CN109564159B - 化学传感器 - Google Patents

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Abstract

我们公开了一种用于检测流体的化学传感装置。该传感装置包含：包括至少一个蚀刻部分的至少一个基底区域(1)；形成在所述至少一个基底区域上的介电区域(3)，所述介电区域包括与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域(3)；用于发射红外(IR)信号的光源(2)；用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器(4)；形成在所述介电区域之上或之下的一个或多个另外的基底(6)，所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从所述光源传播到所述光学检测器的光路。所述光源和所述光学检测器中的至少一个形成在所述介电膜区域之中或之上。

Description

化学传感器
技术领域
本发明涉及一种基于红外检测原理的微型化学传感器。
背景技术
光学传感器技术能够用于检测大范围的化学物质，包括CO2、CO、NO2、VOC和醇。例如，非分散红外(NDIR)型传感器系统能够提供良好的灵敏度，稳定性和选择性。它们有许多应用，包括环境空气质量和安全监控。类似地，衰减全反射(ATR)系统也使用IR辐射来确定化学物质的组成。
红外气体传感器利用光学吸收原理。当红外辐射穿过气体时，一些光能被吸收，并且在气体分子内的振动-旋转能级之间发生转变。该过程在中红外光谱(通常在2.5-16μm之间)中产生“吸收线”。吸收光谱的特征取决于分子中原子的数量和质量，以及各种化学键的性质。通常检测到的气体是二氧化碳(CO2)，其在4.26μm的波长下具有强吸收线。
基本的单通道NDIR系统由宽带红外光源组成，该红外光源通过气室发射红外辐射。光学通带滤光器用于选择感兴趣的吸收波长，以及红外检测器检测发射的IR信号。当目标气体浓度低时，光学信号和气体分子之间的相互作用有限，并且因此检测到的信号很高。如果引入目标气体，则发生光吸收，并且检测到的信号水平与气体浓度成比例地下降。透射光强度由Lambert和Beer定律描述，
I＝I0e-kcl
其中I0是初始强度，k是气体比吸收系数(the gas specific absorptioncoefficient)，c是气体浓度，以及l是光学吸收路径的长度。
用于该系统的红外源能够是宽带热发射器，例如MEMS红外源，红外白炽灯或黑体辐射源。或者，能够使用窄带源，例如红外二极管或激光器。选择取决于许多因素，包括光功率，光谱特性，成本和频率响应。通常，使用微型灯泡(micro-bulbs)，其具有非常便宜的优点并且在短的中红外波长下提供良好的发射。缺点是它们具有高功耗，体积庞大，并且由于玻璃外壳的光学吸收而在较长波长(>5μm)处具有有限的发射。结果，越来越多地使用MEMSIR发射器，其包括嵌入膜中的微加热器，该膜与硅基底热隔离。这些能够在更广泛的波长范围内提供良好的性能，并与其他基于芯片的技术更好地集成。
有两种类型的红外(IR)检测器：热检测器和量子检测器。热检测器响应材料的加热，包括：辐射热测量计，热电堆和热电检测器。它们通常在中红外波段具有宽带响应，并且必须与滤光器一起用于气体传感应用。量子型检测器，例如光电二极管和光电导传感器，由确定其光谱响应的半导体材料制成。对于大多数光学气体传感应用，使用热检测器，因为它们提供足够的性能，不需要冷却，成本较低，并且能够集成在半导体芯片上。
在所描述的基本NDIR方法的改进中，双通道系统能够用于帮助补偿系统漂移的影响，例如，由于来自源的IR发射随时间的变化。利用这种方法，使用第二“参考”检测器，其检测波长远离目标气体的吸收波长。双通道检测器通常集成在单个部件的金属封装内。
已知许多NDIR传感器设计，例如US RE36277、US 8471208、US 20080035848、US7449694、US 6469303、US 6753967和US 7609375。然而，它们都需要光学组件，其不能容易地与现有半导体芯片技术集成。这排除了它们在需要小外形尺寸的许多应用中的使用，例如用于移动电话。
在US 5834777中，Wong公开了一种用形成小尺寸的半导体技术制造的微型NDIR气体传感器，甚至包括光路。在该设计中，存在具有IR发射器和IR检测器的基底，以及被蚀刻以形成光路的第二基底，并且两个基底连接在一起以形成光波导。扩散型气体样品室形成在波导内并插入光源和光学检测器之间的光路中。然而，该装置在光路下方和上方具有大的整体蚀刻基底部分。由于其与IR发射器和检测器的接近，因此不可能在介电膜上具有这些。结果发射器必须是光电二极管-其具有低发射和稳定性问题，或者可以是加热器，但其具有高功耗。类似地，IR检测器不能在膜上，因此具有低得多的灵敏度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测流体的化学传感装置，该传感装置包括：
包含至少一个蚀刻部分的至少一个基底区域；
形成在所述至少一个基底区域上的介电区域，其中，所述介电区域含有与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域；
用于发射红外(IR)信号的光源；
用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器；
形成在所述介电区域之上或之下的一个或多个另外的基底，其中所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从光源传播到光学检测器的光路；以及
其中，所述光源和所述光学检测器中的至少一个至少部分地形成在所述介电膜区域之中或之上。
所述介电膜区域紧邻基底区域的蚀刻部分。换句话说，所述介电膜区域是所述介电区域中紧邻基底的蚀刻部分之上或相邻的区域。所述介电膜区域是所述介电区域的子集，所述子集是所述基底区域的蚀刻部分的正上方或相邻部分。光源(或IR发射器)和/或光学检测器(或IR检测器)至少部分或完全位于所述介电膜区域内。所述至少一个基底区域可以含有第一蚀刻部分和第二蚀刻部分，并且所述介电区域可以包含与所述第一蚀刻部分相邻的第一介电膜区域和与所述第二蚀刻部分相邻的第二介电膜区域，以及所述光源可位于所述第一介电膜区域内，并且所述光学检测器位于所述第二介电膜区域内。所述光源和光学检测器彼此横向间隔开。在该实施方式中，所述基底区域包括两个蚀刻部分和两个介电膜。所述光源和检测器设置在分开的介电膜区域中。在替代的实施方式中，基底区域可以仅具有一个蚀刻部分和一个介电膜区域。在这种情况下，所述光源和检测器可以都位于相同的介电膜区域中。或者，所述光源或检测器中只有一个可以在介电膜上，而另一个不在介电膜上，而是在基底或介电区域上。应当理解，所述另外的基底能够位于所述介电区域的上方或下方。例如，所述另外的基底能够位于其上形成有介电膜区域的主半导体基底区域下方。在这样的实施方式中，在主半导体基底区域和所述另外的基底之间提供另外的电介质区域，并且所述另外的电介质区域在主半导体基底区域的下方或下面。
所述至少一个基底区域可以包含第一基底和第二基底。所述第一基底可以包含第一蚀刻部分，并且所述第一介电膜区域可以与所述第一蚀刻部分相邻地形成。所述第二基底可以包含第二蚀刻部分，并且所述第二介电膜区域可以与第二蚀刻部分相邻地形成。所述光源可以位于所述第一介电膜区域内，并且所述光学检测器可以位于所述第二介电膜区域内。所述光源和所述光学检测器可以彼此垂直间隔开，并且所述一个或多个另外的基底可以在第一和第二介电膜区域之间垂直间隔开。在该实施方式中，基底区域可以包括两个单独的基底，它们是所述第一基底和所述第二基底。所述第一基底和第二基底中的每一个可以含有单独的蚀刻部分，并且因此相应的介电区域可以包括单独的介电膜区域。这些垂直间隔的基底可以彼此垂直间隔开。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造用于检测流体的化学传感装置的方法，该方法包括：
形成至少一个基底区域；
在所述至少一个基底区域上沉积介电区域，其中所述介电区域包含与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域；
形成用于发射红外(IR)信号的光源；
形成用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器；
蚀刻所述至少一个基底区域以在所述基底区域中形成蚀刻部分和在所述介电区域中形成至少一个介电膜区域，所述至少一个介电膜区域与所述蚀刻部分相邻；
在所述介电区域之上或之下形成一个或多个另外的基底，其中所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从所述光源传播到所述光学检测器的光路；以及
其中，在所述介电膜区域之中或之上形成所述光源和光学检测器中的至少一个。
红外辐射传播的所述光路可以由一个或多个堆叠基底层(另外的基底)中的一个或多个腔(腔室)形成。如果使用半导体基底层，则可以使用包括湿法和干法蚀刻的半导体蚀刻工艺来形成所述腔。湿法蚀刻工艺可包括：氢氧化钾(KOH)，四甲基氢氧化铵(TMAH)和乙二胺邻苯二酚(Ethylene Diamine Pyrochcatechol，EDP)蚀刻。干法蚀刻工艺可包括反应离子蚀刻(RIE)，深反应离子蚀刻(DRIE)，溅射蚀刻和气相蚀刻。掩模(光致抗蚀剂或物理掩模)可用于图案化。
所述光路也可以由硅片通道(through silicon vias，TSVs)形成，例如，在IR发射器和IR检测器之间的多个基底的堆叠，所述多个基底具有TSVs以允许IR辐射到达所述检测器。所述光路也可以是TSVs和整体蚀刻基底的组合。
由所述腔产生的所述光路可用于在所述源和检测器之间引导光辐射以及穿过化学物质。所述腔的壁上的反射层可用于减少光学损失，并且可采用金属化层的形式。反射材料可以包括金，铝，铜，银和/或铂，其可以使用标准半导体沉积工艺进行沉积，例如物理气相沉积(PVD)或CVD(化学气相沉积)。在所述基底和所述反射材料之间还可以有一个或多个附加层以改善粘附性。
为了优化光路的长度，所述腔可以通过一个或多个基底层制成不同的形状，例如，螺旋形，曲折形或任何其他几何图形，其允许光辐射从发射器直接或通过反射传播到检测器。还可以在多个堆叠的基底层中产生光学腔，IR辐射可以通过该多个堆叠的基底层传播。在分开的基底层中使用多个腔可以允许在小的横向尺寸内实现路径长度的延伸。
可以使用不同的结构来增强所述源、检测器和腔之间的IR辐射的光学耦合，或者可以提供一个或多个基底层中的不同腔之间的光学耦合。这可以采用一个或多个反射器的形式，由所述腔的壁形成并用于引导/导向辐射。如果使用诸如硅的半导体材料作为用于所述腔的基底材料，则作为各向异性、或各向同性湿法蚀刻工艺的结果可以建立倾斜或弯曲的侧壁。另外，还可以通过干法蚀刻工艺(例如反应离子蚀刻(RIE))通过控制所述蚀刻工艺的各向异性，以及改变化学(各向同性)蚀刻和物理(各向异性)蚀刻之间的平衡来形成各种形状的侧壁。
可以在腔内和腔外提供一个或多个中空通道，以允许来自外部环境的气体的流动。通过在一个或多个基底层中蚀刻通道可以来在所述腔中形成开口。还可以通过将层间隔开来在基底层之间产生用于气体流动的开口。间隔物可以采用球形键合的形式。由于分子的扩散或强制移动，可能发生气体流入和流出所述腔。
在本发明的另一种实施方式中，该方法可用于检测液体，液体的组成或液体中的污染物，包括水，体液和工业溶液。在这种情况下，光学腔和任何连接通道可以填充液体而不是气体。液体可以填充整个光路，或仅填充路径的一部分。液体还可以覆盖基底层并与倏逝波相互作用，该倏逝波延伸超出所述基底表面进入样品(衰减全反射(ATR)型方法)。该方法可用于感测吸收红外能量的样品中的分子，因为传播波将被衰减或光谱改变。ATR系统的顶表面可以具有等离子体层(或图案化结构)。
所述基底层可以键合在一起。可以通过多种方式实现键合，包括通过使用焊盘，凸块键合，粘合剂键合，热压缩，直接键合，晶片键合和混合方法。硅片通道(TSVs)可用于形成垂直电连接，穿过一个或多个基底层，并且还提供从NDIR传感器到外部系统(例如在PCB上)的电连接。
附加电路可以包含在任何一层中，并且可以包括放大器以放大检测信号，多路复用以读取多个检测器元件，模数转换器用于数字化，MOSFET/晶体管开关用于驱动IR源，ASIC和微处理器单元用于控制和信号处理。
基底叠层可以包含不同的CMOS技术节点，针对功能进行了优化。例如，可以使用1μm半导体工艺技术来创建IR源和检测器，并且可以使用更精细的工艺(例如180nm)在单独的基底上创建电路。
IR源使用半导体工艺制造。这可以采用由电阻加热器形成的MEMS热源的形式，由通过诸如SiO2或SiN的介电材料形成的膜支撑。加热元件可以采用金属化轨道(例如钨，钛，铜，铂和/或金)，电阻半导体层或双极晶体管或MOSFET的形式。该器件能够采用CMOS工艺或非CMOS工艺制造。IR源也可以采用量子源的形式，例如，LED(例如，InAs、InSb和HgCdTe基LED)或LASER。
IR检测器使用半导体工艺制造。检测器可以采用热检测器的形式，例如热电堆，辐射热测量计或热电检测器。一种方法是使用热电堆检测器，使用一种或多种热电材料制造，包括n或p掺杂的聚/单晶硅，锗合金(geranium)，或金属，例如铋，锑，铝，铂，镍，金，钨和/或钛。CMOS工艺可用于制造。检测器还可以采用量子型检测器的形式，例如光电二极管或光电导检测器。
IR发射器和/或IR检测器可以在介电膜上制造。膜材料可以由二氧化硅和/或氮化硅组成。可以通过使用湿法或干法蚀刻对基底进行背蚀刻来形成膜。膜沟槽的壁能够是倾斜的或接近垂直的。膜能够是全封闭膜，沿其整个周边支撑。或者，它可以仅由两个或更多个梁支撑-这种结构能够通过基底的正面蚀刻形成。
IR源和检测器可以制造在单个基底/芯片或分离的基底上。基底可以以任何距离邻接或间隔开。使用单独的基底可以促进不同制造工艺的使用并改善部件之间的热隔离，例如，热源和检测器。在分离的基底的情况下，基底也能够是一个在另一个之上，或者可以在它们之间具有一个或多个基底。
可以提供控制检测到的IR辐射的光谱的方法。这可以采用窄带发射器/吸收器或离散光学滤光器的形式。在一种方法中，等离子体结构(或图案化结构)可以与热IR检测器和/或发射器集成，并设计成以目标气体的吸收波长发射和/或吸收辐射。等离子体结构可以使用几何图案制造，例如，热源/检测器的金属或半导体层中的孔和点阵列。等离子体结构可以使用诸如钛，钨，铜，铝的CMOS金属或诸如铂或金的非CMOS金属，或使用多晶硅或单晶硅来制造。可能有一层或多层具有等离子体结构。还可以通过在膜的介电层内产生孔来制造等离子体结构。
在另一种方法中，可以使用传统的滤光器来控制检测到的IR辐射的光谱。这可以采用带通滤光器(bandpass filter)的形式，用于在气体的吸收波长下通过IR辐射。滤光器可以堆叠在基底层之间。它可以采用由基底支撑的介电膜上的滤光器/窗口的形式。
可以使用具有不同光谱响应的多个IR源，检测器或滤光器。这种布置可用于感测多种气体类型或气体混合物，例如区分挥发性有机化合物，或二氧化碳和酒精蒸气的混合物。在一种方法中，可以使用具有集成等离子体结构的IR源或检测器阵列来实现多个光谱响应，以在不同光学波长下发射/吸收辐射。在另一种方法中，可以使用多个滤光器，例如，在一个或多个基底层上制造多个带通滤光器。
在本发明的另一实施方式中，可以在IR源和检测器部件之间产生不同的光路长度，例如，以优化对不同气体类型或气体浓度的感测。主腔外的不同点处的供料腔可用于照射不同的IR检测器。或者，可以使用完全分离的光路和IR源-检测器对。此外，用于在参考波长处感测(不受目标气体影响)的IR检测器可以位于IR源附近。
NDIR气体传感器可以以多种形式封装，包括SMD，TO，陶瓷，双列直插或任何其他类型的半导体封装。可以使用焊盘，凸块键合，粘合剂键合，热压缩，直接键合和混合方法将基底附着到封装。硅片通道(TSVs)或引线键合可用于形成到封装的电连接。
该装置可具有多种应用，包括环境空气质量监测和气体泄漏检测。传感器的小外形尺寸允许用于移动消费装置，包括移动电话，平板电脑和PDA。传感器还可用于控制建筑物和车辆中的空气通风单元(HVAC系统)。
优选实施方式的简要描述
现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的一些优选的实施方式，其中：
图1是芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图2是具有曲折形状的流体单元的芯片级NDIR化学传感器的俯视图；
图3是在IR设备和滤光器之间具有间隔物的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图4是具有形成正面蚀刻的流体单元(腔室)的基底的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图5是具有集成在芯片上的电路和TSV的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图6是芯片级NDIR化学传感器的剖视图，其中从IR设备的底部发射和检测辐射；
图7是具有等离子体差分读出的芯片级NDIR化学传感器的剖视图，并且示出了在最顶部基底中蚀刻的流体入口/出口；
图8是具有等离子体滤光器的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图9是芯片级NDIR化学传感器的剖视图，其中IR发射器和IR检测器彼此面对并通过焊球和倒装芯片方法组装；
图10是具有横截面曲折形状的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图11是与微流体通道共同集成的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图12是ATR结构的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图13是具有垂直直通光路的芯片级NDIR化学传感器的剖视图；
图14是芯片级NDIR化学传感器的另一剖视图；
图15(a)显示了化学传感装置的横截面，包括在同一半导体基底上制造的IR源和IR检测器；
图15(b)示出了环形结构的实施方式的俯视图，该环形结构与基底的蚀刻和未蚀刻部分重叠；
图16是包括NDIR化学传感器的制造步骤的流程图。
优选实施方式的详细描述
图1示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻半导体基底1形成的膜内。介电层3用作蚀刻停止层。IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻半导体基底1形成的膜内。电介质层3作为蚀刻停止层。化学传感装置还包括滤光器5，其堆叠在基底1的顶部以控制发射/检测的IR辐射的光谱。化学传感装置还包括堆叠在滤光器5顶部的半导体基底6，以形成IR辐射传播通过的流体单元(或腔室)。所述流体单元(或腔室)由使用湿法蚀刻工艺产生的腔形成，从而产生倾斜的侧壁。介电层7用作蚀刻停止层。腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。所述腔的壁上的反射层8用于改善侧壁反射率，从而减少光学损失。
图2示出了化学传感装置的俯视图，包括在同一半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜9内。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜10内。化学传感装置还包括半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元(腔室)由使用半导体蚀刻工艺产生的腔形成。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。此外，提供流体入口/出口。显而易见的是，这只是光路的一种可能的形状，并且许多其他形状是可能的，例如螺旋形，环形或具有许多不同弯曲的曲折形状等。此外，在路径内可以有多个流体入口和出口。
图3示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。所述介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整所述IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括堆叠在基底13顶部的滤光器5，以控制发射/检测的IR辐射的光谱。所述化学传感装置还包括堆叠在滤光器5顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元(腔室)由使用湿法蚀刻工艺产生的腔形成，从而产生倾斜的侧壁。介电层7作为蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。所述腔的壁上的反射层8用于改善侧壁反射率，从而减少光学损失。
图4示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。化学传感装置还包括堆叠在基底1顶部的滤光器5，以控制发射/检测的IR辐射的光谱。化学传感装置还包括半导体基底13和堆叠在滤光器5顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元(腔室)由使用基底13作为间隔物并通过正面湿法蚀刻介电层7而形成的腔形成，从而产生倾斜的侧壁。半导体基底6作为前蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。所述腔的壁上的反射层8用于改善侧壁反射率，从而减少光学损失。
图5示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。IR源是电阻加热器2的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。化学传感装置还包括半导体基底13和堆叠在半导体基底1顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元(腔室)由使用基底13作为间隔物并通过正面湿法蚀刻介电层7而形成的腔形成，从而产生倾斜的侧壁。半导体基底6作为前蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。所述化学传感装置还包括由FET 14和FET 15示意性表示的一些电子器件。FET 14集成在半导体基底1上。FET 15集成在半导体基底6上。FET 14和FET 15使用不同的CMOS技术节点实现(例如，使用1μm半导体工艺技术的FET 14和使用180nm工艺的FET 15)。硅片通道(TSV)技术16还用于促进不同基底之间的连接并减少化学传感器件的形状因素(Chemical sensing device form factor)。
图6示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括滤光器5，其堆叠在基底1下方以控制底部发射/检测的IR辐射的光谱。所述化学传感装置还包括堆叠在滤光器5下方的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元由腔形成，所述腔经湿法蚀刻工艺形成且产生倾斜的侧壁。所述介电层7作为蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。
图7示出了化学传感装置的横截面，该化学传感装置包括在同一半导体基底1上制造的IR源和IR检测器阵列(在该特定情况下为两个检测器)。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。IR检测器阵列是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的不同膜中。所述介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)12也嵌入在IR检测器之一的膜内，以调整该特定IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括堆叠在所述半导体基底1顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元通过使用基底产生的腔而形成，经湿法蚀刻所述半导体基底6形成倾斜的侧壁。所述介电层7作为蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。此外，提供流体入口/出口。通过观察由形成IR检测器阵列的两个热电堆产生的差分信号来进行检测。或者，两个IR检测器都可以具有等离子体层，但针对不同波长进行了优化。还可以存在两个以上的IR检测器，每个IR检测器具有不同类型的等离子体层、相同的等离子体层或没有等离子体层。
图8示出了化学传感装置的横截面，该化学传感装置包括在同一半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。所述介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻半导体基底1形成的膜内。所述介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括半导体基底13，其被蚀刻以形成膜，并且用作堆叠在基底1顶部上的滤光器。介电层17作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)18嵌入在介电层17内，以进一步控制发射/检测的IR辐射的光谱。所述化学传感装置还包括堆叠在半导体基底13顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元由腔形成，所述腔经湿法蚀刻工艺形成且产生倾斜的侧壁。所述介电层7作为蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。
图9示出了化学传感装置的横截面，包括在半导体基底1上制造的IR源。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述化学传感装置还包括堆叠在基底1顶部的半导体基底13。所述化学传感装置还包括在半导体基底6上制造的IR检测器，通过倒装芯片方法堆叠在基底13的顶部上。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底6形成的膜内。介电层7作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。半导体基底1、6和13通过球形键合19连接在一起。有利地，该方法导致基底之间的间隔，其充当流体入口/出口。
图10示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括半导体基底13，其被蚀刻以形成膜，并且作为堆叠在基底1顶部上的滤光器。介电层17作为蚀刻停止层。等离子体层(或图案化结构)18嵌入在介电层17内，以进一步控制发射/检测的IR辐射的光谱。所述化学传感装置还包括堆叠在半导体基底13顶部的半导体基底20和6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元由腔形成，所述腔经湿法蚀刻工艺形成且产生倾斜的侧壁。所述介电层7作为蚀刻停止层。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。此外，提供流体入口/出口。
图11示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括堆叠在基底13顶部的微流体通道21，以允许被测流体22与发射的IR辐射相互作用。所述化学传感装置还包括堆叠在所述微流体通道21顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元由腔形成，所述腔经湿法蚀刻工艺形成且产生倾斜的侧壁。所述介电层7作为蚀刻停止层。所述腔用于将IR辐射从源传递到检测器并通过被测流体22。所述腔的壁上的反射层8用于改善侧壁反射率，从而减少光学损失。
图12示出了化学传感装置的横截面，包括在同一半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括堆叠在基底13顶部的基底23，其将来自IR源的IR辐射引导到所述IR检测器。由基底23内部的反射产生的倏逝波与流体22相互作用。进一步蚀刻的半导体基底6堆叠在基底23的顶部上以形成流体贮存器。介电层7作为蚀刻停止层。还提供了流体入口/出口。
图13示出了化学传感装置的横截面，其包括在半导体基底1上制造的IR检测器。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括堆叠在基底1顶部的半导体基底13和半导体基底20。所述化学传感装置还包括在半导体基底6上制造的IR源。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底6形成的膜内。介电层7作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述半导体基底1、6、13和20通过球形键合19连接在一起。有利地，该方法导致基底之间的间隔，其充当流体入口/出口。硅片通道(TSV)技术16还用于促进不同基底之间的连接并减少化学传感器件的形状因素。
图14示出了化学传感装置的横截面，包括在相同的半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述化学传感装置还包括堆叠在基底13顶部的滤光器5，以控制发射/检测的IR辐射的光谱。所述化学传感装置还包括堆叠在滤光器5顶部的半导体基底6，以形成IR辐射通过其传播的流体单元。所述流体单元由腔形成，所述腔经定时湿法蚀刻工艺形成且产生倾斜的侧壁。所述腔用于将来自源的IR辐射引导至检测器并通过流体(在该特定情况下为CO2)。所述腔的壁上的反射层8用于改善侧壁反射率，从而减少光学损失。
图15(a)示出了化学传感装置的横截面，该化学传感装置包括在同一半导体基底1上制造的IR源和IR检测器。所述IR源是电阻加热器2的形式，嵌入在通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层11也嵌入膜内，以调整IR发射器的发射特性。所述IR检测器是热电堆4的形式，嵌入通过蚀刻所述半导体基底1形成的膜内。介电层3作为蚀刻停止层。等离子体层12也嵌入膜内，以调整IR检测器的吸收特性。所述IR发射器的电阻加热器2和所述IR检测器的热电堆4被金属环14封闭，所述金属环14与基底的蚀刻和未蚀刻部分重叠。该环将在发射器和检测器之间提供良好的热隔离，并减少蚀刻容差变化的影响。类似地，环结构也可以添加到堆叠基底13和任何其他堆叠的如先前附图中所述实施方式中。
图15(b)示出了环结构14的实施方式的俯视图，其与基底的蚀刻和未蚀刻部分重叠。
图16是包括NDIR化学传感器的制造步骤的流程图。
本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附的权利要求中，诸如“之上”，“之下”，“前”，“后”，“垂直”，“下方”等位置术语是参考半导体器件的概念性说明而作出的，例如那些显示标准横截面透视图的半导体器件和附图中所示的半导体器件。这些术语用于便于参考，但不是限制性的。因此，这些术语应理解为指的是当处于如附图所示的取向时的半导体器件。
尽管已经根据如上所述的优选实施方式描述了本发明，但是应该理解，这些实施方式仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施方式。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。无论是单独的还是与本文公开或说明的任何其他特征的任何适当组合，本说明书中公开或说明的每个特征可以结合在本发明中。

Claims (17)

1.一种用于检测流体的化学传感装置，所述化学传感装置包括：
包括至少一个半导体基底区域的半导体基底，其中，所述至少一个半导体基底区域包括第一基底和第二基底，其中，第一基底包括第一蚀刻部分并且其中第二基底包括第二蚀刻部分；
形成在所述第一基底上的第一介电层和形成在所述第二基底上的第二介电层；其中，所述第一介电区域包含与所述第一蚀刻部分相邻的第一介电膜区域和所述第二介电区域包含与所述第二蚀刻部分相邻的第二介电膜区域；
用于发射红外（IR）信号的光源；
用于检测从所述光源发出的发射红外信号的光学检测器；和
形成在所述第一介电层之上和所述第二介电层之下或所述第二介电层之上和所述第一介电层之下的一个或多个另外的基底，
其中，所述一个或多个另外的基底各自包含蚀刻部分；
其中，流体腔室由所述一个或多个另外的基底的所述至少一个蚀刻部分形成；
其中，所述一个或多个另外的基底中的所述流体腔室限定用于IR信号从光源传播到光学检测器的光路；
其中，所述光源至少部分地形成在所述第一介电膜区域内，
其中，所述光学检测器至少部分地形成在第二介电膜区域内；
和其中光源和光检测器相对于彼此垂直间隔开，
并且其中一个或多个另外的基板在第一介电膜和第二介电膜之间形成垂直间隔。
2.根据权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述一个或多个另外的基底与所述介电层间隔开，以形成用于目标流体进入或离开所述化学传感装置的开口。
3.根据权利要求2所述的化学传感装置，其中，该化学传感装置还包括在所述介电层和所述一个或多个另外的基底之间的所述开口中的球形键合。
4.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，该化学传感装置还包括在所述介电膜内的一层或多层图案化结构，其中，所述图案化结构中的一部分在所述光源之上，并且所述图案化结构的另一部分在所述光学探测器之下，或者其中所述图案化结构中的一部分在所述光源之下，并且所述图案化结构的另一部分在所述光学探测器之上。
5.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述一个或多个另外的基底使用以下技术中的一种或多种与包含所述介电膜的所述介电层相耦合：
多个球形键合；
焊盘；
凸点键合；
粘接键合；
热压缩；
直接键合；
晶片键合；和/或
混合技术。
6.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，该化学传感装置还包括在所述半导体基底区域中的硅片通道（TSVs），所述介电层和所述一个或多个另外的基底，其中，所述硅片通道被配置为向外部系统或基底之间提供电连接。
7.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，该化学传感装置还包括集成在所述半导体基底区域之中和所述一个或多个另外的基底之中的电路。
8.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述半导体基底区域和所述一个或多个另外的基底均包含CMOS技术节点。
9.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述光源包含使用CMOS技术或非CMOS技术形成的电阻加热器。
10.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述光源是包括发光二极管（LED）或激光装置的量子源。
11.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述光学检测器是包括热电堆、辐射热测量计或热电检测器的热检测器。
12.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述光学检测器是包括光电二极管或光电导检测器的量子检测器。
13.根据前述权利要求1所述的化学传感装置，其中，所述装置使用以下中的一个或多个来封装：
金属晶体管输出（TO）型封装;
陶瓷，金属或塑料表面贴装封装；
IR滤光器；
反射器；
倒装芯片方法；
芯片或晶片级封装；
镜头；
印刷电路板（PCB）。
14.根据权利要求13所述的化学传感装置，其中，使用以下技术中的一种或多种将所述半导体基底区域附接到封装：
多个球形键合；
焊盘；
凸点键合；
粘接键合；
热压缩；
直接键合；
晶片键合；和/或
混合技术。
15.一种制造用于检测流体的化学传感装置的方法，该方法包括：
形成包括至少一个基底区域的半导体基底，其中，所述至少一个基底区域包括第一基底和第二基底；
在所述第一基底上沉积第一介电层，并在所述第二基底上沉积第二介电层；
形成用于发射红外（IR）信号的光源；
形成用于检测从所述光源发出的发射红外信号的光学检测器；
蚀刻所述第一基底形成第一蚀刻部分和蚀刻所述第二基底形成第二蚀刻部分，在所述第一介电区域中形成第一介电膜区域和在所述第二介电区域形成第二介电膜区域，所述第一介电膜区域与所述第一蚀刻部分相邻和所述第二介电膜区域与所述第二蚀刻部分相邻；和
在所述第一介电层之上和第二介电层之下或第二介电层之上或第一介电层之下形成一个或多个另外的基底；和
蚀刻所述一个或多个另外基底形成蚀刻部分；
其中，流体腔室由所述一个或多个另外的基底的所述蚀刻部分形成；
其中所述一个或多个另外的基底中的所述流体腔室限定用于发射红外信号从所述光源传播到所述光学检测器的光路；以及
其中，所述光源至少部分地在所述第一介电膜区域内，
其中所述光学检测器至少部分地形成在所述第二介电膜区域；
其中光源和光检测器相对于彼此垂直间隔开，并且其中一个或多个另外的基板在第一介电膜和第二介电膜之间形成垂直间隔。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一介电膜、所述第二介电膜，和所述一个或多个另外的基底通过以下任何一种方式形成：
使用所述基底的深反应离子蚀刻（DRIE）进行背蚀刻，形成垂直的侧壁；以及
使用各向异性蚀刻如KOH（氢氧化钾）或TMAH（四甲基氢氧化铵），形成倾斜的侧壁。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述化学传感装置通过CMOS兼容工艺步骤制造。
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