熱膨脹系數(shù)的差異或彈性模數(shù)的差異或泊松比的差異引起；且在這里也稱為“012失配效應(yīng)”。
[0025]轉(zhuǎn)到圖11，在圖11中示出了在壓力和溫度范圍上的失配效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在如圖11所示的示例中，狀態(tài)1和狀態(tài)2分別表示管芯在溫度和12的壓電電阻。如圖11所示，0X2失配效應(yīng)用于減少在壓力和溫度范圍上從漏極到源極的壓電電阻的改變。理想地，在壓力和溫度范圍內(nèi)的任意兩個壓力和溫度之間的壓電電阻改變?yōu)榱?，如圖11所示(狀態(tài)1?狀態(tài)2)；然而，實(shí)際上將很可能存在壓電電阻的一些改變。在狀態(tài)1，18？21管芯10在初始溫度具有初始壓電電阻系數(shù)矩陣在狀態(tài)1，初始應(yīng)力矢量％是在狀態(tài)1的壓力和溫度下在管芯上生成的應(yīng)力。應(yīng)力0工取決于管芯10的彈性模數(shù)4、泊松比％和應(yīng)變8 10應(yīng)變8 1取決于熱膨脹系數(shù)01^。在圖11所示的示例中，
管芯10的壓電電阻系數(shù)X隨壓力和溫度的改變而改變。
[0026]如圖11所示，在12，13而1管芯的壓電電阻取決于壓電電阻系數(shù)矩陣、和應(yīng)力矢量02。應(yīng)力矢量02是環(huán)境應(yīng)力023和抵消應(yīng)力0213造成的凈應(yīng)力。在管芯10上生成環(huán)境應(yīng)力歸因于環(huán)境中的壓力和溫度變化。壓電電阻系數(shù)、和環(huán)境應(yīng)力％3將造成管芯10在狀態(tài)2的壓電電阻，該壓電電阻與其在狀態(tài)1的壓電電阻不同。為了維持在兩個不同溫度下13？價管芯10從漏極到源極的壓電電阻，可以在管芯10上生成抵消應(yīng)力，其至少與環(huán)境應(yīng)力023的一部分對立。得到的凈應(yīng)力矢量％在值上更接近于初始應(yīng)力矩陣0工。
[0027]該抵消應(yīng)力0 %可以通過裁剪結(jié)合層20或基底70的任一或兩者來生成。特別地，結(jié)合層20或基底70或兩者的隨溫度改變的體積改變被用于引起在管芯10上的抵消應(yīng)力，其維持從漏極到源極的壓電電阻。抵消應(yīng)力可以由管芯10上的彈性模數(shù)(￡2)的有效大小和方向依賴性、泊松比0?)的有效大小和方向依賴性，或熱膨脹系數(shù)￠1?)的有效大小和方向依賴性而導(dǎo)致。在一些實(shí)施例中，在012失配效應(yīng)后的丁管芯10的壓電電阻敏感性可以減少到它的初始壓電電阻敏感性的十分之一。例如，在具有1-2%壓電電阻的管芯內(nèi)，電阻中歸因于從漏極到源極的壓電電阻八8/?的相對百分比改變在壓力和溫度范圍上可以維持在0.1-0.2%內(nèi)。在示例中，從漏極到源極的壓電電阻的改變可以維持為小于0.5%。
[0028]獲取(:12失配效應(yīng)的一種方式為通過選擇各向異性材料的成分，該選擇通過引起不同方向上的不同大小的力來響應(yīng)壓力和溫度的改變(見圖9-10〉。通過體積的改變獲取這樣的效應(yīng)，該體積的改變歸因于關(guān)于管芯10的基底70或結(jié)合層20中任一個或兩者的熱膨脹/收縮。在一些示例中，各向異性材料用于構(gòu)造基底70?；?0被定向，以使得在不同壓力和溫度下基底70在熱膨脹/收縮期間引起的力在將抵消管芯10上的其他機(jī)械力的方向發(fā)生。在參考圖9-10描述的實(shí)施例的一些實(shí)現(xiàn)中，結(jié)合層20包括同質(zhì)的結(jié)合劑材料的成分。在示例中，基底70是正交各向異性的。在其他示例中，結(jié)合層20由各向異性結(jié)合劑材料組成，使得它通過在不同方向上引起不同大小的力以抵消管芯10上的其他機(jī)械力來響應(yīng)壓力和溫度的改變。在進(jìn)一步的示例中，結(jié)合劑材料具有正交各向異性的機(jī)械性質(zhì)。
[0029]在各向異性配置的進(jìn)一步實(shí)施例中，當(dāng)基底70或結(jié)合層20具有的一個方向上的0X2與其第二方向上的012不同，使得在不同壓力和溫度下由基底70或結(jié)合層20引起的力抵消了管芯10上的其他機(jī)械力時，獲得了(:12失配效應(yīng)。基底70或結(jié)合層20的體積取決于其而改變。在一些示例中，基底70或結(jié)合層20的彈性模數(shù)在變化的壓力和溫度下在所有方向恒定。在一些示例中，基底70或結(jié)合層20的泊松比在變化的壓力和溫度下在所有方向恒定。
[0030]在各向異性配置的再另一實(shí)施例中，當(dāng)基底70或結(jié)合層20在一個方向上具有的彈性模數(shù)與其第二方向上的彈性模數(shù)不同，使得在不同壓力和溫度下由基底70或結(jié)合層20引起的力抵消了管芯10上的其他機(jī)械力時，獲得了失配效應(yīng)。基底70或結(jié)合層20的體積取決于其彈性模數(shù)而改變。在一些示例中，基底70或結(jié)合層20的^12在變化的壓力和溫度下在所有方向恒定。在一些示例中，基底70或結(jié)合層20的泊松比在變化的壓力和溫度下在所有方向恒定。
[0031]在各向異性配置的又另一實(shí)施例中，當(dāng)基底70或結(jié)合層20在一個方向上具有的泊松比與其第二方向上的泊松比不同，使得在不同壓力和溫度下由基底70或結(jié)合層20引起的力抵消了管芯10上的其他機(jī)械力時，獲得了(:12失配效應(yīng)。基底70或結(jié)合層20的體積取決于其泊松比而改變。在一些示例中，基底70或結(jié)合層20的彈性模數(shù)在變化的壓力和溫度下在所有方向恒定。在一些示例中，基底70或結(jié)合層20的012在變化的壓力和溫度下在所有方向恒定。
[0032]獲取^12失配效應(yīng)的另一方式為通過基于結(jié)合層20的(:1?選擇結(jié)合層20的材料，并將該材料的一個或多個條帶按圖案設(shè)置在基底70和管芯10之間(見圖2-8)。一個或多個條帶的定向可以被選擇，以使得材料在熱改變期間引起的力在將抵消管芯10上的其他機(jī)械力的方向發(fā)生。在參考圖2-8描述的實(shí)施例的一些實(shí)現(xiàn)中，基底70具有各向同性的機(jī)械性質(zhì)?；?0可以由諸如氧化鋁或氮化鋁的陶瓷組成。
[0033]在示例中，一個或多個條帶的定向被選擇以獲取管芯10的雙軸加載。特別地，0X2失配效應(yīng)可以引起正交應(yīng)變，該正交應(yīng)變由于結(jié)合層20和管芯的一種或多種材料的失配而生成。有利的雙軸力可以通過使用設(shè)置在傳感器管芯和它的安裝基底之間的兩種不同成分的玻璃熔塊或結(jié)合劑來引起。這些成分可以基于它們的熱膨脹系數(shù)
(012)選擇，使得在不同的溫度下兩種材料引起不同的熱應(yīng)變進(jìn)入管芯以產(chǎn)生雙軸加載條件。
[0034]圖2是圖示結(jié)合層20的示例性布局的實(shí)施例的頂視圖，結(jié)合層20設(shè)置在1--丁管芯10的第二表面上(如圖1所示)。結(jié)合層20包括結(jié)合劑材料的一個或多個條帶，其按圖案設(shè)置在管芯10的第二表面和基底70的第三表面之間。在該示例中，第二表面(且因此作為整體的具有總體矩形的形狀，第一成分的結(jié)合劑材料的第一條帶206設(shè)置在平行于管芯10的長邊2073的方向上。如圖2所示，第二成分的結(jié)合劑材料的多個第二條帶208設(shè)置為與條帶206正交且平行于管芯10的短邊207匕在該示例中，第一條帶206比第二條帶208長，第二條帶208相對較短并且設(shè)置在第一條帶206的任一側(cè)。第一和第二結(jié)合劑材料之一或兩者可以由玻璃熔塊組成。其他結(jié)合劑材料也可以用于第一條帶或第二條帶。用于第二條帶208的結(jié)合劑材料的第二成分具有的熱膨脹系數(shù)￠12)不同于用于第一條帶206的結(jié)合劑材料的第一成分的012。因此，在不同溫度下兩種結(jié)合劑材料將引起不同的熱機(jī)械力到13？價管芯10上。由于第一條帶206與第二條帶208相比定向在不同方向(例如正交)，由條帶206、208引起的組合的力將比在一個方向上更大，這將獲得^12失配效應(yīng)。
[0035]如圖2所示，實(shí)施例還可以包括沿著管芯10的周界207設(shè)置的結(jié)合劑材料的周界區(qū)段209。在該示例中，周界區(qū)段209被設(shè)置以提供邊緣支撐和密封。然而，在另一示例中，具有不同的012的兩種不同的結(jié)合劑材料的條帶可以沿著周界被設(shè)置，使得引起到管芯上的熱機(jī)械力比在一個方向上的大，并且獲得012失配效應(yīng)(見圖50)0進(jìn)一步地，在如圖2所示的示例中，在周界區(qū)段209中設(shè)置的結(jié)合劑材料具有的(:12與用于第一條帶206或第二條帶208的結(jié)合劑材料不同。然而，如圖3八-30中的以下示例所示，周界區(qū)段的結(jié)合劑材料可以具有與第一條帶206或第二條帶208的結(jié)合劑材料之一相同的成分。
[0036]圖3八-30圖示了結(jié)合層20的各種示例，結(jié)合層20沿著管芯10的周界使用結(jié)合劑材料的不同成分。圖3八圖示的示例為結(jié)合層20包括沒有周界區(qū)段的圖案。在圖38中，用于第一條帶316的結(jié)合劑材料的成分具有不同于用于第二條帶319的結(jié)合劑材料的成分的^12。在周界區(qū)段319中使用的結(jié)合劑材料的成分與用于條帶316或條帶318的結(jié)合劑材料的成分不具有相同的^2。在圖3(:中，用于沿著管芯10的周界的周界區(qū)段329的結(jié)合劑材料的成分具有與用于第一條帶326的成分相同的(:12，但是與用于第二條帶328的成分不具有相同的012。在圖30中，用于周界區(qū)段339的結(jié)合劑材料的成分具有與用于第二條帶338的結(jié)合劑材料的成分相同的但是與用于第一條帶336的成分不具有相同的012。在另一示例中，如果結(jié)合劑材料的第三成分用于附加的條帶以獲得012失配效應(yīng)，應(yīng)理解周界區(qū)段可以使用結(jié)合劑材料的第三成分來設(shè)置。
[0037]圖4八-48為設(shè)置在基底70和管芯10 (圖1中示出)之間的結(jié)合層20的實(shí)施例，其中結(jié)合層20包括僅一種成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶。在圖4八所示的示例中，一成分的結(jié)合劑材料的條帶406設(shè)置成平行于管芯10(圖1中示出)的邊緣4073。不使用第二結(jié)合劑。為了支撐管芯10，惰性材料402被沉積在結(jié)合層20的其余部分。惰性材料402不會施加任何012力到管芯10上，但是可能通過摩擦在管芯上生成有限的剪應(yīng)力。如圖48所示，實(shí)施例可以包括一成分的結(jié)合劑材料的多個條帶416和惰性材料412，多個條帶416設(shè)置成垂直于管芯10的邊緣4173，惰性材料412沉積在結(jié)合層20的其余部分。在該示例中，13？價管芯10被惰性材料412支撐，但是可能通過摩擦在管芯10上生成有限的剪應(yīng)力。在圖4八和48所示的實(shí)施例中，失配效應(yīng)通過以下方式來獲得:對一成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶定向，以使得由結(jié)合劑材料引起的力與管芯10上的其他機(jī)械力相抵消。應(yīng)理解，在其他示例中，結(jié)合劑材料和惰性材料可以按與圖4八和圖48中示出的圖案不同的圖案來配置以獲得(:12失配效應(yīng)。
[0038]圖5八-52是結(jié)合層20的不同實(shí)施例，其圖示了使用具有不同的結(jié)合劑材料的成分形成各種圖案，使得在不同溫度下結(jié)合劑材料將引起不同的熱機(jī)械力到管芯10中以獲得012失配效應(yīng)。例如，在圖5八中，使用可以包括但是不限于玻璃熔塊的成分的結(jié)合劑材料來設(shè)置第一條帶506。多個第二條帶508設(shè)置在與第一條帶506正交的方向。用于設(shè)置多個第二條帶508的結(jié)合劑材料的成分的不同于用于設(shè)置第一條帶506的結(jié)合劑材料的成分的012。在不同的溫度下，由條帶508和506引起的組合的力將比在一個方向上的大，并且將獲得012失配效應(yīng)。
[0039]在圖58中，多個第一條帶516被設(shè)置在管芯10的邊緣5173和5176的對角線的方向。多個第二條帶518被設(shè)置在與多個第一條帶516正交的方向(也是邊緣5173和5176的對角線但是相反的方向)。用于設(shè)置多個第二條帶518的結(jié)合劑材料的第二成分具有與用于形成多個第一條帶516的結(jié)合劑材料的第一成分不同的，它們在不同溫度下引起不同的熱機(jī)械力到管芯10中以便獲得012失配效應(yīng)。在圖50所示的另一示例中，單個條帶526被設(shè)置在管芯10的邊緣5273和5276的對角線的方向。第二成分的結(jié)合劑材料的兩個條帶528-1和528-2設(shè)置成與條帶526正交，結(jié)合劑材料的第二成分具有與用于設(shè)置單個條帶526的結(jié)合劑材料的第一成分不同的^12。
[0040]結(jié)合層20的另一實(shí)施例示出在圖50中。在該示例中，012失配效應(yīng)可以通過沿著周界設(shè)置兩種不同的結(jié)合劑材料的條帶來獲得。如圖50所示，條帶536-1和536-2使用結(jié)合劑材料的第一成分設(shè)置。條帶538-1和538-2使用第二成分的結(jié)合劑材料來設(shè)置。用于設(shè)置條帶538-1和538-2的結(jié)合劑材料的第一成分不同于用于設(shè)置條帶536-1和536-2的結(jié)合劑材料的第二成分。條帶536-1和536-2正交于條帶538-1和538-2。在不同溫度下，條帶536-1和536-2將引起與條帶538-1和538-2不同的熱機(jī)械力到管芯10中，從而產(chǎn)生雙軸加載條件以獲得^12失配效應(yīng)。
[0041]圖52圖示了結(jié)合層20的實(shí)施例。在該示例中，第一條帶546設(shè)置成鋸齒狀。第二條帶548設(shè)置成相反方向的鋸齒狀。在示例中，第一條帶546的拐角產(chǎn)生直角。在示例中，第二條帶548的拐角也產(chǎn)生直角。在進(jìn)一步的示例中，第一條帶546和第二條帶548可以彼此正交。用于設(shè)置第一條帶546的結(jié)合劑材料的第一成分具有與用于設(shè)置第二條帶548的結(jié)合劑材料的第二成分不同的012，使得產(chǎn)生雙軸加載條件以獲得012失配效應(yīng)。
[0042]在一些示例中，甚至當(dāng)條帶設(shè)置成輻射狀或軸向圖案而不是設(shè)置成彼此正交時(見圖6) 412失配效應(yīng)也可以獲得。圖6圖示了這樣的實(shí)施例，其中不同成分的結(jié)合劑材料的條帶可以不彼此正交。多個第一條帶606用第一結(jié)合劑材料設(shè)置，第一結(jié)合劑材料具有與用于設(shè)置多個第二條帶608的第二結(jié)合劑材料不同的^12。第一條帶606和第二條帶608 二者引起兩個不同的熱機(jī)械力到管芯10中以產(chǎn)生雙軸加載條件以便獲得失配效應(yīng)。還可以存在按輻射圖案設(shè)置的第三結(jié)合劑材料的附加條帶，其可以引起第三力到管芯上并產(chǎn)生012失配效應(yīng)，因?yàn)榻Y(jié)合劑材料的不同成分的012不同。
[0043]圖7八-7？圖示了結(jié)合層20內(nèi)設(shè)置的結(jié)合劑材料的條帶的不同實(shí)施例。在本公開中，結(jié)合劑材料的條帶指的是具有窄且細(xì)長形狀的結(jié)合劑材料。在一些示例中，條帶可以是線性條帶，例如長線性矩形(圖7八所示)或短矩形(圖78所示在一些示例中，條帶可以是非線性的。例如，條帶可以為具有均勻?qū)挾鹊幕⌒?圖7(:所示〉、螺旋形(圖70所示)或鋸齒狀(圖72所示在一些示例中，條帶可以是波形(圖7？中所示的方波應(yīng)理解，條帶的定義不受圖7八到7？所示的示例的限制。
[0044]圖8是用于制造邱傳感器的方法800的一個實(shí)施例的流程圖。如這里討論的，方法800參考圖1-7所示的邱傳感器的示例來描述。然而，方法800也可以應(yīng)用于邱傳感器的其他傳感器示例。在圖8所示的示例中，方法800包括以第一圖案在基底上形成第一結(jié)合劑材料的一個或多個條帶(802)。在框802中形成的圖案可以是在圖2-6的結(jié)合層實(shí)施例中描述的圖案?？?02可以包括以在上述實(shí)施例中沒有描述的但獲得012失配效應(yīng)的圖案來形成第一結(jié)合劑材料的一個或多個條帶?？?02中的第一結(jié)合劑材料可以是玻璃熔塊。
[0045]方法800還包括以第二圖案在基底上形成第二材料(804)?？?04中的形成第二材料可以包括沉積惰性材料，或形成第二結(jié)合劑材料的一個或多個條帶，第二結(jié)合劑材料與框802內(nèi)用于形成一個或多個條帶的第一結(jié)合劑材料具有不同的012。在一些示例中，框804內(nèi)的第二結(jié)合劑材料可以為玻璃熔塊。在進(jìn)一步的示例中，框804可以包括形成第二結(jié)合劑材料的一個或多個條帶，其正交于框802的第一結(jié)合劑材料的一個或多個條帶。
[0046]方法800還包括將13？價管芯放在基底上，使得第一結(jié)合劑材料和第二結(jié)合劑材料設(shè)置在基底和管芯之間(806)。方法800還包括通過加熱結(jié)合劑材料將基底結(jié)合到管芯(808)。框808中的結(jié)合劑材料可以包括玻璃熔塊。在示例中，框808內(nèi)的加熱結(jié)合劑材料可以包括使用基于激光的玻璃熔塊固化技術(shù)來熔化玻璃熔塊。
[0047]在一些示例中，結(jié)合劑材料的第一和第二成分可以為環(huán)氧樹脂的兩種不同的化學(xué)成分。在其他示例中，結(jié)合劑材料的兩種不同的成分可以由環(huán)氧樹脂的相同的化學(xué)成分開始，但是在環(huán)氧樹脂中添加填充材料以形成結(jié)合劑材料的第二成分，使得在第二成分中的環(huán)氧樹脂的熱機(jī)械性質(zhì)改變，從而第二成分是非同質(zhì)的，并且獲得了失配效應(yīng)。用于改變環(huán)氧樹脂的成分的填充材料可以是珠、球、纖維或其他小顆粒。在一些示例中，填充材料可以是玻璃制成的。在其他示例中，不同材料可以用于填充材料。
[0048]在不同的配置中，012失配效應(yīng)可以通過使用具有各向異性機(jī)械性質(zhì)的基底或結(jié)合層來獲取?；谆蚪Y(jié)合層在不同的方向上具有不同的012或不同的彈性模數(shù)或不同的泊松比，并且通過在不同方向上引起不同大小的力來響應(yīng)溫度改變。在一些示例中，基底可以是正交各向異性的。在該配置的一些示例中，設(shè)置在基底和管芯之間的結(jié)合劑材料可以是同質(zhì)的。在一些示例中，結(jié)合層可以具有正交各向異性機(jī)械性質(zhì)。不同的力通過同質(zhì)的結(jié)合劑傳輸進(jìn)入管芯中，從而產(chǎn)生雙軸加載條件以獲取012失配效應(yīng)。
[0049]在一些示例中，基底70(圖1所示)可以通過以下方式來構(gòu)造:使單晶固體材料片生長以使得固體材料具有單晶形式的各向異性的機(jī)械性質(zhì)。在一些示例中，基底70可以是正交各向異性的。在一些示例中，基底70可以從單晶硅、單晶鋁或單晶銅構(gòu)造。在其他示例中，單晶形式的其他材料可以用于構(gòu)造基底。圖9八是基底70的頂視圖，其圖示了力生成的方向和大小。如圖9八所示，基底70通過使各向異性的單晶固體材料片生長來制造。在不同溫度下基底生成兩種不同大小的力。在該示例中，力904在7軸的方向生成，并且另一個力908在X軸的方向生成，X軸與7軸正交。力904具有與力908不同的大小，因?yàn)閳D9八中所示的各向異性單晶固體材料的在與7方向相對的X方向上不同。得到的不同的力將獲得失配效應(yīng)。
[0050]在其他示例中，基底70或結(jié)合層20可以由對齊的纖維合成物構(gòu)造。纖維有意地對齊以產(chǎn)生具有各向異性機(jī)械性質(zhì)的成分。在一些示例中，基底70可以是正交各向異性的。在一些示例中，結(jié)合層20可以形成為具有正交各向異性的機(jī)械性質(zhì)。例如，基底70或結(jié)合層20可以由碳纖維和環(huán)氧樹脂合成物形成，其中碳纖維在環(huán)氧X脂中對齊。在一些示例中，對齊的纖維合成物可以由在環(huán)氧樹脂、樹脂、熱塑性基體或熱固性基體中對齊的碳纖維、硼纖維、玻璃纖維或石墨纖維形成。在其他示例中，對齊的纖維合成物可以是金屬基體合成物，其可以包括在鋁金屬中對齊的氧化鋁纖維或碳化硅纖維。圖98圖示了纖維對齊以產(chǎn)生正交各向異性合成物的示例。在圖示的示例中，合成物的優(yōu)選方向?yàn)槔w維對齊的方向。在優(yōu)選方向生成力918。為了獲得(:12失配效應(yīng)，生成與其優(yōu)選方向正交的力914以產(chǎn)生雙軸加載條件。
[0051]圖10為根據(jù)本說明書的制造邱傳感器的方法1000的一個實(shí)施例的流程圖。如在這里討論的，方法1000參考圖1和9八-98中示出的邱傳感器的示例進(jìn)行描述。然而，方法1000也可以應(yīng)用于本發(fā)明的其他傳感器示例。在示例中，如圖10所示，方法1000包括將基底安裝到頭部(1002^另外地，在一些示例中，框1002中的將基底安裝到頭部可以包括通過以下方式來構(gòu)造基底:使單晶固體材料片生長，使得固體材料具有其單晶形式的各向異性的機(jī)械性質(zhì)。該固體材料可以包括單晶硅、單晶鋁或單晶銅。在其他示例中，將基底安裝到頭部上可以包括由具有各向異性的機(jī)械性質(zhì)的對齊的纖維合成物來構(gòu)造基底。
[0052]方法1000還包括在基底上形成結(jié)合層以將基底結(jié)合到管芯(1004)。在示例中，結(jié)合層可以包括為玻璃熔塊的結(jié)合劑材料的成分。方法1000還包括將管芯放在基底上，使得結(jié)合層設(shè)置在基底和管芯之間(1006)。方法1000還包括通過加熱結(jié)合層將基底結(jié)合到管芯(1008)。
[0053]方法1000還包括配置結(jié)合層或基底中的任一個或兩者以引起在13而1管芯上的抵消力，該抵消力與由于跨壓力和溫度范圍的壓力和溫度改變而在管芯上生成的環(huán)境力的至少一部分對立(1010^最后，方法1000包括配置在管芯上的抵消力，以維持管芯的從漏極到源極的壓電電阻的改變在壓力和溫度范圍上小于0.5% (1012)。
[0054]示例實(shí)施例
[0055]示例1包括配置用于在壓力和溫度范圍上使用的邱傳感器，邱傳感器包括:基底；離子敏感場效應(yīng)晶體管管芯，其包括響應(yīng)邱的離子感測部分，其中管芯結(jié)合到基底，其中管芯的離子感測部分被配置為暴露于介質(zhì)，并且其中離子感測部分輸出與介質(zhì)的邱水平相關(guān)的信號；結(jié)合層，其設(shè)置在基底和管芯之間，結(jié)合層結(jié)合到基底和管芯，并且其中結(jié)合層包括第一成分的結(jié)合劑材料；其中跨壓力和溫度范圍的壓力和溫度改變在邱傳感器內(nèi)生成環(huán)境力；并且其中結(jié)合層或基底中的至少一個在壓力和溫度范圍上改變體積，其中結(jié)合層或基底中的至少一個被配置使得體積改變引起抵消力，所述抵消力與環(huán)境力的至少一部分對立，并且其中抵消力被配置為在壓力和溫度范圍上將管芯從漏極到源極的壓電電阻的改變維持為小于0.5%。
[0056]示例2包括示例1的邱傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個具有各向異性的機(jī)械性質(zhì)。
[0057]示例3包括示例1或示例2的邱傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個具有正交各向異性的機(jī)械性質(zhì)。
[0058]示例4包括示例1-3的任一示例的邱傳感器，其中第一成分的結(jié)合劑材料還包括玻璃熔塊。
[0059]示例5包括示例1-4的任一示例的邱傳感器，其中，結(jié)合層是同質(zhì)的并且基底被配置為跨壓力和溫度范圍引起抵消力。
[0060]示例6包括示例1-4的任一示例的邱傳感器，其中基底是各向同性的且結(jié)合層被配置為跨壓力和溫度范圍引起抵消力。
[0061]示例7包括示例1-6的任一示例的邱傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個具有在第一方向上的熱膨脹系數(shù)￠12)，其與在第二方向上的012不同，使得跨壓力和溫度范圍在不同方向上的012的差異生成抵消力。
[0062]示例8包括示例1-7的任一示例的邱傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個具有在一個方向上的彈性模數(shù)，在該方向上的彈性模數(shù)與其在第二方向上的彈性模數(shù)不同，使得跨壓力和溫度范圍在不同方向上的彈性模數(shù)的差異生成抵消力。
[0063]示例9包括示例1-8的任一示例的邱傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個具有在一個方向上的泊松比，其與在第二方向上的泊松比不同，使得在壓力和溫度范圍內(nèi)在不同方向上的泊松比的差異生成在管芯上的抵消力。
[0064]示例10包括示例1-9的邱傳感器，其中基底還包括具有各向異性的機(jī)械性質(zhì)的單晶形式的固體材料片。
[0065]示例11包括示例10的邱傳感器，其中單晶形式的固體材料還包括單晶鋁、單晶銅或單晶硅。
[0066]示例12包括示例1-9的邱傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個還包括具有各向異性的機(jī)械性質(zhì)的對齊的纖維合成物。
[0067]示例13包括示例12的邱傳感器，其中對齊的纖維合成物還包括在環(huán)氧樹脂、樹月旨、熱塑性基體或熱固性基體中的碳纖維、硼纖維、玻璃纖維或石墨纖維。
[0068]示例14包括示例12的邱傳感器，其中對齊的纖維合成物還包括金屬基體合成物，其中金屬基體合成物包括在鋁金屬內(nèi)對齊的碳化硅纖維或氧化鋁纖維。
[0069]示例15包括示例1-12的任一示例的邱傳感器，其中管芯通過陽極結(jié)合、共晶結(jié)合和粘合結(jié)合來結(jié)合到基底。
[0070]示例16包括示例1的邱傳感器，其中結(jié)合層還包括第一成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶，其以第一圖案設(shè)置在基底和管芯之間；其中結(jié)合層還包括設(shè)置在基底和管芯之間的第二材料；并且其中由以第一圖案設(shè)置在基底和管芯之間的第一成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶在13？價管芯上生成的第一抵消力在與由第二材料在管芯上生成的第二抵消力不同的方向上，使得第一抵消力和第二抵消力引起
管芯上的抵消力。
[0071]示例17包括示例16的邱傳感器，其中第二材料還包括第二成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶，其以第二圖案設(shè)置在基底和管芯之間，其中第二成分的熱膨脹系數(shù)￠12)與結(jié)合劑材料的第一成分的012不同。
[0072]示例18包括示例1-18的任一示例的邱傳感器，其中基底包括基礎(chǔ)基底和在基礎(chǔ)基底上形成的蓋，邱傳感器還包括:在13？價管芯的外表面的至少一部分和蓋基底的至少一部分上形成的保護(hù)層；機(jī)械耦合到保護(hù)層的罩構(gòu)件，其中罩構(gòu)件容納'管芯和基底，且其中罩構(gòu)件限定了接近離子感測部分的開口 ；頭部，其中基底被安裝到頭部；參考電極，其提供了參考電壓；以及至少一個電插針，其通過導(dǎo)線耦合到管芯。
[0073]示例19包括制造在壓力和溫度范圍上使用的邱傳感器的方法，該方法包括:將基底安裝到頭部；在基底上形成結(jié)合層以將基底結(jié)合到13？價管芯；將13？價管芯放在基底上，使得結(jié)合層設(shè)置在基底和'管芯之間；通過加熱結(jié)合層將基底結(jié)合到'管芯；配置結(jié)合層或基底中的至少一個以引起抵消力，該抵消力與由于跨壓力和溫度范圍的壓力和溫度改變而在13而1管芯上生成的環(huán)境力的至少一部分對立；以及配置抵消力以在壓力和溫度范圍上將管芯從漏極到源極的壓電電阻的改變維持為小于0.5%。
[0074]示例20包括邱傳感器，其包括:基底；離子敏感場效應(yīng)晶體管管芯，其包括配置為暴露于介質(zhì)的離子感測部分，其中離子感測部分輸出與介質(zhì)的邱水平相關(guān)的信號，其中管芯結(jié)合到基底；同質(zhì)的玻璃熔塊，其中玻璃熔塊設(shè)置在基底和管芯之間，將基底結(jié)合到管芯；并且其中基底具有正交各向異性的機(jī)械性質(zhì)，使得基底跨溫度范圍在管芯上引起雙軸加載力。
【權(quán)利要求】
1.一種配置用于在壓力和溫度范圍上使用的PH傳感器(2)，所述pH傳感器包括: 基底(70)； 離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)管芯(10)，其包括響應(yīng)pH的離子感測部分(12)，其中ISFET管芯結(jié)合到基底，其中ISFET管芯的離子感測部分被配置為暴露于介質(zhì)，并且其中離子感測部分輸出與介質(zhì)的PH水平相關(guān)的信號； 結(jié)合層(20)，其設(shè)置在基底和ISFET管芯之間，結(jié)合層結(jié)合到基底和ISFET管芯，并且其中結(jié)合層包括第一成分的結(jié)合劑材料； 其中跨壓力和溫度范圍的壓力和溫度改變在PH傳感器內(nèi)生成環(huán)境力；并且其中結(jié)合層或基底中的至少一個在壓力和溫度范圍上改變體積，其中結(jié)合層或基底中的至少一個被配置使得體積改變引起抵消力，所述抵消力與環(huán)境力的至少一部分對立，并且其中抵消力被配置為在壓力和溫度范圍上將ISFET管芯從漏極到源極的壓電電阻的改變維持為小于0.5%。
2.如權(quán)利要求1所述的pH傳感器，其中結(jié)合層或基底中的至少一個具有在第一方向上的熱膨脹系數(shù)(CTE)，在第一方向上的CTE與在第二方向上的CTE不同，或者結(jié)合層或基底中的至少一個具有在一個方向上的彈性模數(shù)，在所述一個方向上的彈性模數(shù)與其在第二方向上的彈性模數(shù)不同，或者結(jié)合層或基底中的至少一個具有在一個方向上的泊松比，在所述一個方向上的泊松比與在第二方向上的泊松比不同，使得跨壓力和溫度范圍在不同方向上的CTE的差異或彈性模數(shù)的差異或泊松比的差異生成抵消力。
3.如權(quán)利要求1或2所述的pH傳感器， 其中結(jié)合層還包括第一成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶(206、208)，其以第一圖案設(shè)置在基底和ISFET管芯之間； 其中結(jié)合層還包括設(shè)置在基底和ISFET管芯之間的第二材料(208、206、209、402);并且 其中由以第一圖案設(shè)置在基底和ISFET管芯之間的第一成分的結(jié)合劑材料的一個或多個條帶在ISFET管芯上生成的第一抵消力在與由第二材料在ISFET管芯上生成的第二抵消力不同的方向上，使得第一抵消力和第二抵消力引起ISFET管芯上的抵消力。
【文檔編號】H01L29/78GK104345083SQ201410333967
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】D·霍爾克黑默, P·S·費(fèi)奇納, D·S·威利茨 申請人:霍尼韋爾國際公司