CN103698369B - 化学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了化学传感器。在具有多个传感器单元（11）的化学传感器（1）的制造方法中，提供基板（5），并且，向基板（5）施加用于防止要被施加到基板（5）的区域上以用于构建传感器单元（11）的敏感膜（7）的敏感材料（9）从所述区域扩展出的扩展抑制体。提供敏感材料（9），以及通过无接触地向所述区域分配敏感材料（9）来构建敏感膜（7）。
Description
技术领域
本发明涉及化学传感器和化学传感器的制造方法。
背景技术
化学传感器执行供给到化学传感器的气体或者可能流体中包含的也称为分析物的化学物质或化合物的检测。
在应通过化学传感器检测多种不同的分析物的情况下，化学传感器可包含多个传感器单元，每一传感器单元被设计用于检测目标分析物中的一种或更多种。
发明内容
希望提供一种导致高品质的和可靠的化学传感器的化学传感器的制造方法以及这种高品质的和可靠的化学传感器。
通过提供具有多个传感器单元的化学传感器的制造方法解决了该问题。根据该方法，提供基板，并且向基板施加扩展抑制体（expansion inhibitor），用于防止要被施加到基板上的区域以用于构建传感器单元的敏感膜的敏感材料从所述区域扩展出的。提供敏感材料，并且通过无接触地向所述区域分配敏感材料来构建敏感膜。
该方法的优选实施例可包括以下特征中的一个或更多个：
－以液相向所述区域分配敏感材料；
－施加扩展抑制体包含在所述区域的边缘施加用于防止要被施加到所述区域的敏感材料从所述区域漏出的阻隔物（barrier）；
－阻隔物包含在所述区域周围从基板突出的缘部；
－阻隔物包含基板中的在所述区域周围的凹陷；
－施加扩展抑制体包含处理基板的表面，以用于在所述区域中提供第一表面能量并用于在所述区域外面提供第二表面能量，该第二表面能量小于第一表面能量,用于使得所述区域成为敏感材料的优选润湿区域。
－基板的该表面提供第一表面能量，并且，在所述区域外面，基板的该表面被提供第二表面能量的涂层覆盖；
－基板的该表面提供第二表面能量，并且，在所述区域中，基板的该表面被提供第一表面能量的涂层覆盖；
－施加扩展抑制体包含向所述区域施加粘接膜，该粘接膜用于使要被施加到所述区域的敏感材料粘接于该粘接膜；
－向基板施加用于防止要被施加到基板上的多个区域以用于构建多个传感器单元的敏感膜的敏感材料从所述多个区域扩展出的扩展抑制体，并且通过无接触地向所述多个区域分配敏感材料来构建敏感膜；
－所述多个区域中的至少两个相邻区域共享分派给所述至少两个相邻区域的扩展抑制体的公共部件（common component）；
－公共部件包含在所述至少两个相邻区域之间施加的公共阻隔物、该公共阻隔物用于防止分配到所述至少两个相邻区域中的第一区域的敏感材料漏出到所述至少两个相邻区域中的第二区域中以及用于防止分配到所述至少两个相邻区域中的第二区域的敏感材料漏出到所述至少两个相邻区域中的第一区域中；
－敏感材料被喷射分配到基板上的所述区域；
－敏感材料的限定部分被喷射分配到基板上的所述区域；
－敏感材料被喷墨印刷到基板上的所述区域；
－敏感材料同时被喷墨印刷到基板上的多个区域，并优选被同时喷墨印刷于基板上的所有区域；
－敏感材料通过印刷头的多个喷嘴被同时喷墨印刷到基板上的所述多个区域；
－敏感材料通过印刷头的第一喷嘴以第一组成被施加到多个区域中的第一区域，并且通过印刷头的第二喷嘴以第二组成被施加到多个区域中的第二区域；
－第一组成的敏感材料和第二组成的敏感材料分别通过第一和第二喷嘴被同时施加；
－敏感材料包含金属氧化物纳米粒子；
－敏感材料包含聚合物材料；
－施加扩展抑制体包含向基板施加电极图案，特别是向基板施加限定所述区域的电极图案；
－化学传感器是包含金属氧化物半导体材料的化学抗性传感器；
－基板在第一区域中具有第一厚度，并在第二区域中具有第二厚度，其中，第一厚度比第二厚度小，并且所述区域被布置于第一区域中，使得所述敏感材料被分配于所述第一区域中。
还通过提供一种具有多个传感器单元的多个化学传感器的制造方法来解决问题。根据该方法，提供晶片，并且向晶片施加扩展抑制体，用于防止要被施加到晶片上的多个区域以用于构建化学传感器的多个传感器单元的敏感膜的敏感材料从所述多个区域扩展出。提供敏感材料，并且通过无接触地向所述多个区域分配敏感材料，构建敏感膜。晶片被分离成化学传感器。
还通过提供一种具有多个传感器单元的化学传感器来解决问题。化学传感器包含基板。多个传感器单元的每一传感器单元包含：由敏感材料构建并且覆盖基板上的区域的敏感膜；和用于防止敏感材料在正被施加时从所述区域扩展出的扩展抑制体。
在化学传感器的优选实施例中，被敏感膜覆盖的区域的尺寸小于50μm×50μm。在化学传感器的另一优选实施例中，基板包含具有第一厚度的第一区域和具有超过第一厚度的第二厚度的第二区域，其中，被敏感膜覆盖的区域被布置于第一区域中。在另一优选实施例中，电子电路被集成到基板中。
在从属权利要求中以及在以下的说明书中列出其它的有利的实施例。
描述的实施例类似地涉及传感器和方法。尽管它们可能没有被详细描述，但是通过实施例的不同的组合可产生协作效果。
附图说明
以上限定的实施例以及本发明的其它方面、特征和优点也可从以下描述的实施例的例子导出，并且参照附图被解释。在附图中，
图1是根据本发明的实施例的示意性传感器芯片的顶视图；
图2是根据图1的传感器芯片的化学传感器的顶视图，下面是沿线A-A′的剖面图；
图3是根据本发明的另一实施例的化学传感器的顶视图，下面是沿线A-A′的剖面图；
图4是示出根据本发明的实施例的化学传感器的制造的示意性剖面图；
图5是示出根据本发明的另一实施例的化学传感器的制造的示意性剖面图；
图6是根据本发明的另一实施例的化学传感器的顶视图，下面是沿线A-A′的剖面图；
图7是包含根据本发明的实施例的化学传感器的晶片的断面的顶视图；
图8是图1的传感器芯片的化学传感器断面的剖面图；
图9是图6的传感器的传感器单元的更详细的剖面图；
图10是根据本发明的另一实施例的化学传感器的传感器单元的三个不同设计的顶视图。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，化学传感器可包括由对于一种或更多种分析物敏感的材料制成的至少一个敏感膜。化学传感器优选体现为包括一组传感器单元的传感器阵列，其中，每一传感器单元可包含这种敏感膜。传感器单元可被理解为可被单独地读取的化学传感器的实体。优选地，在传感器阵列的实施例中，敏感膜中的每一个或至少一些对于不同的分析物敏感。因此，这些敏感膜可由不同组成的敏感材料构建。相应的敏感膜可在单元之间表现不同的敏感性，使得传感器阵列的各单元可主要对于特定的分析物敏感，因而可允许检测这种分析物的有无或浓度。在本文中，“主要”应指的是传感器单元对目标分析物比对其它的分析物更敏感。优选地，在传感器单元的这种阵列中，敏感膜不相互接触。化学传感器执行被供给到化学传感器的气体或者可能流体中包含的化学物质或化合物－统称为分析物－的检测。这种分析物可包含例如CO2、NOX、乙醇、CO、臭氧、氨、甲醛或二甲苯中的一个或更多个，这没有限制。
化学传感器可包含例如膜的形式的敏感材料，分析物可与该敏感材料交互作用。作为结果，传感器材料的诸如其导电率的电气性能可在交互作用时改变，其原理优选被应用于金属氧化物化学传感器，或者，传感器材料的诸如例如其透射率的光学性能会改变。然后，分析物和传感器材料的组合的电气性能或光学性能被测量，并且允许诸如通过与在不存在分析物的情况下测量的传感器材料的性能相比较来得到关于分析物的结论。
具体而言，敏感膜可包含金属氧化物材料，特别是半导体特性金属氧化物材料，并且特别地可按敏感膜包含不同组成的金属氧化物材料。这种金属氧化物材料一般可包含锡氧化物、锌氧化物、钛氧化物、钨氧化物、铟氧化物和镓氧化物中的一种或更多种。这种金属氧化物可被用于检测诸如VOC、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨或硫化氢的分析物。金属氧化物传感器基于如下概念，即气态分析物在高于100℃、并且特别是250℃～350℃的范围的敏感层的高温下与金属氧化物层交互作用。作为催化反应的结果，敏感膜的导电性可改变，这种改变可被测量。由此，出于分析物的化学性能在敏感膜的高温下被转换成电阻的原因，这种化学传感器也被称为高温化学电阻器。在具有多个传感器单元的金属氧化物化学传感器中，所有的敏感膜可通过共同的加热器被加热，或者，各敏感膜可通过单独的加热器被加热。
但是，作为替代，化学传感器可基于不作为限制的以下的测量原理中的一种：化学机械原理，其中，例如，吸收时的质量变化被转换成表面声波或者悬臂共振的频率的偏移。作为替代方案，可能存在例如通过使用催化燃烧传感器（pellistor）被应用的热感测概念，该催化燃烧传感器可用作在其中在燃烧期间产生或消耗热的催化热传感器。作为替代方案，化学传感器可依赖于光学检测，诸如为显微分光计或NDIR的形式，或者可利用诸如通过与伏特安培、电势测量或电导测量原理相组合的固态电解质被启用的电化学反应。在另一实施例中，分析物的结合能可被确定并允许推导分析物的有无。
优选地，通过这种化学传感器，可至少关于传感器对于其敏感的目标分析物的有无来研究气体。由此，可通过化学传感器关于在被供给到化学传感器的气体中是否存在化学传感器对其敏感的化学物质以及存在其中的哪些来分析供给的气体。可对于一定的气味或者对于一定的气体来建议在供给的气体中检测的分析物的组合。总是关于有多少不同的分析物和/或分析物的多少不同的性能化学传感器对其敏感来设计化学传感器。注意，对于化学传感器对其敏感的不同的分析物，不需要总是对于每一分析物测量相同的性能。可对于不同的分析物测量不同的性能。
在本发明的上下文中，基板应包括将敏感材料的悬浮液或溶液分配至的任何平台。基板可以是半导体、玻璃或陶瓷基板或聚合物基板（特别是例如柔性聚合物基板）中的一个。但是，基板也可包含例如通过CMOS工艺而实现的沉积于半导体基板上的一个或更多个层，敏感膜最终布置在这些层上。术语基板连同单个传感器芯片一起被使用，而晶片构成由其构建多个传感器芯片的公共基板。
基板的区域被指定为接纳用于最终形成敏感膜的敏感材料。鉴于传感器芯片的小型化，希望使被敏感材料覆盖的基板的/上的区域最小化。在多传感器单元的情况下，鉴于节省空间的考虑，希望这些多个传感器单元的敏感膜被相互接近地布置。用于构建敏感膜的区域可预先被限定为基板上的专用区域。为了节省基板上的空间，优选地限制（confine）该/这些区域。由此，优选地设置防止要分配于指定区域的敏感材料从该区域漏出或者换句话说扩展出或者从该区域溢出的扩展抑制体。
扩展抑制体可包含例如用于通过阻挡敏感材料沿向专用区域外面的方向流动来停止敏感材料的扩展的阻隔物。例如，这种阻隔物可包含从基板出现的缘部，该缘部阻挡敏感材料的扩展。缘部可例如通过光刻处理被添加到基板，或者可形成为基板的一部分。虽然这种缘部典型地表示突出的阻隔物，但是，考虑到当敏感材料遇到凹陷的下降边缘时表面张力可防止敏感材料进入凹陷，基板中的凹陷也可用作阻隔物。
阻隔物典型地可被布置在区域的周围，即，布置于区域的边缘，并且优选地包围该区域，因而限制区域在基板上的横向扩展。被限制区域中的用于接纳敏感材料的凹地也应被归入到扩展抑制体中。
在另一实施例中，可向基板的要构建敏感膜的区域施加粘接膜。这种粘接膜可用作扩展抑制体，并且，例如，可包含氧化物或氮化物，诸如硅氧化物、硅氮化物、铝氧化物、钛氧化物或钽氧化物（tantal oxid）。在另一实施例中，粘接膜可包含硅烷。在又一实施例中，粘接膜可包含聚合物材料，诸如聚酰亚胺或聚酰胺。在另一步骤中，敏感材料可被施加到粘接膜并且粘接于该粘接膜，而不才从粘接膜的边缘溢出。在本实施例和其它的实施例中，优选地，仅向各区域供给敏感材料的限定部分，该部分可被预先限定。
在另一实施例中，基板的表面被处理/构图以使得所述区域中的表面提供第一表面能量，而所述区域之外的区域－以及在用于在其上构建多个敏感膜的多个区域的情况下在所述区域之间的区域－提供第二表面能量，该第二表面能量比第一表面能量小，用于使得所述区域成为敏感材料的优选润湿区域。
由此，在本实施例中，基板的表面被构图为使得在所述区域中产生较高/第一表面能量，并在所述区域之外产生较低/第二表面能量。这导致正以液相分配到基板的敏感材料优选润湿较高/第一表面能量的所述区域。在液相敏感材料尝试扩展到所述区域的周围的情况下，由于与所述区域中的较高/第一表面能量相比不易于润湿的较低/第二表面能量，因此该材料将被排斥。由此，液相敏感材料将限于第一表面能量的所述区域。
例如，所述区域可被亲水涂层涂敷，而所述区域外面的区域由于被施加了疏水性质的涂层而具有疏水性质。
由此，基板的表面的允许被敏感溶液润湿的性质在所述区域与所述区域外面的区域（并且特别是紧挨着所述区域周围的区域）之间是不同的。
在一个实施例中，在所述区域中，可通过例如等离子构造来处理基板的表面。要以这种方式被处理的基板的表面优选地是基板的氧化物层或氮化物层。为了化学构造目标区域，在一个实施例中可向这种区域施加硅烷，特别地是六甲基二硅氮烷（hexamethyldisilazan）或辛基三氯硅烷（octyltrichlorsilan）。
虽然以上的实施例可被概括为首先例如通过设置包含这种第二表面能量的涂层在整个基板上提供包含第二表面能量的基板表面，然后在所述区域中施加包含第一表面能量的涂层或者以其它方式将所述区域处理为展现第一表面能量，但是，在替代性实施例中，可例如通过设置包含这种第一表面能量的涂层在整个基板上提供包含第一表面能量的基板表面，并且随后可向外面的区域施加包含第二表面能量的涂层。
通过这种表面能量处理，液相材料被限于所述区域并且可在所述希望的位置变干。
在另一实施例中，扩展抑制体可以是布置于基板上的电极图案。这种电极图案可代表影响分配到基板表面的液体敏感材料的扩展的基板表面的修改。优选地，电极图案提供了实质上限定用于敏感材料的区域的电极区段。由此，优选地，电极图案代表如下结构，该结构的外边界大致为方形、圆形或其它形状，在该边界内驻留或者没有驻留其它电极区段，使得，当将敏感材料分配到电极图案上时，可通过电极图案防止其扩展。这种电极图案一方面可构成与突出缘部类似的轻微的突起，另一方面可对于敏感材料具有表面张力影响。
优选地，这种电极图案由金、铂和铝中的一种制成。优选地，这种电极图案的电极具有40～250nm的高度。优选地，电极图案被施加到基板的氧化物层或氮化物层，例如，硅氧化物层、硅氮化物层或铝氧化物层。可化学处理电极图案的表面和/或电极图案的电极之间的区域的表面，以便如前所述地调整表面能量。用于电极图案的这种表面处理的优选手段基于硫醇化学。用于电极之间的区域的这种表面处理的优选手段基于硅烷化学。
另外，电极图案可被用于接触敏感膜并“读取”关于与敏感膜交互作用的化学分析物的有无和/或浓度的信息。
当敏感材料被分配到分派的区域时，它优选以非接触的方式被分配。这意味着在敏感材料的分配器与基板之间不存在接触。由此，分配器与基板之间的间隙需由敏感材料克服。相反，接触印刷可被理解为将分配器按压在基板上，使得例如用作分配器的被墨水覆盖的印章与基板接触以将墨水转印到基板上。在接触印刷中，不存在要通过墨水克服的间隙。
为了实现无接触分配，优选地，例如在容器中提供作为液体的敏感材料，并且将液体形式的敏感材料分配到基板的指定区域上。
无接触分配可优选包含喷射分配，其中，例如通过使用紧喷嘴在压力下将液体的连续射流或液体的离散射流（例如为单个液滴的形式）施加到基板。由此，喷射印刷可包含在分配器中加速液体以形成射流。
优选地，敏感材料以液相（即，以液态）被分配到基板。
由此，喷射分配方法可导致敏感材料以高的冲击力冲撞基板。这是希望设置用于将冲击喷射局限于指定区域的扩展抑制器的原因之一。但是，即使在已将敏感材料分配到基板之后，敏感材料也可能至少在有限的时间段内可在基板上流动并且会趋于从指定区域漏出以便达到其最低能量状态。这是扩展抑制体防止敏感材料的这样的从指定区域不希望的漏出时的另一情况。在有益的辅助效果中，即使在溶液可能例如通过加热基板而从敏感膜蒸发之后以及在敏感材料例如通过烧结、回火等变干并且大致变为固态敏感膜之后，扩展抑制体也可支持在指定区域上将敏感膜固定在其位置上。
在优选的实施例中，敏感材料包含悬浮液或溶液中的纳米粒子，（例如，金属氧化物纳米粒子），该悬浮液或溶液被分配给基板。
在另一优选的实施例中，敏感材料包含聚合物材料，特别是可溶性聚合物材料，诸如聚酰亚胺、聚噻吩、聚氨酯或聚苯胺。
在印刷敏感材料的上下文中，敏感材料也可被称为墨。印刷头的墨容器可被该悬浮液填充，并且，该悬浮液可被喷射印刷到基板上的区域上以用于在该处沉积敏感材料。
特别地，潜在的喷墨印刷技术可以是以下技术中的一种：
在连续喷墨印刷中，高压泵引导来自容器的液体墨通过枪体和显微喷嘴，由此通过Plateau-Rayleigh不稳定性产生连续的墨滴流。压电晶体在它在枪体内振动时产生声波，并导致流体流破碎成规则间隔的液滴。墨滴在它们形成时经受带电电极产生的静电场；该场根据希望的下降偏转度改变。这在各液滴上导致受控的可变的静电电荷。带电液滴被一个或更多个未带电的“保卫液滴”分开以使相邻的液滴之间的静电斥力最小。带电液滴通过静电场并且通过静电偏转板偏转以印刷于目的地。
在热喷墨印刷中，具有均包含加热器的一系列的微小室的印刷盒被用于通过向加热器施加电流脉冲由此导致室中的墨水迅速蒸发以形成气泡来从各室喷射液滴，该气泡导致大的压力增加，并且将墨滴推进到目的地。墨的表面张力以及蒸气泡的冷凝和因此导致的收缩通过附接于墨容器的窄通道将附加剂量的墨推送到室内。
在压电喷墨印刷中，压电材料被布置于作为加热元件的替代的各喷嘴后面的充墨室中。当被施加电压时，压电材料改变形状，这在流体中产生压力脉冲，从而从喷嘴推出墨滴。
但是，在其它的实施例中，敏感材料的无接触分配应包括丝网印刷、溅涂和喷射分配中的一种。
敏感膜可不仅在一个处理步骤中被印刷，而且可作为替代在多个步骤中被印刷以便形成相互层叠的敏感材料的多个层，这些层集体形成敏感膜。
通过将敏感材料无接触印刷到基板上，可以制造集成的化学传感器阵列－在一些情况也称为气体传感器阵列，在该化学传感器阵列中，另外沉积敏感材料，即，敏感材料仅在需要被沉积。优选地，在同一处理步骤中完成构图和沉积/分配。当为了构建传感器阵列的多个敏感膜使用不同组成的敏感材料时，可同时实现不同材料的沉积/构图。在使用印刷头的情况下，印刷头的室/容器/储存器可被加载不同的墨。在这种实施例中，优选地提供具有许多不同的喷嘴的印刷头，其中，各喷嘴被分派给特定组成的敏感材料。典型地，各喷嘴与用于保持特定组成的专用储存器连接。在这种实施例中，并且假定喷嘴指向在基板上的不同的区域，能够通过使用多储存器、多喷嘴印刷头同时喷墨印刷多个不同（即组成不同）的敏感膜。
在另一实施例中，传感器单元被单片地集成到公共传感器芯片中，该公共传感器芯片具有用于所有的传感器单元的公共基板。这种单片传感器芯片可被封装并被布置于导体板上并与其电连接。
这种化学传感器芯片由于其小的尺寸可被用于任何便携式电子装置，诸如移动电话，特别是智能电话、手持计算机、电子读取器、平板计算机、游戏控制器、指示装置、普通照相机或视频照相机或计算机外设等，该列表不是限制性的，并且可支持关于其环境的化学和/或气味和/或气体识别。
图1示出根据本发明的实施例的示意传感器芯片4的顶视图。基板5承载具有多个传感器单元11的化学传感器1、湿度传感器2、以及例如用于评价由化学传感器1提供并且可能由湿度传感器2提供的传感器信号的集成电子电路3。
优选地，通过应用CMOS处理形成集成电子电路3，而可通过应用MEMS处理集成化学传感器1。化学传感器1的各传感器单元11被设计用于检测被供给的气体中的分析物。36个传感器单元11的数量仅是代表性的。
图2示出图1的化学传感器1的顶视图，并且在下面示出沿线A-A′的剖面图。基板5包含为从基板5的突起/凸起的形式的阻隔物6。在阻隔物6之间，在基板5的凹地中构建敏感膜7。通过将敏感材料喷射分配到阻隔物之间的指定区域来构建这些敏感膜7。在顶视图中，传感器单元11由相邻的矩形区域示意性地表示，而从剖面图中可以清楚地看到，假定阻隔物6也占据基板5上的一些空间，则敏感膜7覆盖基板5上的较小的区域。虽然在一个实施例中可通过在指定的区域中蚀刻基板5从而导致通过基板5自身形成阻隔物6来形成阻隔物6，但在另一实施例中，诸如通过光刻处理等，阻隔物6可分离地在基板5上生长或者附接于该基板5。
图3示出根据本发明的实施例的另一化学传感器1的顶视图。与图2的实施例的传感器相反，阻隔物6现在体现为基板5中的凹陷，而敏感膜7构建于基板5的非凹陷区域上。这种实施例在敏感材料以液体形式施加到基板5时利用敏感材料中的表面张力。这种通过凹陷的下降边缘引起的表面张力支持敏感材料保持在指定区域而不是流入到凹陷中。
一般地，扩展抑制体可在指定区域的边缘包围指定区域。可对于各传感器单元11设置单独的扩展抑制体，例如，可存在设置在各传感器单元11周围的单独的缘部。在另一实施例中，两个相邻的传感器单元11可在它们的扩展抑制体之中包含公共的部分，诸如例如对应的相邻区域之间的单个壁或单个凹陷。由此，阻隔物6可形成被保留用于分配敏感材料的区域之间的网格。
图4示出说明根据本发明的实施例的化学传感器的制造的示意性剖面图。提供具有用作阻隔物6的凹陷的基板5。因此，已经实现了扩展抑制体。现在，将向基板上的指定区域施加敏感材料9。出于这种目的，提供包含保持液态敏感材料9的容器81的印刷头8。印刷头8包含布置印刷头8的喷嘴83的压电致动器82，该压电致动器82用于形成敏感材料9的液滴91并将其喷向基板5。箭头可指示印刷头的移动方向，使得在一个实施例中，在已经完成向两个阻隔物6之间的存在区域分配敏感材料9之后，印刷头8可移动到相邻的指定区域，并且，印刷头8的压电致动器82被控制以将液滴91喷射到所述相邻区域。
在根据图5的另一实施例中，现在通过包含用于保持敏感材料9的多个容器81的不同的印刷头8喷墨印刷同一基板5。各容器81被分派单独的喷嘴83和单独的压电致动器82，使得当适当地控制压电致动器82时，在本例子中，可通过敏感材料9同时印刷一行中的六个区域。在各容器81保持不同组成的敏感材料9的情况下，在基板5上相互紧邻地构建不同材料的敏感膜，在它们之间存在由于扩展抑制体导致的间隙。印刷头8可以是诸如图5所示的具有相互紧邻的几个单独子单元的一维印刷头。在另一实施例中，印刷头8可以是具有二维形式的相互紧邻的单独子单元的二维印刷头，从而形成用于在基板5上二维印刷敏感材料的平面印刷头。在本实施例中，优选地，大致以与两个单元之间的距离对应的距离相互紧邻地布置至少印刷头的喷嘴，使得在印刷期间，各喷嘴被布置在被分派用于印刷传感器单元的区域之上。在子单元的数量与用于在其上构建敏感膜的区域的数量对应的情况下，可同时对于所有的区域分配敏感材料。
图6示出根据本发明的实施例的另一化学传感器的顶视图，包括沿线A-A′的剖面图。从侧视剖面图可以看出，与用于在其上构建敏感膜7的所述区域对应的表面区域10被预处理，其原因是，所述区域中的表面能量被提高以便使液相敏感材料润湿到该处。
在图9中的剖面图中示出单个传感器单元的更详细的示意图。可以看出，敏感膜7构建于所述区域上，并且通过所述区域中的表面能量超过所述区域周围的区域的表面能量而被局限于该区域。
对于图6和图9的实施例，在替代性方法中，所述区域10周围的区域可被预处理，使得该区域中的表面能量小于/变得小于用于沉积敏感膜的所述区域中的表面能量。例如，在这样的基板具有超过第二表面能量的第一表面能量的情况下，第二表面能量的涂层被施加到这样的在所述区域外面的区域。在一个例子中，基板5的表面是氧化物或氮化物表面，该表面在所述区域外面的区域中被处理以使得该在所述区域外面的区域中的表面能量变得小于可以是基板中的固有表面能量的所述区域中的表面能量。为了降低这种区域中的氧化物或氮化物表面的表面能量，例如，硅烷特别是六甲基二硅氮烷或辛基三氯硅烷中的一种可作为涂层被施加到这种区域。在以这种方式处理/构图所述区域10外面的所述区域中的基板5的表面之后，溶液形式的敏感材料以无接触的方式被印刷到所述表面区域10。
图7示出包含多个与图6的化学传感器对应的化学传感器1的晶片50的断面的顶视图。在共同的步骤中已向晶片50施加用于所有的化学传感器1的粘接膜之后，以及在可能在公共的步骤中向扩展抑制体施加敏感材料之后，例如通过锯切将晶片分成各单独的化学传感器1。
图8表示图1的传感器芯片的化学传感器断面的剖面图。基板5在第一区域中具有第一厚度w1，并在第二区域中具有第二厚度w2。第二厚度w2代表基板5的标准厚度。在驻留传感器单元11的第一区域中，基板5被减薄至第一厚度w1。在传感器单元11可包含金属氧化物敏感膜的情况下，这种金属氧化物敏感膜可在进行读取之前被加热。为了提高热效率，各传感器单元11可被布置在具有较小的厚度w1的基板5的第一区域中。可通过将凹陷51形成于基板5的背面，形成具有小的厚度w1的第一区域。
图10示出另一化学传感器的传感器单元的三个不同的设计的顶视图，其中，电极图案被用作扩展抑制体。在图10a）中，电极图案12包含相互平行的两个直线电极。两个直线电极限制用于敏感材料的区域，使得如果敏感材料以例如滴的形式被分配于两个电极之间，那么其扩展将被这些电极限制，并且，相应的敏感膜7被构建。在图10b）中，电极图案12包含两个相互交错的电极，其中，最外面的指部以及各边上的指部之间的连接器部分限定了方形，在该方形内敏感材料可扩展，但在该方向外面敏感材料扩展被阻止。由此，当敏感材料以滴的形式被在电极图案12的外边界之间分配于电极图案12上时，其扩展将通过电极图案12被限制，并且，相应的敏感膜7被构建。在图10c）中，电极图案12包含圈形的两个电极。外圈电极限制用于敏感材料的区域，使得如果敏感材料以例如滴的形式被分配于外圈电极内，其扩展被该电极图案12限制，并且，相应的敏感膜7被构建。
对于化学传感器的所有实施例，优选地，电子电路可特别是通过使用CMOS处理被集成到主题基板中。这种电子电路可包含线性化、补偿、评价、数字化和/或其它的功能。
虽然这里示出和描述了本发明的优选实施例，但应理解，本发明不限于此，并且在以下的权利要求的范围内，可另外被以各种方式体现和实现。
Claims (28)
1.一种具有多个传感器单元的化学传感器的制造方法，包括以下的步骤：
提供基板(5)；
向基板(5)施加用于防止要被施加到基板(5)的区域上以用于构建传感器单元(11)的敏感膜(7)的敏感材料(9)从所述区域扩展出的扩展抑制体；
提供敏感材料(9)；和
通过无接触地向所述区域分配敏感材料(9)来构建敏感膜(7)，
其中，施加扩展抑制体包含在所述区域的边缘施加用于防止要被施加到所述区域的所述敏感材料(9)从所述区域漏出的阻隔物(6)，并且
其中，阻隔物(6)包含基板(5)中的在所述区域周围的凹陷。
2.根据权利要求1的方法，其中，
所述阻隔物(6)包含在所述区域周围从基板(5)突出的缘部。
3.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，
施加扩展抑制体包含处理基板(5)的表面，以便在所述区域中提供第一表面能量并在所述区域之外提供第二表面能量，其中，第二表面能量小于第一表面能量，用于使得所述区域成为敏感材料(9)的优选润湿区域。
4.根据权利要求3的方法，其中，
基板(5)的所述表面提供第一表面能量，并且
其中，在所述区域之外，基板(5)的所述表面被提供第二表面能量的涂层覆盖。
5.根据权利要求3的方法，其中，
基板(5)的所述表面提供第二表面能量，并且，
其中，在所述区域内，基板(5)的所述表面被提供第一表面能量的涂层覆盖。
6.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
施加扩展抑制体包含向所述区域施加粘接膜，用于使要被施加到所述区域的敏感材料(9)粘接于所述粘接膜。
7.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
向基板(5)施加用于防止要被施加到基板(5)上的多个区域以用于构建多个传感器单元(11)的敏感膜(7)的敏感材料(9)从所述多个区域扩展出的多个扩展抑制体，并且，
其中，通过无接触地向所述多个区域分配敏感材料(9)来构建敏感膜(7)。
8.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
敏感材料(9)被喷射分配到基板(5)上的所述区域。
9.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
敏感材料(9)的限定部分被喷射分配到基板(5)上的所述区域。
10.根据权利要求8的方法，其中，
敏感材料(9)被喷墨印刷到基板(5)上的所述区域。
11.根据权利要求10的方法，其中，
敏感材料(9)被同时喷墨印刷到基板(5)上的多个区域。
12.根据权利要求10的方法，其中，
敏感材料(9)被同时喷墨印刷到基板(5)上的所有区域。
13.根据权利要求11的方法，其中，
敏感材料(9)通过印刷头(8)的多个喷嘴(83)被同时喷墨印刷到基板(5)上的所述多个区域。
14.根据权利要求10～13中的任一项的方法，其中，
敏感材料(9)通过印刷头(8)的第一喷嘴(83)以第一组成被施加到所述多个区域中的第一区域，并且通过印刷头(8)的第二喷嘴(83)以第二组成被施加到所述多个区域中的第二区域。
15.根据权利要求14的方法，其中，
第一组成的敏感材料(9)和第二组成的敏感材料分别通过第一喷嘴和第二喷嘴(83)被同时施加。
16.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
敏感材料(9)包含金属氧化物纳米粒子。
17.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
敏感材料(9)包含聚合物材料。
18.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
敏感材料(9)以液相分配到所述区域。
19.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
施加扩展抑制体包含向基板(5)施加电极图案(12)。
20.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
施加扩展抑制体包含向基板(5)施加限定所述区域的电极图案(12)。
21.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
化学传感器(1)是包含金属氧化物半导体材料的化学抗性传感器。
22.根据权利要求1-2中的任一项的方法，其中，
基板(5)在第一区域中具有第一厚度，并在第二区域中具有第二厚度，其中，第一厚度比第二厚度小，
其中，所述区域被布置于第一区域中，使得所述敏感材料(9)被分配于所述第一区域中。
23.一种均具有多个传感器单元的多个化学传感器的制造方法，包括以下步骤：
提供晶片(50)；
向晶片(50)施加用于防止要被施加到晶片(50)上的多个区域以用于构建化学传感器(1)的多个传感器单元(11)的敏感膜(7)的敏感材料(9)从所述多个区域扩展出的扩展抑制体；
提供敏感材料(9)；
通过无接触地向所述多个区域分配敏感材料(9)来构建敏感膜(7)；和
将晶片(50)分离成化学传感器(1)，
其中，施加扩展抑制体包含在所述区域的边缘施加用于防止要被施加到所述区域的所述敏感材料(9)从所述区域漏出的阻隔物(6)，并且
其中，阻隔物(6)包含基板(5)中的在所述区域周围的凹陷。
24.一种具有多个传感器单元的化学传感器，包括：
基板(5)，
其中，多个传感器单元(11)中的每一传感器单元(11)包含：
覆盖基板(5)上的区域的由敏感材料(9)构建的敏感膜(7)；和
用于防止敏感材料(9)在正被施加到所述区域时从所述区域扩展出的扩展抑制体，
其中，施加扩展抑制体包含在所述区域的边缘施加用于防止要被施加到所述区域的所述敏感材料(9)从所述区域漏出的阻隔物(6)，并且
其中，阻隔物(6)包含基板(5)中的在所述区域周围的凹陷。
25.根据权利要求24的化学传感器，其中，
被敏感膜(7)覆盖的区域的尺寸小于50μm×50μm。
26.根据权利要求24或25的化学传感器，其中，
基板(5)包含具有第一厚度的第一区域和具有第二厚度的第二区域，第二厚度超过第一厚度，
其中，被敏感膜(7)覆盖的区域被布置于第一区域中。
27.根据权利要求24～25中的任一项的化学传感器，其中，
电子电路(3)被集成到基板中。
28.根据权利要求26的化学传感器，其中，
电子电路(3)被集成到基板中。
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