CN103969311A - 化学传感器及用于制造该化学传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化学传感器及用于制造该化学传感器的方法。化学传感器(1)包括具有前表面(2.1)和后表面(2.2)的基板层(2)和布置在所述基板层(2)的前表面(2.1)上的传感层(3)，所述传感层(3)包括传感元件(4)，所述基板层(2)在后表面(2.2)上具有孔(5)从而形成包含所述传感元件(4)的膜(6)，其中所述基板层(2)在后表面(2.2)具有接触片(10)和从前表面(2.1)延伸到后表面(2.2)、用于将所述传感元件(4)与所述接触片(10)电连接的通孔(11)，处理层(17)设置在所述传感层(3)的顶部上，所述处理层(17)包围所述传感元件(4)，并且所述处理层(17)的厚度(d1)大于所述基板层(2)的厚度(d2)。

Description

化学传感器及用于制造该化学传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种化学传感器及制造该化学传感器的方法。所述化学传感器尤其可以是一种气体传感器。
背景技术
在例如GB2464016B中公开的化学传感器包括具有前表面和后表面的半导体基板。传感元件形成在所述前表面上，其具有气体敏感层和用于加热所述气体敏感层从而促进与所述气体敏感层的气体反应的加热器。所述气体敏感层位于用来提供电输出的电极之间，所述电输出指示与所述气体敏感层的所述气体反应。孔形成在基板层的所述后表面中从而形成包含所述传感元件的膜。这种化学传感器可以用于测量流体的性质并因而测量组成所述流体的分析物的性质，其中所述化学传感器通过移动电子设备(例如智能电话)的外壳中的开口／端口暴露于所述流体。所述性质可以是例如周围空气中二氧化碳或臭氧的量。流体可以是气体或液体。
为了将所述化学传感器连接到用于进一步处理所述传感元件的电输出的电路板，其中所述传感元件可暴露于待测流体，典型地，采用结合线来将所述传感元件的电极电连接到所述电路板的接触片上。所述结合线通常被可浇注化合物以顶部包封的形式密封以进行保护。然而，顶部包封需要空间，而空间尤其在移动电子设备(例如智能电话)中是有限的。此外，提供所述顶部包封可能会损害所述气体敏感层的功能，因为所述顶部包封典型地分别接近于所述传感元件和所述膜。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可以避免上述缺点的化学传感器。本发明的另一个目的是提供一种制造所述化学传感器的方法。
为了实现这些以及随着描述继续会变得更加明显的进一步的目的，提供了一种化学传感器，其包括基板层，传感层和处理层。所述基板层具有前表面和后表面，所述传感层布置在所述基板层的所述前表面上。所述基板层在所述后表面上具有孔从而形成包含所述传感层的传感元件的膜。
所述基板层在所述后表面进一步包含接触片和从所述前表面延伸到所述后表面、用于将所述传感元件与所述接触片进行电连接的通孔。所述接触片可以电连接到电路板。所述通孔尤其是所谓的硅通孔(through-silicon via)(参见http：∥en.wikipedia.org/wiki/Through-silicon_via)，所述基板层的材料是硅。
所述处理层设置在所述传感层的顶部，所述处理层包围所述传感元件从而在所述传感元件上方提供使流体到达所述传感元件的腔。所述处理层用于保护所述传感元件。所述处理层的厚度大于所述基板层的厚度。所述处理层优选由晶片材料组成，其相对较硬。优选地，所述处理层由硅或玻璃制成。
例如“顶部上”、“前”、“后”、“底部”、“上方”、“下方”或类似的表达参考如图1中所描述的本发明的化学传感器。
通过使用通孔来代替用于将所述传感元件与所述电路板通过所述接触片进行电连接的被顶部包封包围的结合线，节省了宝贵的空间，从而可以使化学传感器更小，尤其是在水平方向上。可以有利地避免分别由于在所述传感层的顶部提供结合线(例如通过浇注化合物)所引起的所述传感元件和所述膜的可能损害。此外，由于没有顶部包封，可以减少在所述传感元件上方的死空间从而缩短所述化学传感器的响应时间。通过所述通孔所提供的电连接也不暴露于腐蚀，因为它们并不暴露于应通过所述化学传感器分析的所述流体。
所述处理层允许所述化学传感器的安全机械处理，例如当抓住所述化学传感器或通过抽吸来保持／移动所述化学传感器时，而保护所述传感元件不受外界影响。因此，所述处理层用作保护罩以及过滤层，从所述传感元件过滤可能的外部干扰影响。为了这个目的，所述处理层的厚度优选为至少为整个化学传感器的厚度的50％。通过所述通孔，可以实现比使用结合线更短的电连接。因此，可以减小所述基板层的厚度从而使其比所述处理层的厚度小。为了处理(例如为了在电路板上安装)，可以使用较厚的处理层而不是基板层。
需要强调的是，根据本发明的化学传感器，即以TsV-封装(也称为芯片尺寸封装)的形式的化学传感器并不比传统的未封装的传感器模具／芯片需要更大的空间／体积，尤其是更大的表面面积/占地面积，因此形成了最有空间效率的封装方式。
本发明进一步涉及一种制造所述传感器的方法。在第一步，包含所述传感元件的传感层形成在大块基板上，例如第一晶片，尤其是硅晶片。然后，处理层形成在所述传感层的顶部从而包围所述传感元件。所述处理层可以采用第二晶片形成，同样优选为硅晶片。
形成所述处理层后，可以减小顶部设置有所述传感层的所述大块基板的厚度从而形成厚度小于所述处理层的基板层。减小厚度例如可以通过研磨、蚀刻或铣削来实现。所述大块基板的厚度优选减小到使所述处理层的厚度不小于整个化学传感器的厚度的50％。为了进一步处理所述化学传感器，优选使用所述处理层来代替所述基板层。
然后，在所述基板层中形成通孔，所述通孔从所述基板层的前表面延伸到所述后表面。然后在所述基板层的后表面中形成孔从而形成包含所述传感元件的膜。所述孔可以例如通过背面蚀刻来形成。
为了将所述处理层设置在所述传感层的顶部，优选在所述传感层和所述处理层之间提供粘合层，所述粘合层包围所述传感元件并将所述处理层与所述传感层的顶部连接。
有利地，本发明的方法可以用来同时制造大量化学传感器(就像制造CMOS电路的工艺)，其中第一晶片用于形成各自的基板层而第二晶片用于形成各自的处理层。根据本发明，这样同时生产几个化学传感器可以减少制造公差，至于所述通孔也是如此。
附图说明
本发明的进一步有利的特征和应用可以在从属权利更求和对说明本发明的附图的随后描述中找到。单独的图1示出根据本发明的化学传感器的示意剖面图。需要注意的是，所述单独附图中的绘图完全是示意性的并且不成比例。
具体实施方式
单独的图1描述了根据本发明的化学传感器1。所述化学传感器1包括具有前表面2.1和后表面2.2的基板层2。所述基板层2优选由硅组成。在所述基板层2的顶部布置有传感层3，所述传感层3由介电材料制成，例如氧化硅或氮化硅。所述传感层3包括传感元件4。所述基板层2在所述后表面2.2具有孔5以形成包含所述传感元件4的膜6。
所述传感元件4优选包含流体敏感、尤其是气体敏感的薄膜7和金属制成的加热器8，其用于加热所述流体敏感薄膜7来促进待测流体与所述流体敏感薄膜7的化学反应。为了这个目的，所述流体敏感薄膜7形成在所述传感层3的前表面3.1上，而所述加热器8位于所述传感层3中的所述流体敏感薄膜7的下方。所述传感元件4进一步包含与所述流体敏感薄膜7相连接的电极9，所述电极9的电输出可以指示所述待测流体的一个或多个性质。当然，还可以使用具有不同架构和组成的其他类型的传感元件4。
包含加热器8的膜6也叫做加热板，对应的化学传感器1也叫做加热板化学传感器。CMOS电路，例如基于CMOS的晶体管，通常没置在所述加热板旁边的所述基板层2的前表面2.1上。然而，为了合适的工作，所述CMOS电路必须被保持为比所述加热板凉。为了达到这个目的，所述基板层2的厚度优选比所述膜6的横向尺寸/延伸薄(得多)从而将所述加热板提供的热从所述基板层2的前表面2.1排放到设置在所述基板层2的后表面2.2上的接触片10，所述接触片10将在下面详细描述。
所述基板层2在后表面2.2上设置有可以与电路板(末示出)电连接的接触片10。为了所述传感元件4的所述电极9与所述接触片10的电连接，提供通孔11，尤其是硅通孔，每个通孔11包括与所述传感元件4的所述电极9——优选通过所述传感层3中的附加接点引线15——连接的接点引线14。通孔11的接点引线14优选由相应通孔11的内壁上的接触层形成。优选地，所述接点引线或接触层14分别通过二氧化硅制成的绝缘层16与所述基板层2绝缘，所述绝缘层16还覆盖所述基板层2的后表面2.2。
在所述传感层3的前表面3.1上提供有可以通过粘合层18与所述前表面3.1连接的处理层17。所述处理层17优选由例如所述基板层2的晶片材料(尤其是硅)制成。所述处理层17——并因此还有所述粘合层18——包围所述传感元件4，从而在所述传感元件4上方形成腔19。所述腔19作为用于待测流体与所述流体敏感薄膜7之间发生的反应的反应室。由于所述化学传感器1被设置在例如移动电子设备中，例如智能电话中，所述腔19与所述移动电子设备的外壳中的开口/端口流动连接，从而通过所述外壳中的开口/端口的流体到达腔19，并因此到达所述传感元件4。优选地，所述腔19位于所述移动电子设备的开口／端口的后面。
可以使所述处理层17变薄/减小厚度，从而整个化学传感器1的厚度d3对应于预定厚度。所述处理层17的厚度d1可以分别通过研磨和抛光来调整，从而所述处理层17的前表面17.1是平滑的／平坦的，至少对于整个化学传感器1的30％、优选50％的横表面面积。所述“平滑的”和“平坦的”意味着在所述处理层17的前表面17.1上基本没有垂直的结构。如上所述，所述处理层17优选由硅或玻璃组成，即它是气密的。
尤其是由于其光滑的前表面17.1，所述处理层17可以用于密封，因为所述处理层17的前表面17.1密封连接到移动电子设备的外壳的内壁上，所述处理层17包围所述外壳中的待测流体可以通过的开口／端口。对所述移动电子设备中的所述开口/端口的密封导致通过所述开口/端口的流体能到达所述腔19和所述传感元件4，而有利地不会达到所述移动电子设备的其他内部区域。
额外地，可以在所述处理层17的前表面17.1上提供例如隔离片(未示出)的形式的密封元件，所述隔离片密封地包围所述开口/端口。即所述隔离片可以具有O型环的形状。所述隔离片优选由不如所述处理层17硬的材料组成。优选地，所述密封元件的材料有些弹性。
所述处理层17用于保护所述传感元件4，尤其是所述流体敏感薄膜7，并且用于所述化学传感器1的机械处理。可以减轻所述基板层2的处理功能，并且通孔11提供的电连接可以缩短。因此，所述处理层17的厚度d1比所述基板层2的厚度大。优选地，所述处理层17的厚度是整个化学传感器1的厚度d3的至少50％。所述化学传感器1的厚度d3可以在例如从300到600微米的范围内，所述处理层17的厚度d1在从200到500微米的范围内，而所述基板层2的厚度d2在从50到200微米的范围内(取决于所述处理层17的厚度d1)。
应当理解，尽管这里举例说明和描述了本发明的某些实施例，本发明并不限制到所描述和示出的特定实施例。

Claims (15)

1.一种化学传感器，包括具有前表面(2.1)和后表面(2.2)的基板层(2)，和布置在所述基板层(2)的所述前表面(2.1)上的传感层(3)，所述传感层(3)包括传感元件(4)，并且所述基板层(2)在所述后表面(2.2)上设置有孔(5)从而形成包含所述传感元件(4)的膜(6)，其特征在于：
-所述基板层(2)在所述后表面(2.2)上设置有接触片(10)并且设置有从所述前表面(2.1)延伸到所述后表面(2.2)、用于将所述传感元件(4)与所述接触片(10)进行电连接的通孔(11)；
-其中处理层(17)设置在所述传感层(3)的顶部，所述处理层(17)包围所述传感元件(4)；以及
-其中所述处理层(17)的厚度(d1)大于所述基板层(2)的厚度(d2)。
2.根据权利要求1所述的化学传感器，其中所述处理层(17)的厚度(d1)为整个化学传感器(1)的厚度(d3)的至少50％。
3.根据权利要求1或2所述的化学传感器，其中所述处理层(17)的厚度(d1)在200到500微米的范围内。
4.根据前述权利要求之一所述的化学传感器，其中所述基板层(2)的厚度(d2)比所述膜(6)的横向延伸小。
5.根据前述权利要求之一所述的化学传感器，其中所述基板层(2)的厚度(d2)在50到200微米的范围内。
6.根据前述权利要求之一所述的化学传感器，其中所述处理层(17)由硅或玻璃制成。
7.根据前述权利要求之一所述的化学传感器，其中所述处理层(17)的前表面(17.1)是光滑的。
8.一种用于制造根据前述权利要求之一所述的化学传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
-在大块基板上形成包含所述传感元件(4)的传感层(3)；
-在所述传感层(3)的顶部形成包围所述传感元件(4)的处理层(17)；
-将所述大块基板的厚度减小到比所述处理层(17)的厚度(d1)小的厚度(d2)，从而从所述大块基板形成所述基板层(2)；
-在所述基板层(2)中形成通孔(11)，所述通孔(11)从所述基板层(2)的前表面(2.1)延伸到后表面(2.2)；以及
-在所述基板层(2)的后表面(2.2)中形成孔(5)，从而形成包含所述传感元件(4)的膜(6)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述大块基板的厚度减小到厚度(d2)以形成所述基板层(2)，从而使得所述处理层(17)的厚度(d1)为整个化学传感器(1)的厚度(d3)的至少50％。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述处理层(17)的厚度(d1)在200到500微米的范围内。
11.根据权利要求8-10之一所述的方法，其中将所述大块基板的厚度减小到50-200微米范围内的厚度(d2)以形成所述基板层(2)。
12.根据权利要求8-11之一所述的方法，其中所述孔(5)形成在所述基板层(2)的所述后表面(2.2)中，使得所述膜(6)的横向延伸比所述基板层(2)的厚度(d2)大。
13.根据权利要求8-12之一所述的方法，其中为了在所述传感层(3)的顶部形成所述处理层(17)，在所述传感层(3)的顶部提供粘合层(18)，所述粘合层(18)包围所述传感元件(4)并将所述处理层(17)与所述传感层(3)的顶部连接。
14.根据权利要求8-13之一所述的方法，其中所述处理层(17)由硅或玻璃制成。
15.根据权利要求8-14之一所述的方法，其中所述处理层(17)的顶部被研磨以形成所述处理层的光滑前表面(17.1)。
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