CN109725038A - 在微机电系统电化学传感器上沉积电极和电解质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“在微机电系统电化学传感器上沉积电极和电解质的方法”。本发明整体涉及用于在微机电系统(MEMS)电化学传感器上沉积电极和电解质的系统、设备和方法。一种方法可以包括在基板表面上提供刀片；沿所述基板的周边提供脊；将电极和电解质按压到刀片和脊上；将电极切割成多个电极；将电解质定位成接触所述表面、刀片和脊；以及定位所述多个电极以接触所述表面、刀片和脊。

Description

在微机电系统电化学传感器上沉积电极和电解质的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年10月31日提交的欧洲专利申请17199488.2的权益，该专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
有关联邦资助的研究或发展
不适用。
缩微平片附件的引用
不适用。
背景技术
电化学传感器可用于检测各种类型的气体，包括氧气，以及其他类型的气体，例如，硫化氢、氯、一氧化氮、一氧化碳和碳氢化合物。电化学传感器可被定位在外壳内，该外壳内可包括电解质。外部电连接可允许电化学传感器电联接到外部处理电路。通常，包括外壳和电化学传感器的电化学传感器组件相对较大。总体尺寸可能导致电化学传感器和外部处理电路之间的信号退化，并且还会妨碍在小的器械例如移动电话、可穿戴设备等中的使用。另外，大尺寸的电极和大尺寸的电解质体积可能会增加传感器的成本。
发明内容
在一个实施方案中，一种用于在微机电系统(“MEMS”)电化学传感器上沉积电极和电解质的方法，该方法包括：在基板的表面上提供刀片；沿着基板的周边提供脊，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的；将电极和电解质按压在刀片和脊上，其中电解质被定位成接触电极的顶部；将电极切割成多个电极；将电解质定位在凹坑内以接触所述表面、刀片和脊；以及将所述多个电极电位在凹坑内以接触所述表面、刀片和脊。
在一个实施方案中，MEMS电化学传感器可包括基板，该基板包括表面；刀片，该刀片被配置为将电极切割成单独电极；脊，该脊沿着基板的周边延伸，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的并且被配置为切割电解质。
根据以下具体实施方式并结合附图和权利要求，将更清楚地理解这些特征和其他特征。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。
图1示出了根据本公开的实施方案的硅基板。
图2示出了根据本公开的实施方案的具有刀片的硅基板。
图3示出了根据本公开的实施方案的具有刀片和脊的硅基板。
图4示出了根据本公开的实施方案的图3的横截面。
图5根据本公开的实施方案示出了图3的横截面并另外示出了电解质和电极。
图6示出了根据本公开的实施方案的被定位在基板上的多个电极。
图7根据本公开的实施方案示出了图3的横截面并另外示出了电解质和电极。
图8示出了根据本公开的实施方案的刀片、感测电极、对电极、参考电极和被脊围绕的可选诊断电极的另选构造的顶视图。
图9示出了根据本公开的实施方案的刀片、感测电极和对电极的另选构造。
图10示出了根据本公开的实施方案的图9所示的构造的顶视图。
具体实施方式
首先应当理解，尽管下文示出了一个或多个实施方案的例示性具体实施，但是所公开的系统和方法可以使用任何数量的技术来实现，无论是当前已知的还是尚未存在的。本公开绝不应限于下文示出的例示性具体实施、附图和技术，但是可在所附权利要求书的范围连同其等效物的全部范围内进行修改。
以下对术语的简要定义应适用于整个申请：
术语“包括”是指包括但不限于，并且应以通常用于专利上下文的方式进行解释；
短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般是指该短语之后的特定特征、结构或特性可被包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可被包括在本发明的多于一个实施方案中(重要的是，此类短语不一定指代同一实施方案)；
如果说明书将某事物描述为“示例性”或“示例”，应当理解，其指代非排他性示例；
本领域的技术人员应当理解，术语“约”或“大约”等当与数字一起使用时可能是指具体数字或另选地是指该具体数字附近的范围；并且
如果说明书陈述部件或特征“可以”、“可”、“可能”、“应当”、“将会”、“优选地、“可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“有可能”(或其他此类语言)被包括或具有特性，则该特定部件或特征不需要被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地被包括在一些实施方案中，或其可被排除。
MEMS半导体制造技术使得能够制造非常小的低成本传感器。然而，传统用于电化学气体传感器的气体扩散电极难以以对于小的MEMS设备(例如，100μm和更小)所需的那种尺度图案化。尽管可使用其他类型的电极和制造技术，但是能够使用常规的气体扩散电极存在益处。
本公开的系统、方法和设备可允许将常规的电极和固体电解质的堆叠沉积到MEMS基板上，而无需图案化或切割电极/电解质堆叠的单独装置。这大大简化了制造并降低了成本。与常规的沉积技术诸如厚膜印刷相比，本公开的系统、方法和设备允许将电极/电解质堆叠制备为未图案化的片材，其在单个步骤中被直接沉积到硅片或晶片上。固体聚合物电解质被预制为具有沉积在一侧上的气体扩散电极的大片材。这可通过预先制造电极和电解质并将其按压在一起，或通过将电解质直接浇注到电极上，或通过将电极直接印刷到预制电解质上来实现。硅设备具有凸起的切割特征(例如，脊和刀片)，当多个部分被按压在一起时，该凸起的切割特征切割穿过电极但不完全穿过电解质。这将气体扩散电极分离成单独的区域，然后这些单独的区域接触基板的表面上的每个电极区域下面的合适连接件，以产生电极诸如感测电极、对电极和参考电极。任选地，每个设备的周边周围的较高特征恰好切割穿过电解质层，从而为每个设备冲压出电解质。电解质可被沉积到单个切片基板上，或者优选地在单个步骤中被沉积到整块晶片上。切割特征可通过蚀刻基板来产生，或者可以是单独部件，诸如粘结到平坦基板的玻璃或单独的硅结构。
图1为具有顶部表面102的硅基板100的示意图。基板100可具有任何合适的形状，例如矩形棱柱(如图所示)、立方体等。
图2为包括二氧化硅(SiO2)的刀片104的示意图。刀片104可从顶表面102向外延伸。在一些实施方案中，刀片104可以是玻璃或单独的硅结构，其中刀片104的近侧端部108可粘结(例如，粘合、焊接)到顶表面102。在其他实施方案中，刀片104可通过蚀刻基板100来产生/形成。刀片104从近侧端部108到远侧端部106可以是锥形的。锥形形状为刀片104提供锋利边缘以切割穿过电极(例如，图5所示的电极126)和电解质(例如，图5所示的电解质124)。在某些实施方案中，刀片104可类似于其每个端部(四个端部：端部105a、端部105b、端部105c、端部105d)接触周边111的十字架，如图所示。刀片104可沿着顶表面102延伸至周边111。
图3示出了沿着顶表面102的周边111(如图2所示)延伸的脊110。脊110可包括SiO2。脊110可延伸超过刀片104(例如，延伸远离顶表面102)，如图所示。即，脊110的高度可大于刀片104的高度。脊110可以是抵靠顶表面102的周边111粘结的玻璃或单独的硅结构(例如，如图4所示，脊110的近侧端部120可粘结到周边111)。在其他实施方案中，脊110可通过蚀刻基板100来产生。脊110可包括SiO2。脊110的高度可与电解质(例如，图5所示的电解质124)组合电极(例如，图5所示的电极126)的厚度相同。即，当电解质(例如，图5所示的电解质124)和电极(例如，图5所示的电极126)在脊110和刀片104上被按压成堆叠时，电解质的顶表面将与脊110齐平(即，形成连续平面)。在一些实施方案中，脊110的高度可以略高于电解质与电极的组合厚度(例如，在电解质被可轻微压缩的材料支撑的情况下)。如上所述，固体聚合物电解质(例如，图5所示的电解质124)可与沉积在一侧上的气体扩散电极(例如，图5所示的电极126)一起被预制为大的片材。这可通过预先制造电极和电解质并将其按压在一起，或通过将电解质直接浇注到电极上，或通过将电极直接印刷到预制电解质上来实现。凹坑112、114、116和118可沿着表面102定位在刀片104和脊110之间。脊110可被配置为在电解质和电极被按压在脊110和刀片104上时切割电解质和电极。当电极和电解质被按压在脊110和刀片104上时，电极和电解质的切割部分可抵靠刀片104和脊110滑动并进入凹坑112、114、116和118，从而接触顶表面102、刀片104和脊110。即，电解质和电极可(例如，经由按压)配合/定位在凹坑112、114、116和118内。
如图4(图3的横截面)所示，脊110从近侧端部120到远侧端部122可以是锥形的以提供用于切割穿过电极(例如，图5所示的电极126)和电解质(例如，图5所示的电解质124)的锋利边缘。
图5(图3的横截面并另外示出了电解质124和电极126)示出了电解质124被定位在电极126之上，从而形成堆叠，其中电解质124与电极126接触，如上所述。电解质124和电极126可被按压在刀片104和脊110上。如图所示，脊110和刀片104可在电极126和电解质124被按压到刀片104和脊110上并进入凹坑112、114(如图3所示)、116(如图3所示)和118时切割电极126和电解质124。
如图6所示，由于按压/切割，如上所述，电极126可被切割成多个电极：例如，工作电极128(WE)、参考电极130(RE)、诊断电极132(DE)和对电极134(CE)。如图所示，由于抵靠刀片104和脊110按压电极126，该电极已被完全切割成单独的电极。在图6中未示出脊110，以便提供工作电极128、参考电极130、诊断电极132和对电极134的清晰视图。然而，如图3所示，脊110沿着周边111延伸。
图7(图3的横截面并另外示出了电解质124、工作电极128和参考电极130(即，在被切割之后的电极126))示出了在按压/切割之后定位在基板100上(例如，在凹坑112和凹坑118内，如图3和图5所示)的电解质124、工作电极128和参考电极130，如上所述。如图所示，刀片104可部分地切入电解质124并且可将电极126完全地切割(如图5所示)成单独的电极(例如，工作电极128和参考电极130)，如上所述。
图8示出了刀片(例如，刀片140)、感测电极133、对电极134、参考电极136和被脊110围绕的可选诊断电极138的另选构造的顶视图(如上所述)。刀片140可包括部分141、部分142和部分143。部分141可沿着基板100的顶表面102的水平轴线(x)延伸(如图1所示)，从而在两个点(例如，点146和点148)处接触脊110。点146和点148可位于基板100的相对侧上(如图1所示)。部分142和部分143可垂直地从水平轴线(x)并沿着竖直轴线(y)延伸，如图所示。部分142可在一个点(例如，点150)处接触脊110。部分143可在一个点(例如，点152)处接触脊110。点150和点152可位于基板100的相对侧上(如图1所示)。可将刀片、脊、电极和/或电解质沉积到如上所述的基板上。
图9示出了刀片(例如，刀片154)、感测电极156和对电极158的另选构造。刀片154、感测电极156和对电极158中可各自具有锯齿形。如图所示，单个电极被按压/切割(如上所述)到刀片154和脊(例如，脊110，如图3所示)上，从而产生单独的电极。当与不处于这种锯齿形构造的刀片和电极相比，刀片154、感测电极156和对电极158的这种锯齿形构造可以允许电极之间的较低阻抗。可将刀片、脊、电极和/或电解质沉积到如上所述的基板上。
图10示出图9所示构造的顶视图。如图所示，脊160(例如，类似于上述脊110)可完全围绕刀片154、感测电极156和对电极158。刀片154可以在可能位于基板(例如，基板100，如图1所示)的相对侧的点(例如，点162、164)处接触脊160。
在描述了各种系统和方法之后，各种实施方案可包括但不限于：
在第一实施方案中，一种用于在MEMS电化学传感器上沉积电极和电解质的方法，该方法包括：在基板的表面上提供刀片；沿着基板的周边提供脊，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的；将电极和电解质按压在刀片和脊上，其中电解质被定位成接触电极的顶部；将电极切割成多个电极；将电解质定位在凹坑内以接触表面、刀片和脊；以及将所述多个电极电位在凹坑内以接触表面、刀片和脊。
第二实施方案可以包括第一实施方案的方法，还包括用刀片部分切割电解质。
第三实施方案可以包括第一或第二实施方案的方法，其中切割电极包括将电极完全切割成多个电极。
第四实施方案可以包括上述任一实施方案的方法，其中切割电极包括用刀片切割电极。
第五实施方案可以包括上述任一实施方案的方法，其中切割电解质包括用脊切割电解质。
第六实施方案可以包括前述实施方案中的任意一个的方法，其中定位多个电极包括将多个电极抵靠刀片和脊滑动到凹坑中。
第七实施方案可以包括前述实施方案中的任何一个的方法，其中提供刀片包括蚀刻基板以形成刀片。
第八实施方案可以包括前述实施方案中的任何一个的方法，其中提供脊包括将玻璃或单独的硅结构粘结到表面。
第九实施方案可以包括前述实施方案中的任何一个的方法，其中提供脊包括蚀刻基板以形成脊。
第十实施方案可以包括前述实施方案中的任何一个的方法，其中提供脊包括将玻璃或单独的硅结构粘结到表面。
在第十一实施方案中，MEMS电化学传感器可以包括基板，该基板包括表面；刀片，该刀片被配置为将电极切割成单独的电极；沿基板周边延伸的脊，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的并且被配置为切割电解质。
第十二实施方案可以包括第十一实施方案的MEMS电化学传感器，还包括感测电极、对电极和参考电极。
第十三实施方案可以包括第十一或第十二实施方案的MEMS电化学传感器，其中感测电极、对电极和参考电极中的每一者位于凹坑内。
第十四实施方案可以包括第十一至第十三实施方案中的任何一个的MEMS电化学传感器，还包括定位在凹坑内的诊断电极。
第十五实施方案可以包括第十一至第十四实施方案中的任何一个的MEMS电化学传感器，还包括感测电极和对电极，其中感测电极、对电极和刀片分别包括锯齿形，其中锯齿形被配置为降低感测电极和对电极之间的阻抗。
在第十六实施方案中，一种用于在微机电系统(MEMS)电化学传感器上沉积电极和电解质的方法，该方法包括：沿着基板表面的周边提供脊；将电极和电解质按压在脊上，其中电解质被定位成接触电极的顶部，并且将电极切割成多个电极。
第十七实施方案可以是第十六实施方案的方法，还包括在基板的表面上提供刀片，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的并且被配置为切割电解质。
在第十八实施方案中，一种用于在微机电系统(MEMS)电化学传感器上沉积电极和电解质的方法，该方法包括：在基板的表面上提供刀片；将电极和电解质按压在刀片上，其中电解质被定位成接触电极的顶部，并且将电极切割成多个电极。
第十九实施方案可以包括第十八实施方案的方法，还包括沿基板表面的周边提供脊，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的并且被配置为切割电解质。
在第二十实施方案中，微机电系统(MEMS)电化学传感器包括：基板，该基板包括表面；刀片，该刀片被配置为将电极切割成单独电极。
第二十一实施方案可包括第二十实施方案的MEMS电化学传感器，还包括脊，该脊沿基板表面周边延伸，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位，其中脊是锥形的并且被配置为切割电解质。
在第二十二实施方案中，微机电系统(MEMS)电化学传感器包括：基板，该基板包括表面；脊，该脊沿基板表面的周边延伸，其中脊是锥形的并且被配置为切割电解质。
第二十三实施方案可包括第二十二实施方案的MEMS电化学传感器，还包括刀片，该刀片被配置为将电极切割成单独的电极，其中脊的高度大于刀片的高度，其中脊被定位成围绕刀片，其中凹坑沿着刀片和脊之间的表面定位。
虽然以上已经示出和描述了根据本文公开的原理的各种实施方案，但是本领域技术人员可以在不背离本公开的精神和教导的情况下对其进行修改。本文所述的实施方案仅为代表性的并且不旨在进行限制。许多变型、组合和修改是可能的并且落在本公开的范围内。由组合、集成和/或省略实施方案的特征而产生的替代实施方案也在本公开的范围内。因此，保护范围不受上述描述的限制，而是由随后的权利要求来限定，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。每个权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，并且权利要求是本发明的实施方案。此外，上述任何优点和特征可涉及特定实施方案，但是它们不应将所公布的权利要求的应用限制为实现任意或全部上述优点或具有任意或全部上述优点的过程和结构。
此外，本文中使用的章节标题是为了与37C.F.R.1.77下的建议保持一致，或者为了提供组织提示。这些标题不应限制或表征在本公开中可能发布的任何权利要求中所提出的发明。具体而言并且作为示例，尽管标题可以指代“技术领域”，但是权利要求不应该受到在该标题下选择的用于描述所谓技术领域的语言的限制。此外，对“背景技术”中的技术的描述不应被解释为承认某些技术是本公开的任何发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在所公开的权利要求中阐述的本发明的限制性表征。此外，本公开中任何对单数形式的“发明”的引用都不应用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。可以根据从本公开公布的多个权利要求的限制来阐述多个发明，并且这样的权利要求因此限定了由其保护的发明及其等同物。在所有情况下，权利要求的范围应根据本公开内容根据其自身的优点来考虑，但不应受本文所述标题的约束。
使用更宽泛的术语诸如“包括”、“包含”和“具有”应理解为对较窄术语诸如“由...构成”、“基本上由...构成”和“大体上由...组成”等提供支持。使用与任何元件相关的术语“可选地”、“可”、“可能”、“有可能”意指该元件是不需要的或该元件是需要的，且两种替代方案均在实施方案的范围之内。此外，仅出于说明性目的提供对示例的参考，并且不旨在是排他的。
虽然已经在本公开中提供了若干实施方案，但是应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其他具体形式实施。本示例被认为是说明性的而非限制性的，并且意图不限于这里给出的细节。例如，各种元件或部件可以组合或集成在另一系统中，或者可以省略或不实现某些特征。
而且，在不脱离本公开的范围的情况下，在各个实施方案中描述和示出为离散或分离的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法组合或集成。示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其他项目可以通过某些接口、设备或中间部件间接耦合或通信(无论是电气、机械还是其他方式)。本领域技术人员可以确定改变、替换和变更的其他示例，并且可以在不脱离本文公开的精神和范围的情况下进行所述改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种用于在微机电系统(MEMS)电化学传感器上沉积电极(126)和电解质(124)的方法，所述方法包括：
沿基板(100)的表面(102)的周边(111)提供脊(110)；或者在基板(100)的表面(102)上提供刀片(104)；
将所述电极(126)和所述电解质(124)按压在所述脊(110)上或所述刀片(104)上，其中所述电解质(124)被定位成接触所述电极(126)的所述顶部；以及
将所述电极(126)切割成多个电极(132,134,136,138)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述基板(100)的所述表面(102)上提供所述脊(110)和所述刀片(104)，其中所述脊(110)的高度大于所述刀片(104)的高度，其中所述脊(110)被定位成围绕所述刀片(104)，其中凹坑(112,114,116,118)沿着所述刀片(104)和所述脊(110)之间的所述表面(102)定位，其中所述脊(110)是锥形的并且被配置为切割所述电解质(124)。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
将所述电极(126)和所述电解质(124)按压在所述刀片(104)上；
用所述刀片(104)部分地切割所述电解质(124)；以及
将所述多个电极定位在所述凹坑(112,114,116,118)内以接触所述表面(102)、所述刀片(104)和所述脊(110)。
4.根据权利要求3所述的方法，将所述电解质(124)定位在所述凹坑(112,114,116,118)内以接触所述表面(102)、所述刀片(104)和所述脊(110)。
5.一种微机电系统(MEMS)电化学传感器，包括：
基板(100)，所述基板包括表面(102)；和
刀片(104)，所述刀片被配置为将电极(126)切割成单独的电极(132,134,136,138)。
6.根据权利要求5所述的MEMS电化学传感器，还包括脊(110)，所述脊沿所述基板(100)的所述表面(102)的所述周边(111)延伸，其中所述脊(110)的所述高度大于所述刀片(104)的所述高度，其中所述脊(110)被定位成围绕所述刀片(104)，其中凹坑(112,114,116,118)沿着所述刀片(104)和所述脊(110)之间的所述表面(102)定位，其中所述脊(110)是锥形的并且被配置为切割电解质(124)。
7.根据权利要求6所述的MEMS电化学传感器，还包括感测电极(133)、对电极(134)和参考电极(136)。
8.一种微机电系统(MEMS)电化学传感器，包括：
基板(100)，所述基板包括表面(102)；
脊(110)，所述脊沿所述基板(100)的所述表面(102)的所述周边(111)延伸，其中所述脊(110)是锥形的并且被配置为切割电解质(124)。
9.根据权利要求8所述的MEMS电化学传感器，还包括刀片(104)，所述刀片被配置为将电极(126)切割成单独的电极(132,134,136,138)，其中所述脊(110)的所述高度大于所述刀片(104)的所述高度，其中所述脊(110)被定位成围绕所述刀片(104)，其中凹坑(112,114,116,118)沿着所述刀片(104)和所述脊(110)之间的所述表面(102)定位。
10.根据权利要求9所述的MEMS电化学传感器，还包括感测电极(133)、对电极(134)和参考电极(136)，其中所述感测电极(133)、所述对电极(134)和所述参考电极(136)中的每一者位于凹坑(112,116,118)内。
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