CN109752428A - 用mems制造技术构造的电化学气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用MEMS制造技术构造的电化学气体传感器”。本发明提供了涉及基于微机电系统(MEMS)的气体传感器的装置和相关联的方法，所述气体传感器包括与布置在顶部半导体衬底(TSS)的底部表面上的一个或多个顶部电极以及布置在底部半导体衬底(BSS)的顶部上的一个或多个底部电极接触的电解质，所述TSS和所述BSS通过所述电解质周围的粘合剂密封接合，所述传感器包括一个或多个毛细管，提供与来自外部周围环境的电解质的气体连通。所述电极可通过一个或多个通孔电触及外部可触及的接合焊盘。在一些示例中，电连接可由在所述TSS顶部到所述电解质的附加接合焊盘制成。各种实施方案可减小各种气体传感器的尺寸，以有利地允许它们被纳入便携式电子设备中。

Description

用MEMS制造技术构造的电化学气体传感器
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2017年11月3日提交的欧洲专利申请No.17199871.9的权益，该欧洲专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
各种实施方案整体涉及气体感测。
背景技术
电化学气体传感器是气体检测器，其通过氧化或还原电极处的目标气体并测量所得电流来测量目标气体的浓度。这些类型的传感器可包含与电解质接触的一个或多个电极。气体可通过多孔膜扩散进入传感器到达气体在其中被氧化或还原的工作电极。该电化学反应可产生电流，该电流可穿过例如用于强度测量的外部电路。
在可能突然存在危险气体的环境中，气体传感器可用于人身安全。传感器可触发可听警报和/或可见警示灯。
发明内容
装置和相关联的方法涉及基于微机电系统(MEMS)的气体传感器，包括与布置在顶部半导体衬底(TSS)的底部表面上的一个或多个顶部电极以及布置在底部半导体衬底(BSS)的顶部上的一个或多个底部电极接触的电解质，TSS和BSS通过电解质周围的粘合剂密封接合，该传感器包括一个或多个毛细管，提供与来自外部周围环境的电解质的气体连通。电极可通过一个或多个通孔电触及外部可触及的接合焊盘。在一些示例中，电连接可由在TSS顶部到电解质的附加接合焊盘制成。各种实施方案可减小各种气体传感器的尺寸，以有利地允许它们被纳入便携式电子设备中。
各种实施方案可实现一个或多个优点。例如，可以更经济地生产各种实施方案，并且这些节省的成本可传递给最终客户。由于较小的传感器尺寸造成的较低阻抗可得到改善的准确度。在各种示例中，封闭的电解质可基本上使蒸发最小化，这可有利地增加传感器寿命。对于给定的设备尺寸，一些用户可能会经历功能的增加，因为检测到的各种气体的数量可能会增加。
在附图和以下说明书中阐述了各种实施方案的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1示出了结合在用户的移动设备中以检测一氧化碳的基于MEMS的示例性气体传感器。
图2示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性双电极气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在两个层上具有接合焊盘。
图3示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性单电极气体传感器的横截面正视图。
图4示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在单个层上具有接合焊盘。
图5示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠具有凸起的顶部晶片并且在单个层上具有接合焊盘。
图6示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠具有凸起的顶部晶片并且在两个层上具有接合焊盘。
图7示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的平面图，该硅晶片堆叠在两个层上具有接合焊盘。
图8示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在底面上具有接合焊盘。
图9示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠具有相同尺寸的顶部晶片和底部晶片。
图10示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在底面上具有毛细管并且在两个层上具有接合焊盘。
各种绘图中的类似参考符号指示类似的元件。
具体实施方式
为有助于理解，该文档按如下方式组织。首先，示出了在典型的使用情况下实现的基于MEMS的示例性气体传感器，该传感器足够小以装配在用于检测特定气体的移动设备内。接下来结合图2至图10，简要介绍各种晶片堆叠构型。图2示出了具有两个电极的构型。图3示出了一个电极。图4示出了所有接合焊盘均在一个层上的布置方式。图5和图6分别示出了在单个层和两个层上具有接合焊盘的凸起上部晶片。图7示出了来自顶部的示例性接合焊盘位置。图8示出了在底部上具有接合焊盘的布置方式。图9示出了具有单个缺口的布置方式，使得顶部层和底部层为基本上相同的尺寸。图10示出了来自底部的气体入口。值得注意的是，图2至图6和图8至图10示出了示例性的横截面视图，并且因此，一些水平层可通过各种竖直结构(例如，接合焊盘、电极、毛细管)出现断开连接。应当理解，看起来断裂但以单个参考标号表示的水平结构(例如，晶片衬底、介质层、绝缘层、铂膜层)在沿着水平结构平面的其他区域中可以是连续的。
图1示出了结合在用户的移动设备中以检测一氧化碳的基于MEMS的示例性气体传感器。在所示的示例中，基于MEMS的气体传感器100A以微型尺寸100B存在。微型尺寸100B可使得基于MEMS的气体传感器100A能够结合到所描绘的由用户110握持的移动设备105内。当移动设备105暴露于环境气体115时，移动设备105用警报120警示用户110。
基于MEMS的气体传感器100A可用于各种气体检测用途。例如，空气质量诸如烟雾或其他人类刺激物可被测量并显示给用户110。如果烟雾污染程度过高，则用户可决定前往室内。在一个示例性示例中，矿工可携带其移动设备(例如，手机、平板电脑、手表、笔记本电脑)进入矿。移动设备可包含基于MEMS的气体传感器，其被设计用于检测一种或多种相关气体(例如，氧气、一氧化碳、硫化氢)。当这些气体中的一种或多种越过预先确定的阈值时，移动设备可警示矿工。因此，基于MEMS的气体传感器100A可保护矿工的健康。由于基于MEMS的气体传感器100A的小尺寸，各种移动设备可结合一种或多种气体传感器以用于检测一种或多种气体。此外，基于MESMS的气体传感器100A可包括单个传感器内的两个或更多个感测电极。
在航空航天应用中，用户可监测例如飞机上的氧含量。在一些示例中，氧含量也可由被规定氧疗法的个体诸如患有慢性阻塞性肺病的个体(COPD)监测。在此类示例中，个体可在氧含量降至低于预先确定的阈值的情况下绑上氧气瓶。
在各种家用实施方案中，由于基于MEMS的气体传感器100A的小尺寸和低成本，房主可以经济地购买家用气体传感器。基于MEMS的气体传感器100A的经济方面可允许房主有利地在更多地方部署基于MEMS的气体传感器100A，并且/或者可引入在房主的平均预算范围内的多种气体感测(例如，CO、硫化氢(H2S)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、挥发性有机化合物(VOC))。
图2示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性双电极气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在两个层上具有接合焊盘。基于MEMS的气体传感器具体实施200包括底部晶片205。在一些示例中，底部晶片可为硅，其可有利地提供更具刚性的材料，在负载条件下最小程度地变形。硅也可为有成本效益的材料。在一些具体实施中，底部晶片205可为玻璃，其可有利地提供气密密封，提供更大的柔韧性，并且可有利地提供光学透明性。
绝缘层210在底部晶片205的顶部上生长。在一些示例中，绝缘层210可为热氧化物。在一些具体实施中，绝缘层210可被称为掩埋氧化物层(BOX)。在绝缘层210的顶部上沉积铂的图案化膜。铂膜包括电极215A和电极215B。在铂膜层的顶部上沉积并图案化介质层220。一对接合焊盘225A和225B通过介质层220实现，并接触电极215A和215B。在各种具体实施中，介质层220图案化工艺可形成通孔，用于创建电极215A和215B与接合焊盘225A和225B之间的电接触。接下来，将电解质230置于电极215A和215B的顶部上。
在一些具体实施中，各种金属可用于电极215A和215B。例如，取决于待检测的目标气体，金、钌或铱或合金可用于电极215A和215B。
在一些实施方案中，电解质230可为固体聚合物电解质。固体聚合物电解质可抵抗蒸发，其可有利地生产长寿命产品。可适用于一些实施方案的电解质的示例描述于例如由Chapples等人在2001年7月27日提交的标题为“Gas Sensors”的美国专利申请序列号10/343,162中的图1、项目4，其全部公开内容据此以引用方式并入。在一些具体实施中，电解质230可为液体或凝胶形式。电解质230的液体或凝胶形式可允许在气体传感器具体实施200的制造期间更快速地分配。
电解质230与沉积在顶部晶片240的底部上的铂膜层235接触。在一些具体实施中，顶部晶片240可以是掺杂的硅，以便在电极215A和215B的一个或两个与顶部接合焊盘245之间输送电流。电流可在电极215A与电解质230之间的界面处产生。因此，电流可在电极215B与电解质230之间产生。
如所示的示例中所示，顶部晶片240包括在顶部上生长的绝缘层250。绝缘层250可为厚的热氧化物层。毛细管255的阵列被钻孔通过顶部晶片240。毛细管255允许环境气体取道进入电解质230。与电极215A和215B的一个或两个与电解质230之间的界面接触的气体可产生在顶部接合焊盘245和电极215A和215B的一个或两个之间流动的电流。底部晶片层叠件(包括底部晶片205、绝缘层210和电极215A、电极215B、介质层220、接合焊盘225A和接合焊盘225B)和顶部晶片层叠件(包括铂膜层235、顶部晶片240、顶部接合焊盘245和绝缘层250)通过粘合剂260以粘合方式联接。底部晶片层叠件和顶部晶片层叠件捕集电解质230，该电解质由粘合剂260完全环绕。粘合剂260可充当密封件，将电解质230密封而不接触周围环境。因此，接触电解质230的任何气体可仅通过毛细管255以可控方式到达电解质230。
在各种示例中，粘合剂260可为各种类型的玻璃键合，例如玻璃料。制造商可使用玻璃料方法将晶片205和240键合在一起，以低加热实现，这可有利地防止在键合过程期间对电解质230的损坏。粘合剂260可为金属粘合剂层。
在一些具体实施中，顶部晶片240中位于电解质230正上方的凹槽可使用氢氧化钾(KOH)蚀刻工艺形成。KOH蚀刻可产生具有侧壁的特征V蚀刻，并且可相对于顶部晶片240的表面形成精确控制的角度。蚀刻V形区域可产生用于电解质230的空间。在一些示例中，铂膜层可限定反电极、参考电极和/或测试电极。
图3示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性单电极气体传感器的横截面正视图。基于MEMS的气体传感器具体实施300包括底部晶片305。绝缘材料310在底部晶片305的顶部上生长。在绝缘材料310的顶部上沉积并图案化铂膜的层。该铂膜层包括单个电极315。在单个电极315的顶部上沉积并图案化介质层320。接合焊盘325通过介质层320实现并且接触电极315。
通过在一个表面上生长厚的热氧化物(未示出)来制备顶部晶片330，该顶部晶片将在后面的步骤中定位在底部晶片305上方。在顶部晶片330的区域中图案化热氧化物，该区域将对应于底部晶片305的电极区域，去除该对应区域中的热氧化物。
接着，在热氧化物的开口区域中蚀刻顶部晶片330的硅以产生腔体。该过程可用湿化学法或等离子化学法来实现，例如氢氧化钾(KOH)的湿蚀刻剂。在一些示例中，等离子体化学法可以是波希法或各向异性蚀刻。腔体可被蚀刻至约1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或约100μm的深度。当顶部晶片330和底部晶片305接合时，该腔体可提供用于电解质335的额外空间。
接着，在顶部晶片330的蚀刻侧上生长另一种热氧化硅330A。在一些示例中，氧化硅的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)可沉积在顶部晶片330的蚀刻侧上。在顶部晶片330的与蚀刻腔体相对的一侧上，毛细孔340与腔体相对地图案化。在一些示例中，可采用深反应离子蚀刻(DRIE)将毛细孔340通过顶部晶片330蚀刻到相对侧上的氧化硅330A。氧化硅330A可用作DRIE的蚀刻停止层。接下来，第二等离子体蚀刻可用于在毛细孔340的底部蚀刻通过氧化硅330A。接下来，铂膜345沉积在晶片的腔体侧上。铂膜可为电极。在各种示例中，铂膜可称为顶部电极。
如所讨论的，可采用深反应离子蚀刻(DRIE)将毛细孔340通过顶部晶片330蚀刻到相对侧上的氧化硅330A。在一些程序性示例中，铂膜345可接下来沉积在晶片的腔体侧上。第二等离子体蚀刻可用于接下来在毛细孔340的底部蚀刻通过氧化硅330A。
在一些实施方案中，可通过图案化和蚀刻，或通过使用玻璃料玻璃限定腔体来将腔体蚀刻至底部晶片305中。在此类示例中，顶部晶片330可不包括腔体。
在将顶部晶片330放置到底部晶片305上之前，将键合剂350沉积在底部晶片305上的电极315周围。接下来，将顶部晶片330和底部晶片305放置然后对准并键合。一旦晶片305和330被键合，则可通过各种方法(例如，锯切、激光切割)将它们切成单个传感器。在一些实施方案中，气体扩散电极(例如，215A、215B、235、315和/或345)可被放置或印刷在每个部件晶片305和330上。电解质(例如，230、335)可沉积或印刷在气体扩散电极(例如，215A、215B、235、315和/或345)上。当晶片305和330接触并键合时，可完成气体扩散电极/电解质堆叠。
在一些实施方案中，晶片305和330可为玻璃。在这些实施方案中，底部晶片可遵循如上所述的与去除的热氧化步骤相同的顺序。对于玻璃顶部晶片330，腔体可通过湿法蚀刻或介质喷砂(诸如微磨粒喷射加工)形成。毛细孔340可例如通过激光钻孔或超声加工和/或钻孔来形成。
图4示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在单个层上具有接合焊盘。基于MEMS的气体传感器具体实施400包括底部晶片405。绝缘材料410在底部晶片405的顶部上生长。在绝缘材料410的顶部上沉积并图案化铂膜的层。铂膜层包括电极415A和电极415B。在铂膜层的顶部上沉积并图案化介质层420。一对接合焊盘425A和425B在介质层420的顶部上并穿过其实现。该对接合焊盘425A和425B接触电极415A和415B。在各种具体实施中，介质层420图案化工艺可形成通孔，用于创建电极415A和415B与接合焊盘425A和425B之间的电接触。接下来，将电解质430定位在电极415A和415B的顶部上。电解质430与沉积在顶部晶片440的底部上的铂膜层435接触。
在所示的示例中，入射气体450可通过一个或多个毛细管445从环境大气行进到电解质430。这些气体450可在电极415A和415B与电解质430之间的界面处溶解。该气体溶解活性可引起电化学反应，这可产生可流过外部测量电路的电子。该电子流动可为电流。因此，电流可从接合焊盘425A和/或425B中的一者或两者，流过电极415A和/或415B中的一者或两者，流过电解质430，流过铂膜层435，流过粘合剂455，流到接合焊盘460。测量电路(未示出)完成从接合焊盘460返回到接合焊盘425A和/或425B中的一者或两者的路径。在一些示例中，粘合剂455可为导热性粘合剂。在该所示的示例中的基于MEMS的气体传感器具体实施400在同一层上提供接合焊盘425A、425B和460，这可有利地允许直接的键合线材连接方法。
图5示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠具有凸起的顶部晶片并且在单个层上具有接合焊盘。基于MEMS的气体传感器具体实施500包括电解质505。电解质505被捕集在下部晶片510和上部晶片515之间。在所示的示例中，上部晶片515为凸起的(朝向电解质505弯曲)。在该具体实施中，电解质505可有利地以不太严格的尺寸要求采用，因为其仅在两侧(顶部和底部)上捕集。如图4所示，电解质505通过粘合剂520密封，从而密封地接合在下部晶片510与上部晶片515之间。
图6示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠具有凸起的顶部晶片并且在两个层上具有接合焊盘。基于MEMS的气体传感器具体实施600包括底部晶片605。绝缘材料610在底部晶片605的顶部上生长。在绝缘材料610的顶部上沉积并图案化铂膜的层。铂膜层包括电极615A和电极615B。在铂膜层的顶部上沉积并图案化介质层620。一对接合焊盘625A和625B通过介质层620实现，并接触电极615A和615B。在各种具体实施中，介质层620图案化工艺可形成通孔，用于创建电极615A和615B与接合焊盘625A和625B之间的电接触。接下来，将电解质630沉积在电极615A和615B的顶部上并与两个电极接触。电解质630与沉积在顶部晶片640的底部上的铂膜层635接触。铂膜层635可以是顶部电极。在一些具体实施中，顶部晶片640可以是掺杂的硅，以有利于在铂膜层635(例如，顶部电极)和顶部接合焊盘645之间传导电流。
通过顶部晶片640钻出毛细管650的阵列。毛细管650允许环境气体655取道进入电解质630。这些气体655可在电极615A和615B与电解质630之间的界面处溶解。该气体溶解活性可引起电化学反应，这可产生电子。电子可流过外部测量电路。该电子流动可为电流。因此，电流可在顶部接合焊盘645与一个或两个电极615A和615B之间流动。底部晶片605和顶部晶片640通过粘合剂660以粘合方式联接。粘合剂660可充当密封件，将电解质630密封而不接触周围环境。因此，接触电解质630的气体可仅通过毛细管650以可控方式到达电解质630。
图7示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的平面图，该硅晶片堆叠在两个层上具有接合焊盘。图7中的基于MEMS的示例性气体传感器具体实施600可为图6中所示的基于MEMS的气体传感器具体实施600的顶视图。基于MEMS的气体传感器具体实施600包括底部晶片605和顶部晶片640。底部晶片605包括接合焊盘625A和625B。包括在顶部晶片640上的是毛细管650和顶部接合焊盘645。此外，基于MEMS的气体传感器具体实施600可为矩形的。
图8示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在底面上具有接合焊盘。基于MEMS的示例性气体传感器具体实施800包括底部接合焊盘805A、805B和805C。背面晶片表面810上的底部接合焊盘805A、805B和805C可有利于基于MEMS的气体传感器具体实施800作为球栅阵列(BGA)部件的附接。底部接合焊盘805A、805B和805C位于初始晶片815的背面晶片表面810上。掩埋氧化物层(BOX)820在初始晶片815的顶部上生长。在BOX 820的顶部上沉积并图案化铂膜层，形成铂膜层电极825A和825B。绝缘层830被包括在铂膜层电极825A和825B的顶部上。底部接合焊盘805A、805B和805C分别操作性地联接到通孔835A、835B和835C。
通孔835A将接合焊盘805A操作性地联接到金属化层840。金属化层840以粘合方式联接到粘合剂845。粘合剂845可以是导电的并且操作性地联接到金属化层840。粘合剂845操作性地联接到铂膜层850。铂膜层850设置在顶部晶片855上。铂膜层850与电解质860电接触。铂膜层850与电解质860之间的界面可被配置为响应于暴露于气体分子而产生电流信号。
通孔835B将接合焊盘805B操作性地联接到铂膜层电极825A。铂膜层电极825A与电解质860电接触。响应于气体暴露，来自电极(例如，铂膜层电极825A、铂膜层电极825B)和电解质860之间的界面的电流可行进通过铂膜层电极825A并通过通孔835B到达接合焊盘805B。在一个示例性示例中，接合焊盘805B可通过将接合焊盘805B与印刷电路板(PCB)连接而操作性地联接到外部电流监测器。
通孔835C将接合焊盘805C操作性地联接到铂膜层电极825B。铂膜层电极825B与电解质860电接触。在一些示例中，接合焊盘805C可通过与衬底的连接而操作性地联接到外部电流测量子系统。衬底可为(例如)硅、陶瓷或玻璃。
在图8所示的示例性实施方案中，可使基于MEMS的气体传感器更薄。通过利用如在该实施方案中举例说明的导电通孔，可减薄底部晶片以用于各种小型化应用(例如，移动电话、手表、笔记本电脑、定制移动气体传感器)。
图9示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠具有相同尺寸的顶部晶片和底部晶片。在所描绘的基于MEMS的气体传感器管芯900的示例中，顶层传感器堆叠905和底层传感器堆叠910均为宽度W。在基于MEMS的气体传感器管芯900的制造期间，具有一个或者多个顶层传感器堆叠905的顶部晶片和具有底层传感器堆叠910的一个或多个实例的初始晶片与环氧树脂珠915以粘合方式联接。单独的管芯900可通过从单侧切割与以粘合方式联接的初始晶片和顶部晶片组件分离。因此，从单侧切穿完全组装的晶片堆叠可有利地消除部分切穿晶片堆叠的顶部并且部分切穿晶片堆叠的底部的需要，从而通过消除制造步骤来降低成本。
图10示出了在硅晶片堆叠上实现的基于MEMS的示例性气体传感器的横截面正视图，该硅晶片堆叠在底面上具有毛细管并且在两个层上具有接合焊盘。在所描绘的基于MEMS的气体传感器1000的示例中，一个或多个气体连通井1005的场设置在底部层叠件1010内。该基于MEMS的气体传感器1000被放置在衬底1015(例如，陶瓷、PCB、硅晶片)上。衬底1015包括位于一个或多个气体连通井1005正下方的孔1020。在一些具体实施中，存在于衬底1015下方的环境气体1025可通过气体连通井1005与电解质1030流体连通。电解质1030位于包括在基于MEMS的气体传感器1000上的密封室1035内。位于底部的气体连通井1005可有利地提供一种用于基于MEMS的气体传感器1000的方便安装选项，例如，在指示了与周围环境的有源电路隔离的应用程序中。
虽然已参照附图描述了各种实施方案，但其他实施方案也是可能的。例如，晶片堆叠的键合可通过环氧树脂键合。环氧树脂作为键合剂的用途可有利地提供有成本效益的键合。在一些示例中，环氧树脂可提供键合的柔韧性并减轻晶片堆叠的开裂。
在各种具体实施中，顶部晶片可包括顶部绝缘层(例如，图2，项目250)。在一些具体实施中，顶部晶片可排除顶部绝缘层(例如，图5)。在一些实施方案中，电极层(例如，图8，项目825B)可以水平偏移远离管芯的边缘，如图8，项目825A所示。
在一些示例中，气体检测机构可为常规的电化学机构。在示例性的一氧化碳传感器示例中，一氧化碳可在感测电极处被电化学氧化而氧气可在反电极处被还原。可包括任选的参考电极，该参考电极可包括例如铂。铂可有利地提供稳定的参考电位，可针对该参考电位控制感测电极。
在一些实施方案中，可通过直接键合来键合晶片堆叠。直接键合可有利地产生低剖面MEMS组件。在各种实施方案中，可通过实现表面活化键合来键合晶片堆叠。表面活化键合可使用较少施加的热量产生低剖面MEMS组件。等离子体活化过程也可在低温下提供键合，并且可以是更快的活化过程。可采用阳极键合来产生气密密封。可适用于一些实施方案的MEMS结构的示例描述于例如由Pratt等人在2016年1月8日提交的标题为“MEMSElectrochemical Gas Sensor”的国际专利申请序列号PCT/EP2016/050315中的图1，其全部公开内容据此以引用方式并入。
在各种示例中，晶片之间的键合可通过共晶键合来实现，其可在相对低的温度下产生导电键合。热压缩或扩散键合可在晶片堆叠上实现，其可有利地在一个工序中完成。反应性键合可用于键合晶片堆叠，而且可有利地基于纳米级多层，并且可以相对低的热量实现。在一些示例中，在晶片堆叠可基于金属和/或陶瓷的情况下，可采用瞬态液相扩散键合。
在示例性示例中，可使用长窄毛细管来实现基于MEMS的气体传感器，以在扩散受限模式下操作，其中来自传感器的信号与气体可沿着毛细管向下扩散的速率成比例。在各种实施方案中，可添加毛细管以允许气体扩散，从而均匀接触并有效使用电解质。周围的粘合剂密封可减少气体与电解质侧面的接触，从而迫使气体通过毛细管进入。以此方式，可减少电解质上的副反应。通过实现粘合剂密封，可防止电解质受实际的电极动力学控制，该实际的电极动力学可为电极和电解质之间的反应速率。因此，接触电解质的任何气体可能仅通过毛细管以受控方式到达电解质，这可有利地提高精度并减少温度变化。
可使用各种方法制造毛细管。例如，可采用深反应离子蚀刻来产生毛细管。在一些实施方案中，可使用标准反应离子蚀刻方法。在各种示例中，可使用波希法。
在各种具体实施中，电解质可被封闭。封装件可由围绕的粘合剂小珠横向限定，并且可由顶部晶片堆叠和底部晶片堆叠竖直地限定。虽然横截面图显示了单独在电解质的任一侧上的粘合剂，但是粘合剂可以是将电解质完全环绕并封闭在晶片平面中的连续结构。固体电解质聚合物可直接沉积在基础电极晶片上的每个管芯上，并且可用具有用于气体渗透的毛细管的顶部晶片加盖，并且可包括一个或多个电极。基于MEMS的设计可有利地避免处理气体扩散电极，并且可避免在制造期间切割或冲压出固体电解质材料。在工艺步骤中可不包括拣选和放置气体扩散电极。在各种实施方案中，介质层可包括(例如)氮化硅、氧化硅和/或氮氧化硅。
各种接合焊盘具体实施可包括钛钨上的金(TiW/Au)或钛-钨上的铝(TiW/Al)。在一些示例中，铝可为纯铝、具有硅的铝或具有硅和铜的铝。
在顶部晶片层叠件的一个或多个尺寸小于底部晶片层叠件的实施方案中，可采用各种管芯切片技术。例如，顶部晶片可在第一切片操作中从顶部切片，该切片操作在底部晶片的顶部处停止。接下来，可在底部晶片上进行第二切片操作。在一些示例中，切片可从两个操作的顶侧开始。在一些示例中，切片操作可从相对侧开始。
基于MEMS的气体传感器可以是低成本、小占有面积的电化学传感器，其可以检测各种气体(例如，一氧化碳、硫化氢、挥发性有机化合物(VOC)、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、氯化氢、氢气、磷烷、氨)。基于MEMS的气体传感器可足够小，以被容纳在各种移动设备内(例如，手机、平板电脑、膝上型计算机、手表、移动音乐播放器、定制应用程序移动气体检测器)。
基于MEMS的传感器的小尺寸可与物联网(IoT)兼容。因此，各种具体实施可包括物联网(IoT)设备。IoT设备可包括嵌入有电子器件、软件、传感器、致动器和网络连接的对象，从而使这些对象能够收集和交换数据。IoT设备可通过将数据通过接口发送到另一设备而与有线或无线设备联合使用。IoT设备可收集有用的数据，然后自主地使数据在其他设备之间流动。基于MEMS的气体传感器的小尺寸也可使用最小量的铂，这可有利地降低具体实施的成本。基于MEMS的传感器可以是边缘设备。因此，基于MEMS的传感器可包括接口硬件、控制器和嵌入式软件，该软件能够通过有线或无线连接将传感器牢固地连接至互联网云。
在示例性方面，环境气体感测装置可包括底部晶片(305)、设置在底部晶片(305)上方的顶部晶片(330)、设置成靠近底部晶片(305)的顶部表面的至少一个底部电极(315)、设置在底部晶片(305)的顶部表面和至少一个底部电极(315)之间的绝缘层(310)。顶部电极(345)设置成靠近顶部晶片(330)的底部表面，电解质(335)设置在底部晶片(305)和顶部晶片(330)之间，并且电解质(335)可与至少一个底部电极(315)和顶部电极(345)电气连通。键合剂(350)可将底部晶片(305)固定地联接到顶部晶片(330)。键合剂(350)可围绕电解质(335)以限制电解质(335)和外部周围环境之间的流体连通。
该系统还可包括设置在至少一个底部电极(315)的顶部表面上的介质层(320)。该系统还可包括至少一个接合焊盘(325)，其设置在介质层(320)的顶部表面上并且延伸穿过介质层(320)以与至少一个底部电极(315)电气连通。
该系统还可包括设置在顶部晶片(330)中的气体毛细管(340)，用于在顶部电极(345)和外部周围环境之间提供有限的流体连通。在一些实施方案中，气体毛细管(1005)可设置在底部晶片(305)中，用于在至少一个底部电极(315)和外部周围环境之间提供有限的流体连通。
该系统还可包括顶部接合焊盘(245)，其被配置为通过顶部晶片(330)在至少一个顶部电极(345)和至少一个顶部接合焊盘(245)之间输送电流。在一些示例中，底部电极(315)可包括第一底部电极(215A)和第二底部电极(215B)。该系统还可包括与第一底部电极(215A)电连通的第一接合焊盘(225A)，以及与第二底部电极(215B)电连通的第二接合焊盘(225B)。顶部晶片(330)可包括在顶部晶片(330)的底部表面中的腔体，该腔体被配置为接纳电解质(335)。顶部晶片(330)可包括在顶部晶片(330)的底部表面上的凸形表面，该凸形表面被配置为捕集顶部晶片(330)和底部晶片(305)之间的电解质(335)。
已经描述了多个具体实施。然而，应当理解，可进行各种修改。例如，如果所公开的技术的步骤以不同的顺序执行，或者如果所公开的系统的部件以不同的方式组合，或者如果部件补充有其他部件，则可以实现有利的结果。因此，其他具体实施在以下权利要求书的范围内。
本申请的优选实施方案为如下所标号的：
1.一种环境气体感测装置，包括：
底部晶片(305)；
顶部晶片(330)，所述顶部晶片(330)设置在所述底部晶片(305)上方；
至少一个底部电极(315)，所述至少一个底部电极(315)设置成靠近所述底部晶片(305)的顶部表面；
绝缘层(310)，所述绝缘层(310)设置在所述底部晶片(305)的所述顶部表面和所述至少一个底部电极(315)之间；
顶部电极(345)，所述顶部电极(345)设置成靠近所述顶部晶片(330)的底部表面；
电解质(335)，所述电解质(335)设置在所述底部晶片(305)和所述顶部晶片(330)之间，所述电解质(335)与所述至少一个底部电极(315)和所述顶部电极(345)电气连通；和，
键合剂(350)，所述键合剂(350)将所述底部晶片(305)固定地联接到所述顶部晶片(330)，所述键合剂(350)围绕所述电解质(335)以限制所述电解质(335)和外部周围环境之间的流体连通。
2.根据1所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述至少一个底部电极(315)的顶部表面上的介质层(320)。
3.根据权利要求2所述的环境气体感测装置，还包括至少一个接合焊盘(325)，其设置在所述介质层(320)的顶部表面上并且延伸穿过所述介质层(320)以与所述至少一个底部电极(315)电气连通。
4.根据1所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述顶部晶片(330)中的气体毛细管(340)，用于在所述顶部电极(345)和所述外部周围环境之间提供有限的流体连通。
5.根据1所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述底部晶片(305)中的气体毛细管(1005)，用于在所述至少一个底部电极(315)和所述外部周围环境之间提供有限的流体连通。
6.根据1所述的环境气体感测装置，还包括顶部接合焊盘(245)，其被配置为通过所述顶部晶片(330)在所述至少一个顶部电极(345)和所述顶部接合焊盘(245)之间输送电流。
7.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述至少一个底部电极(315)包括第一底部电极(215A)和第二底部电极(215B)。
8.根据7所述的环境气体感测装置，还包括与所述第一底部电极(215A)电气连通的第一接合焊盘(225A)，以及与所述第二底部电极(215B)电气连通的第二接合焊盘(225B)。
9.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面中的腔体，所述腔体被配置为接纳所述电解质(335)。
10.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面上的凸形表面，所述凸形表面被配置为捕集所述顶部晶片(330)和所述底部晶片(305)之间的所述电解质(335)。
11.一种环境气体感测装置，包括：
底部晶片(305)；
顶部晶片(330)，所述顶部晶片(330)设置在所述底部晶片(305)上方；
至少一个底部电极(315)，所述至少一个底部电极(315)设置成靠近所述底部晶片(305)的顶部表面；
顶部电极(345)，所述顶部电极(345)设置成靠近所述顶部晶片(330)的底部表面；
电解质(335)，所述电解质(335)设置在所述底部晶片(305)和所述顶部晶片(330)之间，所述电解质(335)与所述至少一个底部电极(315)和所述顶部电极(345)电气连通；和，
键合剂(350)，所述键合剂(350)将所述底部晶片(305)固定地联接到所述顶部晶片(330)，所述键合剂(350)围绕所述电解质(335)以限制所述电解质(335)和外部周围环境之间的流体连通。
12.根据11所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述顶部晶片(330)中的气体毛细管(340)，用于在所述顶部电极(345)和所述外部周围环境之间提供有限的流体连通。
13.根据11所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述底部晶片(305)中的气体毛细管(1005)，用于在所述至少一个底部电极(315)和所述外部周围环境之间提供有限的流体连通。
14.根据11所述的环境气体感测装置，还包括顶部接合焊盘(245)，其被配置为通过所述顶部晶片(330)在所述至少一个顶部电极(345)和所述顶部接合焊盘(245)之间输送电流。
15.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面中的腔体，所述腔体被配置为接纳所述电解质(335)。
16.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面上的凸形表面，所述凸形表面被配置为捕集所述顶部晶片(330)和所述底部晶片(305)之间的所述电解质(335)。
17.一种环境气体感测装置，包括：
底部晶片(305)；
顶部晶片(330)，所述顶部晶片(330)设置在所述底部晶片(305)上方；
至少一个底部电极(315)，所述至少一个底部电极(315)设置成靠近所述底部晶片(305)的顶部表面；
介质层(320)，所述介质层(320)设置在所述至少一个底部电极(315)的顶部表面上；
顶部电极(345)，所述顶部电极(345)设置成靠近所述顶部晶片(330)的底部表面；
电解质(335)，所述电解质(335)设置在所述底部晶片(305)和所述顶部晶片(330)之间，所述电解质(335)与所述至少一个底部电极(315)和所述顶部电极(345)电气连通；和，
键合剂(350)，所述键合剂(350)将所述底部晶片(305)固定地联接到所述顶部晶片(330)，所述键合剂(350)围绕所述电解质(335)以限制所述电解质(335)和外部周围环境之间的流体连通。
18.根据11所述的环境气体感测装置，还包括至少一个接合焊盘(325)，其设置在所述介质层(320)的顶部表面上并且延伸穿过所述介质层(320)以与所述至少一个底部电极(315)电气连通。
19.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面中的腔体，所述腔体被配置为接纳所述电解质(335)。
20.根据1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面上的凸形表面，所述凸形表面被配置为捕集所述顶部晶片(330)和所述底部晶片(305)之间的所述电解质(335)。

Claims (10)

1.一种环境气体感测装置，包括：
底部晶片(305)；
顶部晶片(330),所述顶部晶片(330)设置在所述底部晶片(305)上方；
至少一个底部电极(315)，所述至少一个底部电极(315)设置成靠近所述底部晶片(305)的顶部表面；
绝缘层(310)，所述绝缘层(310)设置在所述底部晶片(305)的所述顶部表面和所述至少一个底部电极(315)之间；
顶部电极(345)，所述顶部电极(345)设置成靠近所述顶部晶片(330)的底部表面；
电解质(335)，所述电解质(335)设置在所述底部晶片(305)和所述顶部晶片(330)之间，所述电解质(335)与所述至少一个底部电极(315)和所述顶部电极(345)电气连通；和，
键合剂(350)，所述键合剂(350)将所述底部晶片(305)固定地联接到所述顶部晶片(330)，所述键合剂(350)围绕所述电解质(335)以限制所述电解质(335)和外部周围环境之间的流体连通。
2.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述至少一个底部电极(315)的顶部表面上的介质层(320)。
3.根据权利要求2所述的环境气体感测装置，还包括至少一个接合焊盘(325)，其设置在所述介质层(320)的顶部表面上并且延伸穿过所述介质层(320)以与所述至少一个底部电极(315)电气连通。
4.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述顶部晶片(330)中的气体毛细管(340)，用于在所述顶部电极(345)和所述外部周围环境之间提供有限的流体连通。
5.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，还包括设置在所述底部晶片(305)中的气体毛细管(1005)，用于在所述至少一个底部电极(315)和所述外部周围环境之间提供有限的流体连通。
6.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，还包括顶部接合焊盘(245)，其被配置为通过所述顶部晶片(330)在所述至少一个顶部电极(345)和所述顶部接合焊盘(245)之间输送电流。
7.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，其中所述至少一个底部电极(315)包括第一底部电极(215A)和第二底部电极(215B)。
8.根据权利要求7所述的环境气体感测装置，还包括与所述第一底部电极(215A)电气连通的第一接合焊盘(225A)，以及与所述第二底部电极(215B)电气连通的第二接合焊盘(225B)。
9.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面中的腔体，所述腔体被配置为接纳所述电解质(335)。
10.根据权利要求1所述的环境气体感测装置，其中所述顶部晶片(330)包括在所述顶部晶片(330)的所述底部表面上的凸形表面，所述凸形表面被配置为捕集所述顶部晶片(330)和所述底部晶片(305)之间的所述电解质(335)。
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