CN101710100B - 低漂移化学传感器阵列的方法和装置 - Google Patents

低漂移化学传感器阵列的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101710100B
CN101710100B CN200910221480.3A CN200910221480A CN101710100B CN 101710100 B CN101710100 B CN 101710100B CN 200910221480 A CN200910221480 A CN 200910221480A CN 101710100 B CN101710100 B CN 101710100B
Authority
CN
China
Prior art keywords
saw
law
layer
reference layer
sensor array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200910221480.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101710100A (zh
Inventor
C·科比亚努
I·乔治斯库
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honeywell International Inc
Original Assignee
Honeywell International Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honeywell International Inc filed Critical Honeywell International Inc
Publication of CN101710100A publication Critical patent/CN101710100A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101710100B publication Critical patent/CN101710100B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2462—Probes with waveguides, e.g. SAW devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025—Change of phase or condition
    • G01N2291/0255—(Bio)chemical reactions, e.g. on biosensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025—Change of phase or condition
    • G01N2291/0256—Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0423—Surface waves, e.g. Rayleigh waves, Love waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

低漂移化学传感器阵列的方法和装置。一种片上的低基线漂移的SAW/LAW化学传感器阵列及其形成方法。双SAW延迟线包括用来产生声波的公共IDT，以及用来接收声波的一对IDT。一个感测层或者一个参考层可以沉积在公共IDT的每一侧上的位置中。一ASIC芯片包括片上的双操作放大器和混合器，以利用由感测层和参考层给出的差获得差别测量。可利用三维3D技术来将传感器阵列和ASIC连接在相同的封装中并由此形成3D堆栈。化学传感器阵列和ASIC可以配置在不同的封装中，并利用2D技术互连在相同的衬底上。多种气体可以被独立地探测，每种气体可关于与其相关联的感测层和特定参考层而被有差别地探测。

Description

低漂移化学传感器阵列的方法和装置
技术领域
实施例主要涉及传感器方法和系统。该实施例还涉及SAW(表面声波)和LAW(拉福声波，love acoustic wave)化学传感器设备。该实施例另外还涉及用于制造SAW化学传感器阵列的方法。
背景技术
化学传感器可用于将化学信号(例如，浓度，活性，分压等等)转换成可测量的电信号。在传统的商用固态化学传感器中，最广为人知的是催化燃烧型传感器(pellistor)和化学电阻(chemoresistor)。这些固态化学传感器都是电阻型的传感器，并且通常需要加热到高温才能示出气体敏感性。催化燃烧型传感器可用于探测还原性气体，例如，CH4。典型的催化燃烧型传感器包括铂电阻部件，在该铂电阻部件上覆盖着其中含有贵金属原子的多孔陶瓷材料，其中的贵金属原子用于在催化燃烧型传感器表面催化气体的氧化反应。在存在CH4的情况下，由于放热的气体分解，加热的催化燃烧型传感器进一步地升高其温度。这样的方法造成温度升高，反过来可以清楚地表示为铂电阻的增大。
化学电阻型传感器通常包括金属氧化物(例如，SnO2)，通过其电阻的增加来探测氧化剂气体(例如，NOx)，通过其电阻的减小来探测还原性气体(例如，CO)。这些传统的固态传感器耗费高的电能，并且相对于周围配置中的其它气体呈现出交叉敏感性。因此，人们认为利用较少的电能来用于有效气体探测的SAW/LAW化学传感器，可用作这样的现有技术固态化学传感器的替代。注意“LAW”通常指代“拉福声波”或者“拉福模式声波”。
具有功能感测层的SAW/LAW化学传感器可以用来在室温条件下对气体进行选择性探测。SAW/LAW化学传感器依靠叉指(IDT)换能器来产生和探测从设备的一端传播到另一端的声波。当气体被吸附在感测层时，声波的传播速率会发生改变，并且由于感测层的质量增加，膜的黏弹性质也会发生改变。与具有功能感测层的该现有技术SAW/LAW化学传感器相关的一个问题是由于感测材料的老化以及湿度和其它的外界动因/状况引起的膜的物理-化学变化，在其操作期间缺乏对基线漂移的控制。
图1是现有技术中的基于LAW型的化学传感器100的透视图，其中包括使用引导层120用于声波的传播。在如图1所示的现有技术中的基于LAW型的化学传感器100中，引导层120置于压电衬底130上，并且在叉指换能器(IDT)140和150上，这两个换能器通过压电效应用来产生和探测声波。输入IDT 140和输出IDT 150置于压电衬底130上，并且被用于声波传导的引导层120覆盖，该引导层被用于声波传播。现有技术中的LAW化学传感器100还包括可暴露于气体(例如含有待测的化学物质的空气)中的感测层110。然后，可以分析来自传感器100产生的信号以识别化学物质。
图2是现有技术的SAW化学传感器200的透视图。现有技术的SAW化学传感器200包括输入叉指换能器210和输出叉指换能器220，二者置于压电衬底240上，并通过压电效应来产生和探测表面声波。感测层230可用来感测吸附在其表面的输入气体。输入IDT 210上产生的声波，将在感测层230的下面传播，其相速度会因为感测层上吸附的气体而发生改变，因此在输出IDT 220中产生的电信号将携带关于SAW化学/气体传感器要探测的气体的信息。
图3示出了现有技术的SAW/LAW化学传感器200的示意图。现有技术的化学传感器200包括感测层230，其位于输入IDT 210和输出IDT 220之间。SAW化学传感器200的振荡型感测电路310通常包括在其产生频率F1的正反馈回路内具有SAW延迟线(line)的RF放大器A1。上述感测SAW/LAW延迟线包括输入IDT 210，感测层230和输出IDT 220。化学传感器200还包括参考振荡器电路350，该参考振荡器电路350利用在其以频率F2振荡的正反馈回路内与参考SAW/LAW延迟线关联的RF放大器A2。上述参考SAW/LAW延迟线一般由输入IDT 320和输出IDT 330配置。
混合器360可用于执行在频率F1和F2之间的频率减法。现有技术的SAW/LAW化学传感器200另外包括接地平面340的使用，该接地平面340可以用于使整个感测装置200接地。频率F1-F2中的差携带关于要被探测的气体的信息；然而，现有技术中的差别(differential)方法不能完全消除湿度和温度的影响。这是因为由IDT 320、IDT 330和正反馈放大器A2组成的参考振荡器电路350相对于包括IDT 210、感测层230、IDT 220和正反馈放大器A1的感测振荡器电路310缺乏对称性。
基于上述内容，相信存在对如下面将更详细描述的改进的与参考层相关联的片上低基线漂移SAW/LAW化学传感器阵列的需要。
发明内容
提供下述内容来便于理解所公开的实施例所独有的一些创新的特征，但不打算成为全面的描述。对实施例的各个方面的全面认识可通过将整个说明书、权利要求书、附图以及摘要作为一个整体来获得。
因此，本发明的一个方面是提供一种改进的SAW/LAW化学传感器装置。
本发明的另一个方面是提供一种改进的片上低基线漂移SAW/LAW化学传感器阵列。
本发明的又一个方面是提供一种制造SAW/LAW化学传感器阵列的方法。
下面将对上述的各方面以及其它的目标和优点进行描述。公开了一种片上低基线漂移SAW/LAW化学传感器阵列以及形成这种阵列的方法。双SAW/LAW延迟线包括用于产生声波的公共IDT和用于接收声波的一对IDT。在公共IDT的每一侧上的位置中可以沉积一个或者多个感测层和参考层。ASIC芯片包括片上双操作放大器和混合器以利用由感测层和参考层给出的差得到差别测量结果。可以利用3D技术将传感器阵列和ASIC连接到同一个封装中，并因此形成(3D)堆栈。化学传感器阵列和ASIC可以利用2D被配置在不同的封装中并且被互连在同一衬底上。多种气体可以独立地被探测，可以关于与其相关联的感测层和特定参考层来有差别地(differentially)探测每种气体。
也可以利用2D技术将传感器阵列和ASIC提供在不同的封装中并且互连在同一衬底上。ASIC芯片还可以用于读取来自SAW传感器阵列的输出。对于这样的2D技术方法，衬底可以包括PCB和片上SAW/LAW传感器阵列以及ASIC，其中可以利用倒装芯片技术(即如果ASIC和石英传感器是未封装的)，或者表面安装技术(即如果石英传感器和ASIC是封装的)来将所述传感器阵列和ASIC安装在PCB上。
为了实现利用3D技术的感测装置，可以利用激光钻孔对石英晶片或者硅晶片进行钻孔，并填充金属以分别形成导电的通过石英的通孔(through-the-quartz-vias，TQV)和/或通过硅的通孔(through-the-silicon-vias，TSV)。TQV和TSV部件可进一步用来提供到SAW传感器阵列和ASIC的电连接。SAW/LAW传感器阵列的参考层可用来填充参考振荡器电路中的输入IDT和输出IDT之间的间隙。公共IDT可用来为两个延迟线产生声波，其中一个延迟线可以被配置成包含感测层，而另一个延迟线可以被配置成包含参考层。因此本公开的包含片上多个感测层和参考层的化学传感器可与ASIC芯片结合提供一种真正的差分气体感测应用和装置。
附图说明
附图进一步说明了实施例，并连同详细描述一起，用于解释此处公开的实施例，在附图中所有分离的视图中相同的参考标记指的相同或功能相似的元件，且将附图结合在说明书中并且形成说明书的一部分。
图1图解了现有技术的基于LAW的化学传感器的前视图；
图2图解了现有技术的基于SAW的化学传感器的前视图；
图3图解了现有技术的SAW/LAW化学传感器的示意图；
图4图解了对于有线应用的与参考层相关联的SAW/LAW化学传感器的示意图，可以根据优选实施例来实施该AW/LAW化学传感器；
图5图解了用于增强的差别化学探测的基于声波的有线化学传感器系统的示意图，可以根据优选实施例来实施该基于声波的有线化学传感器系统；
图6图解了基于声波的有线气体感测阵列的示意图，可以根据优选实施例来实施该基于声波的有线气体感测阵列；
图7图解了用于在晶片上沉积SAW/LAW化学传感器的功能层的直接印刷系统的框图，可以根据优选实施例来实施该直接印刷系统；
图8图解了具有在印刷电路板(PCB)上互连的SAW/LAW化学传感器和ASIC芯片的2D系统的示意图，可以根据可替换的实施例来实施该2D系统；
图9图解了3D SAW/LAW化学传感器阵列系统的示意图，可以根据优选实施例来实施该3D SAW/LAW化学传感器阵列系统；以及
图10根据优选实施例图解了说明利用3D技术制造SAW/LAW化学传感器阵列的方法的操作的详细的流程图。
具体实施方式
在这些非限定性的示例中讨论的特定值和配置是可变化的，并且仅仅是用来说明至少一个具体实施方式，并不打算限定其范围。
图4图解了对于有线应用的具有参考层450的SAW/LAW化学传感器400的示意图，其可以根据优选实施例来实施。SAW/LAW化学传感器400包括感测振荡器电路410，其中包括在其正反馈回路中具有感测SAW/LAW延迟线的RF放大器A1，上述电路410以频率F1振荡。上述SAW/LAW延迟线包括在输入IDT 420和输出IDT430之间的感测层460。感测层460可以被用于填充感测振荡器电路410的输入IDT 420和输出IDT 430之间的间隙。
SAW/LAW化学传感器400还包括参考振荡器电路490，其由具有参考SAW/LAW延迟线的RF放大器A2和在RF放大器A1的正反馈回路中的参考非感测层450组成，且上述电路490以频率F2(参考频率)振荡。上述参考SAW/LAW延迟线包括在参考振荡器电路490的输入IDT 440和输出IDT 470之间的参考层450。参考层450可用来填充输入IDT 440和输出IDT 470之间的间隙。参考层450具有与感测层460相似的黏弹性质，但是对要探测的气体不敏感。
参考(非感测)层450可以具有与感测层460相同的温度和湿度表现。参考层450可用来在SAW/LAW化学传感器400的感测振荡器电路410和参考振荡器电路490之间获得对称性。混合器495可用于执行频率F1和F2之间的频率减法。通过利用两个相同的放大器A1和A2以及在两个放大器A1和A2的反馈回路中的两个相同的SAW/LAW延迟线(除了在两个层的功能特性中的差异)可以获得差别测量结果。参考层450具有相同的黏弹性质和对温度与湿度相同的响应，但是对要探测的气体没有响应。
图5图解了对于有线应用的用于增强的差别化学探测的基于声波的化学传感器系统500的示意图，可以根据优选实施例来实施该基于声波的化学传感器系统500。注意从图4-9，通常利用相同的附图标记来指相同或者相似的部分。基于声波的化学传感器系统500包括功能层例如感测层460和参考层450，该功能层连同三个IDT430，420和470一起来提供增强的差别化学探测。传感器系统500利用功能层460和450和单一的公共IDT420来产生声波，并且该声波在+X方向和-X方向上都传播。IDT430和470可用来接收声波。
在用来产生信号F1和F2的放大器A1和A2的正反馈回路中，在+X方向和-X方向上传播的声波定位SAW/LAW延迟线。混合器495可用于执行频率F1和F2之间的频率减法。放大器A1和A2是良好配对(paired)的放大器，以使得A1和A2得到由电子设备的老化和温度相关性导致的相同的频率漂移。放大器A1和A2与混合器495一起可以进一步被集成在硅芯片820上(按照图8那样)或者硅芯片920上(按照图9那样)，从而为进一步的信号处理形成ASIC芯片。
图6图解了基于声波的有线气体感测阵列600的示意图，可以根据优选实施例来实施该基于声波的有线气体感测阵列600。气体感测阵列600包括两个专用的差别SAW/LAW化学传感器S1和S2，它们用于并行地探测两个气体输入。注意，这里所讨论的实施例通常涉及用于感测两种气体的传感器。但是，可以认识到，这样的实施例可以实施用来感测多种气体，对于每种气体利用专用的感测层和参考层。传感器S1包括感测层460和参考层450，它们可以结合在IDT430，420和470之间。
基于IDT 420所产生的声信号，传感器S1的放大器A1和A2可用来产生频率为F1和F2的电振荡，该声信号通过位于如此形成的两个振荡器(即包含放大器A1和IDT 420和430以及感测层460的一个感测振荡器，和包含放大器A2和IDT420和470以及参考层450的一个参考振荡器)的(正)反馈回路内的IDT 430和470转换回为电信号。混合器395可用来执行频率F1和F2之间的频率减法。相似地，传感器S2包括另外一个感测层660和一个参考层650，其可以结合在IDT630、620和670之间。传感器S1和S2可以一起形成传感器阵列，其中传感器阵列中的每一个传感器拥有自己的参考层和相关电路。以相似的方式，更多的差别传感器(S1、S2...Sn)可被定位在相同的芯片上，因此提供大的SAW/LAW化学传感器阵列配置。
基于IDT 620所产生的声信号，传感器S2的放大器A3和A4可用来产生频率为F3和F4的电振荡，该声信号通过位于如此形成的其他两个振荡器(即包含放大器A3和IDT620和630以及感测层660的一个感测振荡器，和包含放大器A4和IDT 620和670以及参考层650的一个参考振荡器)的反馈回路上的IDT630和670转换回为电信号。混合器695可用来执行频率F3和F4之间的频率减法。如图7所示，SAW/LAW化学传感器600的功能层是可选择的，并可利用直接印刷系统700来无掩膜沉积。化学传感器S1和S2的IDT、感测层和参考层可被放置在相同的压电芯片上(例如，片上SAW/LAW化学传感器阵列的实例)，同时混合器和放大器被放置在单独的芯片(ASIC)上，但是被一起封装在相同的(3D)堆栈中以形成3D集成感测系统900(如图9)。相似地，IDT、感测层和参考层可以被放置在相同的芯片上(从而形成片上SAW/LAW化学传感器阵列)，同时混合器和放大器被放置在单独ASIC芯片上，但是一起处于相同的表面衬底上以形成2D混合系统800(如图8)。
图7图解了根据优选实施例可以被用来将SAW/LAW化学传感器400、500和600的功能层450和460沉积到晶片770上的直接印刷系统700的框图。可使用直接印刷系统700来将一些感测层460放置在按照如图5的围绕SAW/LAW传感器系统500的放大器A1建立的感测振荡器电路的IDT 420和430之间，所有这些感测层被无掩膜沉积到石英晶片770上。相似地，多个参考层450可被放置在围绕A2型放大器建立的参考振荡器电路的IDT 420和470之间，所有这些参考层被无掩膜沉积到石英晶片770上。对于本公开的实施例，直接印刷系统700包括双头直接印刷系统，其中每种类型的液态溶液对于特定材料的液相利用其自身的分配系统来局部、选择和附加沉积。
每种溶液的同质(homogeneous)液相可以通过化学合成来制备。液相沉积之前可以清洁石英晶片770。输入气体G1通过第一雾化器模块710。输入气体G1进一步流过第一沉积材料(DM1)模块730来产生雾化的液态溶液。该雾化的液态溶液可以被用来利用在晶片770上的适当位置中的附加沉积通过第一喷嘴模块(NM1)720来在晶片770上产生多个参考层450。另一种输入气体G2可通过第二雾化器模块(AM2)740，以由第二沉积模块(DM2)760来处理以产生雾化液态溶液。
雾化的液态溶液可进一步被用来利用在晶片770上的适当位置中的附加沉积通过第二喷嘴模块(NM2)750来在晶片770上产生多个感测层460。其后，功能层450和460从液相到胶体相的转变可在表面上在液相沉积的最后完成。胶体层然后可以被干燥以用于从胶体层除去溶剂。胶体层可被加热固化以得到功能化的固态薄膜。
图8图解根据可替换的实施例的二维(2D)系统800的透视图，该二维(2D)系统800可结合前述的任何SAW/LAW化学传感器400、500和/或600连同被互连在印刷电路板840上的相应ASIC芯片810。为了简单起见，作为实例，图8的实例图解描述了SAW/LAW化学传感器400及其相关的ASIC(如图4所示)的使用。SAW/LAW化学传感器400和ASIC芯片810可被配置在不同的封装中，并且利用2D技术被互连在相同的衬底840上。可利用例如倒装芯片(flip-chip)和/或表面安装技术将传感器400和ASIC芯片810连接到衬底840。
包括有感测层460和参考层450的SAW/LAW化学传感器400可用于差别气体感测。SAW/LAW化学传感器装置400还可以用来根据SAW/LAW原理利用单个感测芯片探测一种或者多种气体，如图6所公开的那样。SAW/LAW化学传感器400可被配置成包括窗口820，其可用来在气体探测时允许周围气体进入感测层460。ASIC芯片810可用来读取SAW/LAW化学传感器400的输出。可以利用电连接830将ASIC芯片810和SAW/LAW化学传感器400互连在印刷电路板(PCB)840上。另外，可以认识到，传感器500或者600可以实现代替传感器400以配置可替换的实施例。
图9图解了三维(3D)SAW/LAW化学传感器系统900的示意性截面图，其中任何的SAW/LAW化学传感器400、500、600以及与其相关的ASIC芯片810(图9中未示出)都是利用通过石英和硅导电通孔电互连到3D片上，可以根据优选实施例来实施该三维(3D)SAW/LAW化学传感器系统900。作为实例，此处公开了用于图5的SAW/LAW化学系统500的3D片上系统互连技术。SAW/LAW晶片如石英晶片910可通过在石英晶片910背面制造(沉积金属层，或者电导材料)晶片级金属凸块(bump)如金属凸块965以用于三维技术处理。
作为通孔制造的实例，可在石英晶片910上执行激光钻孔来形成贯穿的石英孔，最后通过将金属填充到激光执行的孔中使之变成贯穿的石英导电通孔(TQV)940。覆盖晶片970可通过借助机械/激光钻孔或者化学蚀刻在覆盖晶片970和石英晶片910的将来(future)切割(dicing)的区域中制造50微米深的沟来处理以用于串行切割。所述尺寸的描述是为了清楚和特异性，而不能以任何限制的方式理解。其它的尺寸也是可能的。
然后，利用机械的或者激光钻孔或者化学蚀刻在覆盖晶片970上制造出孔980以允许周围进入SAW传感器500的感测层460和参考层450。然而，在不脱离本发明的范围的情况下其它类型的技术也可以用于钻孔。然后在SAW石英晶片910和覆盖晶片970之间使用液相玻璃熔块930执行晶片级接合。可选择地，通过此处公开的直接印刷方法在覆盖晶片上进行接合材料(例如玻璃熔块)的无掩膜液相沉积，然后进行接合玻璃的干燥和固化。
传统的通过丝网印刷的玻璃熔块的选择性沉积也可以用作相同目的的替换。然而，在不脱离本发明范围的情况下，其它类型的接合技术，像粘结接合也可以用来将覆盖晶片接合到石英晶片。SAW石英晶片910、玻璃熔块930和覆盖晶片970可以被维持为相同的热膨胀系数。通过在硅晶片920的背面制造(例如沉积金属层)晶片级金属凸块(例如，金属凸块960)来处理包括ASIC芯片810的硅晶片920，以用于3D封装。
可利用激光钻孔来钻孔硅晶片920，随后用金属填充通孔以形成用于电连接到ASIC 810的通过硅通孔(TSV)950。石英晶片910可与硅晶片920接合，以使得石英晶片910的金属凸块965与硅晶片的金属凸块960形成机械的和电的接触，其位于硅晶片两侧上。石英晶片910上具有多个注入头，每个注入头都被定位在适当的位置，如7所示，多个感测层460和参考层450利用直接印刷的方法通过适当的注入头被沉积在石英晶片910上。整个3D SAW化学传感器阵列900可以被分割成许多个(例如几百个)3D传感器芯片，其包含与电子设备相关联的传感器阵列。利用标准的倒装芯片技术，分割的3D传感器芯片900也可以进一步地接合到PCB上。
图10根据优选实施例图解了说明利用3D技术制造3D SAW/LAW化学传感器阵列系统的方法的操作1000的详细的流程图。注意这样的SAW/LAW传感器阵列可包括利用专用的感测层和专用的参考层来分别感测多种气体，并有差别地探测不同的气体，因此提供SAW/LAW传感器阵列，或者利用多芯片传感器阵列(其中阵列的每个独立的芯片只有一种类型的功能层，或者是感测层或者是参考层)，或者利用低基线漂移性质的片上实现(其中所有的感测层和参考层都被定位在相同的芯片上)。
一般来说，，如框1100所示，石英晶片910可以在三维技术的前端或者后端通过制造金属凸块来进行3D处理，该金属凸块例如在石英晶片910的背面的金属凸块965。如框1200所示，覆盖晶片970可通过借助机械/激光钻孔或者化学蚀刻在覆盖晶片970和石英晶片910的将来切割的区域中通过制造50微米深的沟来处理以用于串行切割(singulation)。
随后，在覆盖晶片970上穿孔980以提供到感测层460的通道。因此，如框1300所示，可在SAW石英晶片910和覆盖晶片970之间利用液相玻璃熔块执行晶片级接合，其在加热固化后形成玻璃熔块衬垫(spacer)930。如框1400所示，包括ASIC芯片810的硅晶片920可以通过在两侧上制造金属凸块例如硅晶片920背面的金属凸块960来在前端或者后端进行3D处理。
如框1500所示，硅晶片920和石英晶片910可以利用金属-金属接合965接合在一起。此后，如框1600所示，多个感测层460和参考层450可以如图7所示利用直接印刷方法沉积在石英层910上。如框1700所示，整个3DSAW化学传感器阵列系统900随后可被分割成许多(例如，几百个)包含与ASIC芯片810相关联的传感器阵列的3D传感器芯片。如框1800所示可以利用标准的倒装芯片技术将分割的3D传感器芯片900进一步接合到PCB芯片840上。公共IDT 420可用来产生声波，该声波可以被用于包含感测层460的延迟线和包含参考层450的延迟线二者。相似地，通过具有其感测层460和660以及其特定参考层450和650，两种气体可被单独地探测，每种气体可以被差别探测，如对于SAW/LAW化学传感器阵列600的情况。
可以认识到，上述公开的所有改变以及其它的特点和功能或者其替代可以期望地结合到许多其他不同的系统或应用中。同时，那些本领域技术人员可能随后进行的各种目前不能预期或想象的其替代、修正、改变或者改进也意图由下列的权利要求涵盖。

Claims (10)

1.一种低漂移的化学传感器阵列装置，包括：
包含有多个叉指换能器的多个SAW／LAW延迟线，其包括至少用于产生声波的公共叉指换能器和一对用于接收所述声波的叉指换能器，其中所述多个SAW／LAW延迟线中的每个延迟线包括在所述公共叉指换能器的每一侧上的一个感测层或者一个参考层，其中所述参考层和感测层是功能化的固态薄膜并且所述参考层具有与所述感测层相同的黏弹性质；以及
包括多个操作放大器的ASIC部件，其中在所述多个操作放大器中每个操作放大器包括正反馈回路，在所述正反馈回路中包含所述多个SAW／LAW延迟线中的一个SAW／LAW延迟线，并且所述ASIC部件还包括多个混合器，对于要从与所述低漂移的化学传感器阵列装置分别或同时接触的多种气体中探测出的每种气体，所述多个混合器中的每个混合器用来利用通过来自所述多个操作放大器中的两个操作放大器的频率相减的频率差来获得气体差别测量。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述多个操作放大器中的每一个操作放大器包含来自所述多个SAW／LAW延迟线中的在所述正反馈回路中的SAW／LAW延迟线，并且其中所述多个SAW／LAW延迟线中的每个SAW／LAW延迟线包括位于在所述多个SAW／LAW延迟线中的所述SAW／LAW延迟线的每两个叉指换能器之间形成的空间中的所述一个感测层或者所述一个参考层。
3.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个压电衬底用来利用与多个注入头相关联的直接印刷方法沉积所述至少一个感测层和所述至少一个参考层。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个参考层和所述至少一个感测层具有对于温度和湿度的相等响应，但是所述至少一个参考层对要探测的所述气体没有响应。
5.如权利要求1所述的装置，还包括SAW／LAW传感器阵列，其包括专用的感测层和专用的参考层，用于有差别地和独立地感测多种气体环境的每种气体，从而提供所述SAW／LAW传感器阵列。
6.一种低漂移的化学传感器阵列装置，包括：
多个SAW／LAW延迟线，其中所述多个SAW延迟线包括分离的叉指换能器，并且其中所述多个SAW／LAW延迟线中的每一个SAW／LAW延迟线包括位于两个分离的叉指换能器之间的空间、感测层或者参考层，其中所述参考层和感测层是功能化的固态薄膜并且所述参考层具有与所述感测层相同的黏弹性质；以及
ASIC芯片，其包括在芯片上集成的多个操作放大器，其中所述多个操作放大器中的每一个操作放大器包括关于所述多个SAW／LAW延迟线中的一个SAW／LAW延迟线的正反馈回路，并且其中所述ASIC部件还包括多个混合器，其中所述多个混合器中的每个混合器用来获得气体差别测量，其中要探测的每种气体经由所述多个混合器中的一个混合器提供的频率差来进行探测，该频率差通过相减来自所述多个操作放大器中的两个操作放大器的频率提供。
7.如权利要求6所述的装置，还包括感测层和参考层，其中每个所述层位于所述SAW／LAW延迟线的所述分离叉指换能器之间的所述空间中。
8.如权利要求6所述的装置，其中包含所述多个SAW／LAW延迟线的所述感测层的SAW／LAW延迟线和包含所述参考层的所述多个SAW／LAW延迟线中的SAW／LAW延迟线被定位在分离的芯片上。
9.一种用于化学传感器阵列的3D制造的方法，包括：
利用直接印刷将至少一个功能化的薄膜感测层和至少一个功能化的薄膜参考层精确沉积在衬底上的位置中以形成传感器阵列，其中所述至少一个参考层具有与所述至少一个感测层相同的黏弹性质，所述至少一个参考层不具有其感测特性；
通过金属-金属接合将ASIC芯片与所述衬底和所述至少一个感测层以及所述至少一个参考层通过至少一个导电通孔互连以在所述衬底和所述ASIC芯片之间提供机械的和电的接触；以及
配置覆盖以允许气体进入至少一个感测层和至少一个参考层以提供所述传感器阵列，所述传感器阵列包括所述至少一个感测层、所述至少一个参考层，以及所述ASIC芯片。
10.一种化学传感器阵列的2D制造的方法，所述方法包括：
利用2D技术连接在其不同封装中的化学传感器阵列和ASIC芯片；以及
将所述化学传感器阵列和所述ASIC芯片互连在衬底上，其中所述化学传感器阵列包括至少一个功能化的薄膜感测层和至少一个功能化的薄膜参考层，并且所述至少一个参考层具有与所述至少一个感测层相同的黏弹性质。
CN200910221480.3A 2008-09-09 2009-09-08 低漂移化学传感器阵列的方法和装置 Expired - Fee Related CN101710100B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/207,217 2008-09-09
US12/207217 2008-09-09
US12/207,217 US20100058834A1 (en) 2008-09-09 2008-09-09 Method and apparatus for low drift chemical sensor array

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101710100A CN101710100A (zh) 2010-05-19
CN101710100B true CN101710100B (zh) 2014-02-05

Family

ID=41171044

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200910221480.3A Expired - Fee Related CN101710100B (zh) 2008-09-09 2009-09-08 低漂移化学传感器阵列的方法和装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20100058834A1 (zh)
EP (1) EP2161572A3 (zh)
CN (1) CN101710100B (zh)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007145108A1 (ja) * 2006-06-16 2007-12-21 Murata Manufacturing Co., Ltd. 液中物質検出センサ
US8372674B2 (en) * 2008-02-01 2013-02-12 Honeywell International Inc. Method for chemical sensor fabrication and related sensor
KR101711204B1 (ko) * 2010-10-29 2017-03-13 삼성전자주식회사 단일입력 다중출력 표면탄성파 디바이스
US8479590B2 (en) 2010-11-18 2013-07-09 Honeywell International Inc. System for monitoring structural assets
US9329154B1 (en) * 2011-10-06 2016-05-03 Sandia Corporation Devices and methods to detect and quantify trace gases
KR101911437B1 (ko) * 2012-06-27 2018-10-24 삼성전자주식회사 Ｓａｗ 배열 센서
EP2762865A1 (en) * 2013-01-31 2014-08-06 Sensirion Holding AG Chemical sensor and method for manufacturing such a chemical sensor
JP6221136B2 (ja) * 2013-09-06 2017-11-01 日本無線株式会社 弾性表面波センサ
CN104902416B (zh) * 2015-04-28 2018-02-16 南京航空航天大学 一种多叉指并联型乐甫波器件结构及其批量液体检测方法
KR102385659B1 (ko) 2015-08-05 2022-04-14 삼성전자 주식회사 디스플레이장치 및 전원공급장치
SG10201509280YA (en) * 2015-11-11 2017-06-29 Singapore Univ Of Tech And Design Microfluidic particle manipulation
JP6604238B2 (ja) * 2016-03-03 2019-11-13 Ｔｄｋ株式会社 弾性波センサ
CN107966478A (zh) * 2016-10-19 2018-04-27 华邦电子股份有限公司 感测器阵列、其制造方法及感测方法
JP2020526776A (ja) * 2017-07-07 2020-08-31 アヴィアーナ モレキュラー テクノロジーズ，エルエルシー 遅延線コーディングを有する多重化表面弾性波センサ
DE102017122567B4 (de) * 2017-09-28 2020-02-13 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften leitfähiger oder dielektrischer Schichten
US10928905B2 (en) 2017-10-09 2021-02-23 TacSense, Inc. Body motion and position sensing, recognition and analytics from an array of wearable pressure sensors
CN109194302B (zh) * 2018-07-17 2022-03-18 中国科学院声学研究所 一种声表面波三换能器双端对谐振器
DE102022126980B3 (de) 2022-10-14 2024-03-21 Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e.V. (IFW Dresden e.V.) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften elektrisch leitfähiger oder dielektrischer Schichten in Schichtsystemen

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4361026A (en) * 1980-06-24 1982-11-30 Muller Richard S Method and apparatus for sensing fluids using surface acoustic waves
US4895017A (en) * 1989-01-23 1990-01-23 The Boeing Company Apparatus and method for early detection and identification of dilute chemical vapors
US5012668A (en) * 1989-08-22 1991-05-07 The Boeing Company Inclined electrode surface acoustic wave substance sensor
CN1677853A (zh) * 2004-03-30 2005-10-05 中国科学院声学研究所 用于气体传感器的声表面波振荡器系统
EP1775259A1 (en) * 2005-10-14 2007-04-18 STMicroelectronics S.r.l. Wafer level package for sensor devices
CN1987394A (zh) * 2005-12-23 2007-06-27 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 集成电路制造净室机构中的液体泄漏传感器的方法和系统
CN101135670A (zh) * 2007-10-12 2008-03-05 电子科技大学 一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4424773A1 (de) 1994-07-05 1996-01-11 Paul Drude Inst Fuer Festkoerp Fernmeßsystem
US6321588B1 (en) * 1998-09-11 2001-11-27 Femtometrics, Inc. Chemical sensor array
US7022517B1 (en) * 1999-07-16 2006-04-04 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for the delivery of samples to a chemical sensor array
WO2001055701A1 (en) * 2000-01-31 2001-08-02 Board Of Regents, The University Of Texas System System and method for the analysis of bodily fluids
US6378370B1 (en) * 2000-03-08 2002-04-30 Sensor Research & Development Corp. Temperature compensated surface-launched acoustic wave sensor
KR101127378B1 (ko) * 2000-10-16 2012-03-30 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 가스의 혼합물을 분석하는 방법 및 장치
US6849239B2 (en) * 2000-10-16 2005-02-01 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method and apparatus for analyzing mixtures of gases
WO2002061392A2 (en) * 2001-01-31 2002-08-08 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for the confinement of materials in a micromachined chemical sensor array
US6818117B2 (en) * 2001-03-09 2004-11-16 California Institute Of Technology Electrochemically directed self-assembly of monolayers on metal
TW591780B (en) * 2003-03-21 2004-06-11 Univ Nat Central Flip chip Au bump structure and method of manufacturing the same
US7204162B2 (en) * 2004-11-23 2007-04-17 Delphi Technologies, Inc. Capacitive strain gauge
TWI330461B (en) * 2006-01-12 2010-09-11 Ind Tech Res Inst Surface acoustic wave bio-chip

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4361026A (en) * 1980-06-24 1982-11-30 Muller Richard S Method and apparatus for sensing fluids using surface acoustic waves
US4895017A (en) * 1989-01-23 1990-01-23 The Boeing Company Apparatus and method for early detection and identification of dilute chemical vapors
US5012668A (en) * 1989-08-22 1991-05-07 The Boeing Company Inclined electrode surface acoustic wave substance sensor
CN1677853A (zh) * 2004-03-30 2005-10-05 中国科学院声学研究所 用于气体传感器的声表面波振荡器系统
EP1775259A1 (en) * 2005-10-14 2007-04-18 STMicroelectronics S.r.l. Wafer level package for sensor devices
CN1987394A (zh) * 2005-12-23 2007-06-27 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 集成电路制造净室机构中的液体泄漏传感器的方法和系统
CN101135670A (zh) * 2007-10-12 2008-03-05 电子科技大学 一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN101710100A (zh) 2010-05-19
US20100058834A1 (en) 2010-03-11
EP2161572A3 (en) 2013-04-03
EP2161572A2 (en) 2010-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101710100B (zh) 低漂移化学传感器阵列的方法和装置
CN105784189B (zh) 硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器及制备
CN107265389A (zh) 用于eWLB封装中的换能器的系统和方法
US9366651B2 (en) Array of sensors with surface modifications
CN100570356C (zh) 一种基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器
JP4757026B2 (ja) 加速度センサの特性調整方法
JP5421502B1 (ja) 検体センサおよび検体センシング方法
JPS626174B2 (zh)
CN102209890B (zh) 检测传感器、检测传感器的振子
US8467548B2 (en) Miniature micro-electromechanical system (MEMS) based directional sound sensor
US9857243B2 (en) Self-correcting chemical sensor
CN207491212U (zh) 多换能器模块和电子装置
EP2325630A2 (en) All-differential resonant nanosensor apparatus and method
WO2011156037A4 (en) Methods and apparatus for ultra-sensitive temperature detection using resonant devices
CN101326444A (zh) 微加工声波加速度计
TW201040518A (en) A gas sensor and method thereof
CN109155621A (zh) 压电封装集成的化学物种敏感的谐振装置
US8372674B2 (en) Method for chemical sensor fabrication and related sensor
Shanmugam et al. Broad bandwidth air-coupled micromachined ultrasonic transducers for gas sensing
CN2938088Y (zh) 一种用于极微小质量测量的微质量传感器
CN103917866A (zh) 弹性表面波传感器
KR101529169B1 (ko) Ｓａｗ 센서 디바이스
US20040093947A1 (en) Micromechanic sensor element, electric circuit and sensor array comprising a plurality of micromechanic sensor elements
CN100495008C (zh) 压电体声波传感器无源式阵列及其生物芯片
Cole et al. Development of smart tongue devices for measurement of liquid properties

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140205

Termination date: 20190908

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee