CN101975805B - 光电型生化量半导体传感器的封装探头 - Google Patents

Abstract

光电型生化量半导体传感器的封装探头，属于半导体生化传感器中器件封装领域。本发明以机械加工、电路版制作、以及注塑工艺为技术基础，提出了可满足光电型生化量传感器对光照、电气连接、液态环境工作三方面要求的封装探头。光电型生化量半导体传感器的封装探头，由芯片基座、储液装置两部分构成。芯片基座的上部为敏感探头，中部设有中部平台，下部设有光源插孔。敏感探头上表面设有传感器芯片插接孔，内部设有导电通孔。中部平台设有可延展支架、电极固定穿孔、排线插接孔、Cu布线层等。储液装置包括储液装置主体、弹性密封胶圈和紧固套环。储液装置主体的上部设有两个电极固定穿孔和一个光源插孔，内部为储液腔，底部设有接触窗口，侧壁设有进液通孔和出液通孔。

Description

光电型生化量半导体传感器的封装探头

【技术领域】本发明属于半导体传感器的封装设计领域。

【背景技术】本发明的理论基础为半导体光电效应，光电型生化量半导体传感器的工作原理，电化学测试技术。

1、工作原理简介

光电型生化量半导体传感器是一种以半导体器件光电转换机制为基础的生化敏感器件。被测生化响应过程通过对半导体表面(或体内)空间电荷区电场的调制，与光电转换机制相耦合，从而使输出信号与被测生化量相关。

首先，光电转换机制是指半导体材料在特定光源照射下，产生光生电子空穴对；扩散至空间电荷区的光生电子空穴对，受该区域内电场的作用，在空间电荷区两侧累积，形成对空间电荷区的充电效应；当光照停止时，积累在空间电荷区的光生空穴/电子，通过复合等方式被空间电荷区释放，形成放电效应。当用光强被调制的交变光源照射半导体器件时，将形成交变的输出信号，称之光电流或光电压。在光源等其它条件都不变的情况下，该信号由空间电荷区电场决定。

其次，空间电荷区主要有表面和体内两种，表面空间电荷区主要存在于具有“绝缘层-半导体”结构的器件之中，例体内如光寻址电位传感器(Light Addressable Potensiometric Sensor，LAPS)^[1]；体内空间电荷区主要存在于PN结、异质结等结构中，例如基于埋沟电荷耦合器件(BCCD)的光激发场寻址半导体传感器^[2]、以及近期出现的基于CdSe/ZnS纳米颗粒的pH传感器^[3]。空间电荷区电场强度的大小与器件的材料、外加偏置电压、传感器敏感区域的表面电荷量有关。

最后，为实现对生化量的测量，特定的生化量敏感膜固定于空间电荷区的某一侧，敏感膜与被测生化量反应前后，将产生表面电荷量或电势的变化，在外加偏置电压一定的情况下，形成对空间电荷区电场的调制；在光源也一定的情况下，反应前后空间电荷区电场的变化，将引起输出信号的改变，从而实现对生化量的测量。

2、常用测试系统

图1为光电型生化量半导体传感器的常用二电极或三电极测试体系，包括参比电极1、光电型生化量半导体传感器芯片2(又称工作电极，或研究电极)、辅助电极3(又称对电极)，该电极体系与测控设备4构成检测回路，光源5可从工作电极2的正面(与被测溶液6的接触面)或背面两个方向照射。常用的工作方式有：恒压模式或恒流模式^[4，5]，近期又出现了恒相位模式^[6]。其中参比电极1为测量提供稳定的偏置电压，需具有稳定的、已知的电极电位，常采用Ag/Agcl电极、甘汞电极等；辅助电极3用来通过电流，应具有较大的表面积，常采用铂黑电极，对于二电极体系，可不使用。

恒电压模式是指，保持参比电极1的电位保持不变，测量传感器芯片2的光电流变化；恒电流模式是指，保持传感器芯片2的光电流保持不变，测量参比电极1的电位变化；恒相位模式是指，保持光电流与光源5之间的相位差保持不变，测量参比电极1的电位变化。

从现有文献报道来看，无论那种工作方式，传感器芯片2、参比电极1、辅助电极3(对于二电极体系，可不使用)、光源5、被测溶液6所构成的测试电极体系7基本保持不变。

3、本发明的提出

以LAPS为代表的光电型生化量半导体传感器，在pH值图像传感^[4]、细胞监测/检测^[7，8]，电子鼻^[9]、电子舌^[10]等领域中的研究，显示出此类器件在生化及其相关领域中具有广泛的市场应用前景。但作为半导体器件，此类敏感器件与基于金属丝或细金属棒的传统电化学电极不同，为将其纳入液态环境中的电极体系，同时又要满足光照、以及传感器正常电气连接的要求，器件的封装设计是将光电型生化量半导体传感器推向市场的关键环节。检索文献发现，有关于光电型生化量半导体传感器封装设计的文献或专利如下：

1)“LAPS Card”-A novel chip card-based light-addressable potentiometric sensor，Sensors andActuators B118：33(2006)

2)BIOSENSOR AND BIOSENSOR MEASURING DEVICE AND METHOD，国际公开号：WO2005/075979A1

3)“All-in-one”solid-state device based on a light-addressable potentiometric sensor platform，Sensors and Actuators，B117：472(2006)

4)Development ofa handheld16channel pen-type LAPS for electrochemical sensing，Sensorsand Actuators，B108：808-814(2005)

5)Portable light-addressable potentiometric sensor(LAPS)for multisensor applications[J].Sensors and Actuators，B95：352(2003)

其中，1)、2)为卡片式封装结构，3)、4)、5)为笔式封装结构。笔式封装，具有便携的优点，但光源及部分测控电路被固定于封装体内，整体体积较大，且只能采用背面照射的方式；使用时需要将其插入被测溶液中，适用于被测溶液量较多的情况。卡片式封装结构中，只考虑了作为工作电极的半导体传感器芯片2，未涉及测试电极体系7中的其它部分。

为满足光电型生化量半导体传感器不同工作方式、光照方式、多种测量环境的要求，提出了光电型生化量半导体传感器的封装探头，这一发明专利。

【发明内容】

光电型生化量半导体传感器的封装探头，属于半导体生化传感器中器件封装领域。本发明以机械加工、电路板制作、以及注塑工艺为技术基础，提出了可满足光电型生化量传感器对光照、电气连接、液态环境工作三方面要求的封装设计。

光电型生化量半导体传感器的封装探头，包括芯片基座、电路板、储液装置，紧固套环四部分，依次为传感器芯片插接器、导电通孔、中部平台、电极固定穿孔、可延展支架、电路板、背面/正面光源插孔，光通道、进液/出液通孔、储液腔、紧固套环卡、接触窗口，其特征是：电路板与芯片基座的中部平台底面绝缘粘接，电路板的粘接方式为排线插接器及单孔插接器均开孔方向朝下，每个导电通孔的两端均分别与传感器芯片插接器和电路板内的Cu布线层电气相连，光通道贯穿于芯片基座，上端开口于敏感探头，下端与背面光源插孔相连，中部平台是芯片基座的凸出部分，可延展支架设置于中部平台侧面，延展方式为抽拉式，分别在芯片基座的中部平台和储液装置上部各设置两个电极固定穿孔，紧固套环可由储液装置的上部套入，并与储液装置底部的紧固套环卡挂接，紧固套环的下端内壁设有内壁螺纹，芯片基座的敏感探头的外壁设有外壁螺纹，二者可以螺纹方式连接。

图2、图3、图4、图5为本发明提出的：光电型生化量半导体传感器的封装探头。利用敏感探头9内部的导电通孔，将传感器芯片2的电信号转移至中部平台14底部，使其远离被测液态环境；分别在芯片基座底部和储液装置的顶部，设置了背面光源插孔16-B、正面光源插孔16-F，满足背面光照和正面光照的要求。下面将从电气连接、光照方式、封装体形状等方面，对本发明设计进行说明：

1)为保证测试电极体系与外部测控设备间的正常电气连接，需对电极及相关引线进行布局。

首先，半导体传感器通常具有多个敏感单元，因此传感器芯片2通常具有多个引脚，若采用传统电化学电极中普通导线的连接方式，容易产生较大的噪声、信号干扰或衰减，也不便于操作。为此本发明设计利用现代电路板制作技术，在敏感探头9的上表面设置了传感器芯片插接器10，其布局和数量可根据传感器芯片2的引脚规格灵活设计，传感器芯片插接器10底部均与导电通孔11电气相连。

其次，中部平台14的下表面与电路板33背面绝缘粘结，电路板33由电路板基板18、单孔插接器19、Cu布线层20、排线插接器21、焊接孔34、背面光源插孔的预留穿孔16-1构成。其中，焊接孔34的焊点、排线插接器21和单孔插接器19均设在电路板的正面，焊接孔34实现导电通孔11与Cu布线层20电气相连，每个单孔插接器19、排线插接器21也均与Cu布线层20电气相连。排线插接器21中孔的数量，可根据实际情况确定。

最后，传感器芯片2插接在传感器芯片插接器10上，参比电极1、辅助电极3的外接端子插接在单孔插接器9上，柔性排线31一端插接在排线插接器21上，另一端与测控设备4的电气连接。

2)分别在芯片基座8下部和储液装置30顶部，设有光源固定位置：背面光源插孔16-B、正面光源插孔16-F。(外壁螺纹17用于光源5的紧固)。芯片基座8内部还设计了光通道12，光通道12上端开口于敏感探头9，下端与背面光源插孔16-B连通。光通道的结构，可根据传感器芯片2的要求，灵活设计。如只需一个光源，则光通道16可设计为一个单一通道；如需要光源阵列，则光通道16可设计为阵列形式；如需要对光源进行聚焦，或将点光源转化为平行光束，还可在光通道内设置光学元件；等等。

3)储液装置30与芯片基座8的连接：储液装置30下部设有接触窗口25，其内径由传感器芯片2决定，敏感探头9与接触窗口25对准，且其间设有弹性密封胶圈26，以紧固套环28加固。紧固套环28的上部内径应大于储液装置30上部圆柱的外径，且小于储液装置30底部套环卡24外径，紧固套环28下部内径大于储液装置30底部套环卡24外径，且等于敏感探头9外径。紧固套环28由储液装置30上部套入后，二者挂接；紧固套环28下部内壁设有内壁螺纹29可与敏感探头9下部的外壁螺纹17以螺纹方式连接；在螺纹咬合、旋转过程中，弹性密封胶圈26逐步压紧、压实，起到了防止储液腔22中液体流出的作用。

4)芯片基座9具有凸出的平台——中部平台14，中部平台14设有抽拉式可延展支架15，可为测试系统提供有效的支撑，避免当敏感探头9插入被测溶液时，液态测量环境对中部平台14下表面的电气连接部分造成影响。

5)电极的机械固定，中部平台14、储液装置30顶部，分别设有电极固定穿孔13-1、13-2，用于参比电极1、辅助电极3的机械固定。

6)芯片基座8的制备，导电通孔11具有很高的深宽比，一般通孔填充技术很难实现，为此以注塑工艺、电路板制作和机械加工为技术基础，为芯片基座8提供如下制备方案：

第一步，采用注塑工艺制作带有导电通孔11、光通道12的芯片基座毛坯32；

第二步，按照芯片基座8的设计对芯片基座毛坯32进行机械加工，与此同时，制作电路板33；

第三步，将背面光源插孔16-B从电路板33的背面光源插孔的预留穿孔16-1中穿过，导电通孔11穿过焊接孔34并焊接在焊点上，将中部平台14底部与电路板33背面绝缘粘结。

7)材料及元配件的选择：芯片基座8、储液装置30的主体材料应选择绝缘、防潮、避光、惰性强、且易于加工成形的材料，如聚四氟乙烯、环氧树脂等；传感器芯片插接器10、排线插接器21、柔性排线31等电气连接器件，应选择具有抗电磁干扰性能的元件；弹性密封胶圈26，应选择弹性好、惰性强、绝缘、防潮类材料。

本发明的优点和积极效果：

1)：传感器芯片、参比电极、辅助电极的电气连接，以及光照通路，被集成于本发明所提出的封装体内，构成光电型生化量半导体传感器所需测试电极体系，所需电路图形采用印制技术制作在芯片基座底部下表面，利用凸出的中部平台和可延展支架，在电气连接的同时，实现与被测液态环境的隔离；最后，采用柔性排线连接方式，实现电极体系内控制信号、响应信号与测控设备的连接，有利于提高信号传输能力、减少噪声、提高抗干扰性能。

2)：本发明所提出的封装探头，可满足正面和背面两种光照方式。对比卡式LAPS和笔式LAPS，前者还需其它装置才能正常使用，后者则只能满足背面光照的要求。本发明所提出的封装探头不仅解决了光照方式、电气连接等的问题，而且具有较好的独立性。

3)：传感器芯片、参比电极、辅助电极、以及光源，采用插接、螺纹紧固的方式与封装体相连，这不同于笔式LAPS。优点在于，可灵活地更换器件、改变光照方式和使用方法，封装体也可反复多次使用，有利于降低成本。

【附图说明】：

图1为光电型生化量半导体传感器测试系统。

图2为芯片基座整体结构示意图。

图3为中部平台底面的电路板示意图。

图4为储液装置结构及弹性密封胶圈示意图。

图5为紧固套环结构示意图。

图6为使用方法一示意图。

图7为使用方法二示意图。

图8为芯片基座毛坯示意图。

其中1：参比电极；2：工作电极；3：辅助电极；4：测控设备；5：光源；6：被测溶液；7：测试电极体系；8：芯片基座；9：敏感探头；10：传感器芯片插接器；11：导电通孔；12：光通道；13-1：芯片基座上的电极固定穿孔；13-2：储液装置上的电极固定穿孔；14：中部平台；15：可延展支架；16-B：背面光源插孔；16-F：正面光源插孔；16-1：背面光源插孔的预留穿孔；17：外壁螺纹；18：电路板基板；19：单孔插接器；20：Cu布线层；21：排线插接器；22：储液腔；23：进液通孔；24：套环卡；25：接触窗口；26：弹性密封胶圈；27：出液通孔；28：紧固套环；29：内壁螺纹；30：储液装置；31：柔性排线；32：芯片基座毛坯；33：电路板；34：焊接孔。

【具体实施方式】

实施例1

为本封装探头提供两种使用方法：

使用方法一：被测溶液量充足时，可单独使用芯片基座8。将传感器芯片2插接在敏感探头9表面的传感器芯片插接器10内，并使用环氧树脂类防水、绝缘材料填充缝隙，参比电极1、辅助电极3固定在芯片基座上的电极固定穿孔13-1内、光源5固定在背面光源插孔16-B内，最后将组装好的芯片基座8倒置在被测溶液6中。

使用方法二：被测溶液量较少时，可将芯片基座8、储液装置30组装使用。首先将将传感器芯片2插接在敏感探头9表面的传感器芯片插接器10内，并使用环氧树脂类防水、绝缘材料填充缝隙；然后利用紧固套环28将芯片基座8与储液装置30、弹性密封胶圈26，形成密闭的测试环境；参比电极1、辅助电极3固定在储液装置上的电极固定穿孔13-2内；光源5既可固定在正面光源插孔16-F内，也可固定在背面光源插孔16-B内。

【参考文献】

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Claims (1)

1.光电型生化量半导体传感器的封装探头，包括芯片基座、电路板、储液装置，紧固套环四部分；其特征为，芯片基座包括传感器芯片插接器、导电通孔、外壁螺纹、中部平台、电极固定穿孔、可延展支架、光通道、背面光源插孔；电路板包括排线插接器、单孔插接器、焊接孔、背面光源插孔的预留穿孔；储液装置包括正面光源插孔、电极固定穿孔、储液腔、进液/出液通孔、接触窗口、弹性密封胶圈；紧固套环包括紧固套环卡、内壁螺纹；其中，光通道贯穿于芯片基座，上端开口于敏感探头，下端与背面光源插孔相连，中部平台是芯片基座的凸出部分，可延展支架设置于中部平台侧面，延展方式为抽拉式；电路板上焊接孔的焊点、排线插接器和单孔插接器均设在电路板的正面，电路板背面与中部平台的底面绝缘粘结，每个导电通孔的两端均分别与传感器芯片插接器和电路板内的Cu布线层电气相连；紧固套环由储液装置的上部套入，并与储液装置底部的紧固套环卡挂接，紧固套环的下端内壁设有内壁螺纹，芯片基座上部设有外壁螺纹，二者以螺纹方式连接；芯片基座的制备方法为，第一步，采用注塑工艺制作带有导电通孔、光通道的芯片基座毛坯，第二步，对芯片基座毛坯进行机械加工，与此同时，制作电路板，第三步，将背面光源插孔从背面光源插孔的预留穿孔中穿过，导电通孔穿过焊接孔并焊接在焊点上，中部平台底部与电路板背面绝缘粘结。