CN109804241A - 电化学传感器以及形成电化学传感器的方法 - Google Patents

Abstract

提供电化学传感器，其可以使用通常用于制造集成电路的微机械加工技术形成。这是通过在硅基板中形成微毛细管并在绝缘层中形成开口以允许环境气体到达基板的顶侧来实现的。多孔电极印刷在绝缘层的顶侧，使得电极形成在绝缘层的开口中。传感器还包括至少一个附加电极。然后在电极顶部形成电解质。在电极和电解质上方形成帽。使用微机械加工技术可以容易地产生这种布置。

Description

电化学传感器以及形成电化学传感器的方法

技术领域

本公开涉及电化学传感器和形成电化学传感器的方法。

背景技术

已知电化学传感器，其通常包括与电解质接触的三个电极。这些电极通常被识别为工作电极、反电极和参考电极。一般而言，在这种传感器中，参考电极相对于工作电极保持在恒定电位。由于工作电极处的还原/氧化(REDOX)反应，与工作电极/电解质界面相互作用的物质的存在可以引起工作电极和反电极之间的电流流动。其他电化学传感器可以仅具有工作电极和反电极，并且在这种传感器中，可以测量这些电极之间的电位差、电流或电阻。

一般而言，这种电化学传感器是逐个制造的，或者是使用变化很大的技术制造的。结果，传感器倾向于彼此不同。在一些使用领域，例如一氧化碳传感器，这不是太大的问题，因为相关电子设备发出警报的触发阈值设置得如此之高，以至于毫无疑问，不安全的一氧化碳水平已达成。但是，对于需要更高精度和/或分辨率的情况，传感器必须在使用前进行对齐。这通常是昂贵和/或耗时的。此外，通常希望减小传感器的尺寸，以便增加可以使用它们的范围装置和应用。

发明内容

提供了一种电化学传感器，其可以使用通常用于制造集成电路的微机械加工技术形成。这是通过在硅基板中形成微毛细管并在绝缘层中形成开口以允许环境气体到达基板的顶侧来实现的。多孔电极印刷在绝缘层的顶侧，使得电极形成在绝缘层的开口中。传感器还包括至少一个附加电极。然后在电极顶部形成电解质。在电极和电解质上形成帽。使用微机械加工技术可以容易地产生这种布置。

根据本公开的第一方面，提供一种电化学传感器，包括基板、绝缘层、至少两个电极和电解质，至少一个电极是多孔电极；其中所述至少一个多孔电极形成在所述绝缘层的开口中，所述电解质形成为所述电极和所述绝缘层之上的层，所述基板中形成有至少一个孔，并且所述传感器被布置为使得所述多孔电极通过所述基板中的至少一个孔暴露于环境。

根据本公开的第二方面，提供一种制造电化学传感器的方法，包括：在基板上形成绝缘层；在所述基板中提供至少一个孔；在所述绝缘层中提供开口；在所述绝缘层的开口中形成至少一个多孔电极，使得至少一个电极通过所述基板暴露于环境；在所述绝缘层上方形成至少一个附加电极；和在电极和所述绝缘层上方形成电解质层。

根据本公开的第三方面，提供一种在晶片上制造多个电化学传感器的方法，该方法包括：处理晶片基板以部分构建多个电化学传感器；提供包括多个帽的封盖晶片；将所述帽粘合到部分传感器上以使所述帽与所述部分传感器对齐；和切割所得结构以产生多个传感器。

在所附权利要求中限定了本公开的其他特征。

附图说明

将参考附图通过非限制性示例讨论本公开的教导，其中：

图1是根据第一实施方案的电化学传感器的横截面图；

图2是图1所示传感器的顶视图；

图3是图1所示传感器的另一顶视图；

图4A示意性地示出了处于图1所示传感器的制造过程的初始阶段的基板；

图4B显示了形成绝缘层后的基板；

图4C显示了形成微毛细管后的基板；

图4D显示了形成金属层后的基板；

图4E示出了沉积和定义钝化层之后的基板；

图4F示出了去除一部分绝缘层后的基板；

图4G显示了沉积电极后的基板；

图4H显示了施加盖子后的基板；

图4I显示了插入电解质和形成盖子后的基板；

图5是根据第二实施方案的电化学传感器的横截面图；

图6是图5中所示传感器的顶视图；

图7是图5中所示传感器的另一顶视图；

图8是根据第三实施方案的电化学传感器的横截面图。

图9是图8中所示传感器的顶视图；

图10是图8中所示传感器的另一顶视图；

图11是根据第四实施方案的电化学传感器的横截面图；

图12是图11中所示传感器的顶视图；

图13A至13C示出了图11的传感器的操作；

图14A至14C示出了根据一个或多个实施例公开的穿过基板的横截面；

图15示出了根据本发明实施例的帽晶片；

图16A和16B示出了根据本发明实施例的帽晶片的横截面；

图17是根据本发明另一实施例的传感器的俯视图；

图18是根据本发明另一实施例的传感器的俯视图；

图19是根据本发明另一实施例的传感器的顶视图；

图20是根据本公开的另一实施例的传感器的俯视图。

具体实施方式

本公开提供了形成在硅基板上的电化学传感器。特别地，本公开涉及一种背面传感器，其中暴露于环境气体是通过传感器的背面。这样，为了使气体到达在基板顶部形成的电极或电极和电解质，在基板中形成微毛细管。另外，作为硅，必须在基板的顶侧上形成绝缘层，以便将导体与基板隔离。为了使气体到达电极，在绝缘层中形成开口，并且开口与微毛细管对齐。将电极丝网印刷或模版印刷到绝缘层上，使得电极之一形成在绝缘层中的开口中，并且抵靠基板的顶表面。作为替代方案，可以使用光刻沉积技术沉积电极。为了使气体和电解质相互作用，电极是多孔的。这种布置的好处是使用微机械加工技术可以容易地制造它。这样，传感器的尺寸可以减小，并且以多个传感器具有相同特性的方式产生。工艺变化不如单独制造的现有技术传感器那么大。

图1显示了使用微机械加工技术在硅上形成的电化学传感器100的横截面。电化学传感器形成在硅基板101上。在该示例中，在硅基板101上形成单个传感器。然而，实际上，可以在单个基板上形成若干传感器，以类似于在单个硅基板上形成多个集成电路的方式。作为硅的替代物，基板可以由玻璃、陶瓷或塑料制成。在基板101中形成多个微毛细管102。在图1中，以横截面示出了六个微毛细管。然而，微毛细管102也形成在基板的整个宽度上，因此通常存在十个或更多个微毛细管。每个微毛细管在垂直于基板101的表面的方向上形成，并且从基板的上表面延伸到下表面。每个微毛细管的直径约为20μm，尽管每个微毛细管的直径可以在1μm至2mm的范围内。微毛细管102的组横跨约1mm，但可以在0.001mm至3mm的范围内。

绝缘层103形成在基板101的上表面上。绝缘层103可以由氧化硅(SiO₂)形成并且大约4μm厚。电极开口104形成在绝缘层103中与微毛细管102对齐的位置。该开口被描述为在微毛细管形成在由绝缘层中的开口限定的区域中的意义上对齐。开口104的壁不必与微毛细管的壁精确对齐。在该示例中，开口104近似为圆形，但可以是正方形或矩形。开口104可以是1至2mm宽。开口104的侧壁是半圆形的。然而，应当理解，侧壁可以是直的，或者可以由增加侧壁表面积的任何其他形状形成。

导电轨道105A、105B形成在绝缘层103的顶表面上。导电轨道105A、105B通过粘合层106A、106B粘附到绝缘层103。导电轨道105A、105B可以由金或任何其他合适的导电材料制成。例如，导电轨道可以由金属或导电塑料制成。导电轨道布置成使得它们从开口104的边缘停止大约25μm。轨道可以停止在距开口边缘几微米到几毫米之间的任何位置。导电轨道105A、105B用于将电极连接到外部电路元件。导电轨道可以延伸到形成在绝缘层103中的开口中。另外，导电轨道可以延伸到毛细管中以改善接触电阻。

在绝缘层103和导电轨道105A、105B上形成钝化层107。在钝化层107中形成开口108。开口108与电极开口104的尺寸相同，并与开口104对准。在钝化层中形成附加孔109A、109B、109C、109D以允许在电极(下面讨论)和外部电路元件之间建立连接。可以为具有两个以上电极的传感器添加额外的孔。

由于图1示出了传感器100的横截面，仅示出了工作电极110A和反电极110B。工作电极110A形成在开口104和108中。电极完全填充开口104和108并邻接基板101的顶表面。工作电极110A在钝化层107的顶部上方延伸大约25μm。工作电极110A也延伸到孔109B中。这提供了与导电轨道105B的电连接，允许通过孔109A连接到外部电路元件。反电极110B形成在孔109C中。反电极110B也在钝化层107上方延伸25μm。反电极110B也延伸到孔109C中。这提供了与导电轨道105A的电连接，允许通过孔109D连接到外部电路元件。电极110A直接印刷在微毛细管102上。这样，电解质114可以是液体。电极110A防止电解质通过微毛细管。电极是多孔的并且由催化剂(例如铂)和含氟聚合物(例如聚四氟乙烯(PTFE))制成。因此，电极110A提供了发生化学反应所需的三相多孔表面。催化剂是中等至高表面积的多孔催化剂，例如铂黑。提供足够的催化剂以确保在整个传感器寿命期间有足够的催化活性。催化剂可以是铂、金、钌、炭黑或铱中的一种。可以使用其他合适的材料。

帽111形成在电极110A、110B上方。在使用附加电极的实施例中，帽111也将形成在那些电极上。帽可以由玻璃、陶瓷、硅或塑料形成。帽111通过环氧树脂/粘合剂或熔结玻璃112A、112B密封到钝化层107。可以使用其他键合技术。孔113形成在帽111的顶部。电解质114设置在帽111内。或者，可以在帽111中形成两个或更多个孔。这将使电解质能够被真空填充。电解质114可以由液体溶液(例如导电含水电解质或有机电解质)、导电聚合物(例如Nafion或PEDOT：PSS)制成。电解质也可以是水凝胶或室温离子液体。在一个实例中，电解质可以是硫酸溶液并且可以包括芯吸材料或芯吸子结构。电解质可以是双层电解质。电解质114完全覆盖电极，但是当使用液体电解质时，不完全填充帽112。相反，空隙空间115朝向帽111的顶部留下。当使用导电聚合物电解质和水凝胶时可能不需要空隙空间115。在孔113上形成环氧胶116，以防止任何污染物进入帽，并且还防止电解质114离开帽。其他选择可用于密封。如果在帽111中设置两个孔，则可以在两个孔上形成密封。或者，一旦填充空腔，可以用粘附的盖子覆盖较大的孔。

如果帽111由塑料制成，则塑料材料必须与电解质114相容。可以使用各种塑料材料。例如，帽可以由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、PTFE、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)以及其他塑料制成。塑料的重要特性是其耐化学性及其与电解质的相容性。

在图1中，导电轨道105A、105B设置在绝缘层103上。开口109A、109D设置在帽111的外部，以便允许传感器连接到外部设备。可以优选省略基板101和绝缘层103的延伸到帽111外部的部分，以减小传感器100的尺寸。为了便于此，可以省略导电轨道，并且导电可以通过基板形成通孔。这将使得能够在基板101的下侧上进行连接。另外，基板101的尺寸可以减小到帽111的尺寸。

微毛细管102可以衬有绝缘材料。其目的是使硅基板101与电极电绝缘。

图2是传感器100的顶视图，为清楚起见，移除了某些部件。特别地，未示出帽111、电解质114和电极110。孔109A、109B、109C、109D显示在钝化层107中。另外，孔109E、109F形成在钝化层107中。这些附加孔用于容纳图1中未示出的附加电极。孔109E和109F不在双电极传感器中需要。开口108也在图2中示出，以及基板101的一部分的顶表面。微毛细管102在基板101中示出。传感器100还包括导电轨道105A、105B、105C。虚线A-A表示图1中所示的横截面。

图3示出了与图2相同的顶视图，其中添加了电极110。具体地，图3示出了工作电极110A、反电极110B和参考电极110C。孔109A提供到导电轨道的入口，该导电轨道耦合到电极110A。孔109D提供到导电轨道的入口，导电轨道耦合到反电极110B。孔109F提供到导电轨道的入口，该导电轨道耦合到参考电极110C。

图2和3示出了具有特定尺寸的传感器。这些尺寸可能会改变。例如，开口108可以比图2中所示的大得多，并且特别地可以覆盖电极110A占据的大部分区域。每个传感器的长度和宽度可以在1mm至10mm的范围内。包括基板101和帽111的总厚度可以是1mm。因此，在典型的200mm晶片上，可以生产超过1000个传感器。

在使用中，传感器将以本领域技术人员熟悉的方式连接到微控制测量系统。可连续监测传感器输出并用于确定环境中分析物的浓度。电极110A可以通过微毛细管102与环境气体接触。由于电极110A是多孔的，环境气体能够通过电极到达它们与电解质114接触的点。因此在电极内形成三相结。使用印刷的固体电极110A的优点在于它防止电解质114通过基板101中的微毛细管102逸出。

上述结构的一个优点是硅微机械加工技术可用于其结构中。因此，传感器的制造与用于制造集成电路的制造技术兼容。通过并行制造多个传感器，减少了传感器参数的变化。

使用硅制造技术的另一个优点是每个器件的成本降低。这是因为每个处理步骤并行应用于多个传感器，因此每个设备的处理成本很小。另外，微机械加工技术使得能够生产非常小的装置。这样，传感器可以更容易地结合到手持设备中。此外，传感器都同时看到相同的处理步骤。因此，与串行生产的设备相比，设备之间的匹配非常好。

现在将参考图4A至4I描述制造电化学传感器100的方法。

图4A显示了制造过程的第一步。硅晶片用作硅基板101。下面，将描述形成一个器件的工艺，然而可以在同一晶片上并行形成数百个器件。硅基板101用于机械支撑，并且可以代替另一种类型的材料，例如玻璃。

在晶片上沉积氧化物绝缘层103，如图4B所示。氧化物层用作“着陆”氧化物以阻止晶片蚀刻，并且还用作使导电轨道与基板绝缘以防止短路的层。

微毛细管102通过光刻法限定在晶片中。使用各向同性干蚀刻在晶片上蚀刻微毛细管。如图4C所示，一旦硅晶片被蚀刻，它们就从晶片的背面蚀刻并停留在氧化物层上。

图4D示出了形成导电轨道105的惰性金属层的形成。它们沉积在晶片正面的绝缘层上。首先将粘合剂层106沉积在绝缘层103上，并用于将金属层附着到绝缘层103。可以通过光刻法限定导电轨道，然后蚀刻。如通过光刻法所定义的，通过在特定区域中电镀可以增加惰性金属的厚度。

图4E示出了在沉积和定义钝化层107之后的传感器。使用湿法蚀刻在微毛细管102的区域中去除晶片101正面上的绝缘氧化物103，如图4F所示。

使用丝网印刷、模版印刷、电镀或其他光刻沉积技术将多孔电极材料沉积在晶片上以形成电极110A和110B，如图4G所示。电极110A覆盖微毛细管102，并且与导电轨道连接。

然后将帽111放置在传感器100上，如图4H所示。如上所述，帽111可以由塑料、陶瓷、硅或玻璃以及其他材料制成。如果帽由塑料制成，则通过注塑成型预制。凹部和孔可以在注射成型过程中形成。如果帽由玻璃、硅或陶瓷制成，则帽通常使用晶片级处理技术制造。对于玻璃或陶瓷帽，可以通过首先使用光刻来图案化帽腔来在帽中制造腔。然后，可以使用湿法蚀刻、干法蚀刻、喷砂和激光钻孔中的一种或其组合来在帽中产生空腔。对于硅帽，可以通过首先使用光刻来图案化帽腔来在帽中制造腔。然后，可以使用湿法蚀刻、干法蚀刻、喷砂和激光钻孔中的一种或其组合来在帽中产生空腔。

通过晶片键合(晶片处理)或通过在传感器晶片上放置环氧树脂/粘合剂(单帽放置工艺)将帽111附接到晶片。或者，帽111可以通过诸如超声波的其他手段附接。电解质114通过帽孔113分配，并且孔被密封，如图4I所示。如上所述，帽111可具有多于一个孔。

图5示出了根据本公开的替代实施例。大多数结构与图1中所示的相同。电化学传感器200包括基板201，基板201中形成有多个微毛细管202。绝缘层203形成在基板201的顶表面上，并且具有形成在与微毛细管202对准的位置的电极开口204。导电垫205A形成在绝缘层203上并通过粘合层206A附着到其上。

钝化层207形成在绝缘层203上方，并且具有形成在其中的开口208。开口208与开口204对准。另外，钝化层包括与导电垫205A对准的孔209A。工作电极210A形成在开口204和208中，以及开口209A中。帽211形成在电极210A上方，并且使用粘合剂212A和212B或通过晶片接合附接到钝化层。孔213形成在帽211的顶部，并用于在帽211内提供电解质214。如果使用液体电解质，则可以在电解质214上方形成空隙空间215，并且在开口213上提供环氧树脂胶帽。如上所述，可以使用其他密封技术来覆盖开口213。

图6显示了电化学传感器200的顶视图，其中移除了各种组件。特别地，未示出电极210A、电解质214和帽211。虚线B-B表示图5的横截面。如图5中可见，开口204和孔209A形成在钝化层207中。另外，孔209B、209C、209D、209E、209F也形成在钝化层207中。

图7还示出了电化学传感器200的相同顶视图。在该示例中，示出了在开口204和孔209A上形成的电极210A。另外，还示出了反电极210B和参考电极210C。

图8示出了根据本公开的另一替代实施例。大多数结构与图1和5中所示的结构相同。电化学传感器300包括基板301，基板301中形成有多个微毛细管302。绝缘层303形成在基板301的顶表面上，并且具有形成在与微毛细管302对准的位置的电极开口304。

导电轨道305A、305B形成在绝缘层303上并通过粘合层306A、306B附着到其上。这些轨道的目的是将电极(图8中未示出)连接到外部连接(图8中也未示出)。下面结合图9和10使这些轨道更清楚。导电垫305C也形成在绝缘层303上，并使用粘合层306C连接到绝缘层。导电垫305C围绕绝缘层303中的开口304形成。这将在下面结合图9和10更清楚地示出。

在绝缘层303和导电轨道305A、305B和导电垫305C上形成钝化层307。钝化层307没有形成在整个导电垫305C上，因此具有形成在其中的开口308。钝化层307与垫305C的边缘重叠约10至100μm。开口308与开口304对齐但比开口304宽。工作电极310A形成在开口304和308中，以及导电垫305C上方。

帽311形成在电极310A(和未示出的其他电极)上方，并且使用粘合剂312A和312B或使用晶片接合附接到钝化层307。孔313形成在帽311的顶部，并用于在帽311内提供电解质314。如果使用液体电解质，则可在电解质314上方形成空隙空间315，并在开口313上方提供环氧胶帽316。

图9显示了电化学传感器300的顶视图，其中移除了各种组件。特别地，未示出电极310A、310B、310C、电解质314和帽311。虚线C-C表示图8的横截面。导电垫305C朝向传感器300的中间形成。导电垫305C围绕绝缘层303中的开口304形成。因此，微毛细管302可以在基板301中看到。在传感器300中还包括两个另外的导电垫305D和305E。这些垫用于在其上形成电极。传感器300还包括三个外部连接垫305F、305G、305H。这些垫通过相应的轨道305A、305I和305B连接到相应的电极垫。这些轨道显示为散列线，因为它们通过钝化层307是不可见的。钝化层307形成在绝缘层303上。钝化层覆盖轨道305A、305I和305B，但不覆盖导电垫305C、305D、305E、305F、305G、305H。

图10还示出了电化学传感器300的相同顶视图。在该图中，示出了在开口304、308和导电垫305C上形成的电极310A。另外，还示出了反电极310B和参考电极310C。

图11示出了根据本公开的另一实施例的电化学传感器400的示例。大多数结构与图1中所示的结构相同。电化学传感器400包括基板401，基板401中形成有多个微毛细管402。绝缘层403形成在基板401的顶表面上，并且具有形成在与微毛细管402对准的位置的电极开口404。导电垫405形成在绝缘层403上并通过粘合层406附着到其上。

钝化层407形成在绝缘层403上，并且具有形成在其中的开口408。开口408与电极开口404对准。另外，钝化层包括与导电垫405A对准的孔409A。工作电极410A形成在开口404和408中。反电极410B形成在开口409A中。帽411形成在电极410上方，并且使用粘合剂412A和412B或使用晶片键合工艺附接到钝化层407。孔413形成在帽411的顶部，并用于在帽411内提供电解质414。当使用液体电解质时，可以在电解质414上方形成空隙空间415，并且在开口413上提供环氧树脂胶帽416。与传感器100一样，传感器300可以包括在钝化层中的附加孔上形成的附加参考电极。

与前面的实施例相反，凹部417A和417B形成在基板401、绝缘层403和钝化层407中。电解质414填充凹部417A和417B以及帽体积的一部分。在图11中，基板401形成凹部417A、417B的壁。作为替代方案，凹部417A、417B的壁和基部可以覆盖有绝缘材料层。该层可以是绝缘层403。其目的是使电解质与可以通过硅基板形成到电极的任何电流路径绝缘。可以使用热氧化或气相沉积来提供绝缘层。

图12显示了图11中所示的电化学传感器400的顶视图。这里，可以看到凹部417A和417B。凹部一起形成微孔418。微孔418围绕电极410的顶侧，左侧和底侧形成“C”形。根据传感器的设计，可以使用其他形状。

图13A至13C显示了微孔418的功能。在图13A中，电化学传感器400是直立的，并且电解质414填充微孔，使得电解质也覆盖电极410A(以及未示出的电极410B和410C)。

在图13B中，电化学传感器400是倒置的。可以看出，电解质414现在填充帽411，并且在微孔418中形成空隙空间419。因此，电极410A、410B和410C完全被电解质414覆盖。

在图13C中，电化学传感器400在其侧面示出。这里，电解质414填充微孔418和帽411，使得在帽411和空隙空间418的一部分中提供空隙空间。这样，电极410完全被电解质414覆盖。可以看出，以这种方式提供微孔的优点是电极总是被电解质覆盖，无论它们的取向如何。使用微孔的另一个好处是传感器中不需要额外的芯吸材料。此外，传感器寿命得到改善，因为即使在极端温度和湿度下也能提供足够的电解质和空隙空间。

图14A至14C示出了根据本发明另一实施例的基板501。图14A示出了基板501的横截面。图14B示出了基板501的端视图。基板501在大多数方面与基板101相同。特别地，基板501包括微毛细管502。然而，与基板101相反，基板501包括沟槽503。沟槽形成在基板501的下侧，并且从微毛细管502延伸到基板的边缘。沟槽的目的是在基板501放置在固体表面上的情况下使环境气体能够到达微毛细管。这将使几个传感器能够堆叠，如图14C所示。或者，这将使传感器能够放置在另一个管芯上，例如微控制器。

图15显示了在晶片中形成的多个帽。在上面结合图4描述的过程中，传感器管芯和帽被描述为在单独的水平面上形成。有利地，可以使用一个或多个晶片将上述传感器制造为多个相同的单元。具体地，基板可以由单个晶片形成，并且可以使用并行处理来构建传感器。此外，可以在单个晶片中形成多个帽。图15示出了包括多个帽601的晶片600。在多个平行线的每一个中形成了几个帽。

如果由塑料形成帽601，则整个晶片可以注塑成型以包括多个帽。然后可以通过环氧树脂胶、热处理或其他方法将晶片中的塑料帽粘合到传感器晶片上。然后可以通过激光切割或其他晶片切割技术切割每个帽。帽也可以通过例如胶水或热处理“部分”粘合到传感器芯片上，然后切丁，然后用更多的胶水或其他方式进行“完全”粘合。如果从硅形成帽601，则可以使用传统的晶片处理技术来形成帽。

需要通过帽晶片接触键合线以接触传感器接合垫。这可以通过形成孔来完成，所述孔穿过帽晶片并在晶片键合之前与传感器晶片上的键合垫对准。或者，如上所述，可以在基板中形成通孔，以避免在帽中需要开口。在硅的情况下，可以通过切割和分割工艺来去除帽晶片上的不需要的硅以便接触传感器晶片上的接合垫。

图16A至16B示出了穿过晶片的横截面。在图16A中，晶片600包括多个帽601。每个帽包括两个孔602A、602B。在该示例中，帽彼此相邻，帽之间没有间隔。在图16B中，示出了相同的晶片，但其横截面与图16A中所示的横截面正交。晶片600包括多个帽601。每个帽包括两个孔，但是在该横截面中只能看到一个孔602A。在该横截面中，帽包括在每个帽之间的间隔部分603。在每种情况下，示出了切割过程的定位603。

上述传感器具有广泛的应用空间。例如，它们适用于移动传感、智能手机、手表、可穿戴设备等。这是因为它们体积小、制造成本低、精度高。

在本公开的另一实施例中，可以提供传感器阵列。传感器阵列可包括两个或更多个上述传感器。阵列中的所有传感器可以是相同的，并且用于检测相同的气体。可以包括附加传感器以提供冗余。或者，传感器可以用于检测不同的气体。

在另一实施例中，可以提供包括前述传感器之一的集成电路。或者，可以提供包括上述传感器阵列的集成电路。

在上述实施例中，已经描述了3电极系统。本发明还适用于具有多于3个电极的双电极系统和系统。可以使用不同数量和电极组合来检测不同的气体。此外，在上述实施例中，仅一个电极通过一组微毛细管暴露于环境气体。作为替代方案，两个或更多个电极可以通过两组或更多组微毛细管暴露于环境气体。

在上述实施方案中，通常工作电极是多孔的。作为替代方案，可以有两个多孔电极，并且可以在绝缘层中设置两个开口。每个多孔电极中的相应一个可以形成在相应的开口中。基板可包括两组微毛细管，每组微毛细管与绝缘层中的相应开口对齐。

已经主要在气体传感的背景下描述了上述传感器。然而，传感器可用于液体传感。

图17是根据本公开的另一实施例的传感器700的某些部件的俯视图。在该实施例中，电极和导电轨道是环形或半环形的。传感器700的各个层的结构与前面的实施例中的相同，这里不再详细示出。传感器700包括形成在硅基板层中的多个毛细管702。毛细管成排形成，使得外毛细管大致形成圆形。传感器还包括工作电极704A、反电极704B和参考电极704C。工作电极704A是圆形的，并且布置在毛细管702上方，使得由工作电极704A形成的圆与由毛细管702形成的圆同轴。工作电极704A的直径大于由毛细管702形成的圆的直径，以便提供足够的空间以与导电轨道形成连接。

反电极704B和参考电极704C都是半环形的，并形成在工作电极704A的两侧。每个半环形电极的内边缘的直径略大于工作电极的外边缘的直径，使得它们可以与工作电极绝缘。在每个半环形部分的端部的相邻边缘之间也形成间隙，以确保反电极704B和参考电极704C彼此绝缘。

在电极和硅基板之间形成绝缘层和钝化层。然而，以与前述实施例相同的方式在这些层中提供开口(未示出)，使得工作电极704A在毛细管702的区域中与硅基板的上表面接触。如下所述，在钝化层(但不是绝缘层)中提供开口以允许电极与导电轨道接触。

传感器700包括导电轨道706A、706B和706C。导电轨道以虚线示出，因为它们都位于钝化层下方。导电轨道706A用于连接工作电极704A。导电轨道包括环形部分，其位于毛细管702周围，但位于工作电极704A的外边缘内。环形部分与工作电极704A同轴。环形开口形成在钝化层中，并且与导电轨道706A的环形部分对准，以允许工作电极704A连接到导电轨道706A。轨道706A的矩形连接部分形成在环形部分的底部边缘处，以提供与外部电路的连接。

导电轨道706B和706C分别部分地形成在反电极704B和参考电极704C下面。每个轨道包括半环形部分，其形状与相应的电极相同，但尺寸略小。这样，半环形部分配合在它们各自电极的周边内。在钝化层中提供开口，以使导电轨道706B和706C分别连接到工作电极704B和参考电极。这些开口的尺寸和形状类似于导电轨道706B和706C的半环形部分。以与导电轨道706A类似的方式，导电轨道706B和706C包括矩形部分，该矩形部分从半环形部分的外边缘延伸，以提供与外部电路的连接。

使用圆形和半环形布置的目的是减少和优化电极之间的距离和间隔。这减小了电极之间的电阻路径，这会影响传感器性能，包括响应速度。例如，在一氧化碳传感器中，传感器中的电极之间存在离子运动或传输。因此，理想地，电极(包括整个电极区域)应尽可能靠近在一起。使用圆形和半环形电极使这更容易实现。

图18示出了传感器700。在该实施例中，传感器700包括图17中所示的所有组件，并且还包括屏蔽轨道708A、708B和708C。屏蔽轨道围绕导电轨道形成但与导电轨道绝缘。屏蔽轨道也由导电材料形成。屏蔽轨道用于屏蔽传感器700免受电磁干扰。屏蔽轨道可以与任何上述实施例一起使用。

图19示出了根据本公开的另一实施例的传感器封装800。在该实施例中，传感器封装包括两个传感器800A和800B。工作电极804A-1和804A-2是半圆形的，而不是圆形的，并且彼此相邻定位。两组毛细管802A和802B形成在每个相应的工作电极下方。每个工作电极连接到相应的导电轨道806A-1和806A-2。导电轨道包括对应于半圆形电极的半环形部分，而不是环形部分。

传感器封装800还包括两个反电极804B-1和804B-2。每个反电极对应于工作电极和毛细管组中的相应一个。反电极是四分之一环形，而不是半环形。每个反电极连接到相应的导电轨道806B-1和806B-2。导电轨道以与电极类似的方式包括四分之一环形部分而不是半环形部分。

传感器封装包括单个参考电极804C，其尺寸和形状与参考电极704C相同。参考电极由传感器800A和800B共享，并连接到导电轨道806C。或者，可以以与反电极相同的方式使用两个单独的参考电极。另外，两个传感器共享相同的电解质，这意味着不需要对帽设计进行任何改变。

图20是根据本公开的另一实施例的传感器封装900。传感器封装900与传感器封装800相同，除了反电极。在传感器封装900中，传感器900A和900B共享相同的反电极904B。传感器封装900还包括工作电极904A-1、904A-2和参考电极904C。导电轨道包括用于工作电极的两个轨道906A-1、906A-1、用于反电极904B的一个轨道906B、以及用于参考电极904C的一个轨道906C。虽然已经在一个传感器封装中示出了具有两个传感器的上述实施例，但是应当理解，可以将三个或更多个传感器结合到单个传感器封装中，同时适当改变电极的设计。通过在单个封装中提供两个传感器，可以使用单个封装来配置需要多个传感器的应用，而不是使用多个封装。与使用单独的封装相比，多传感器封装更小且更具成本效益。

在上述实施例中，各种不同的形状已用于电极、导电元件和开口。应当理解，本公开不限于这些形状中的任何形状，尽管如上所述某些形状确实具有特定的优点。其他形状可以落入权利要求的范围内。

Claims (31)

1.一种电化学传感器，包括基板、绝缘层、至少两个电极和电解质，至少一个电极是多孔电极；其中所述至少一个多孔电极形成在所述绝缘层的开口中，所述电解质形成为所述电极和所述绝缘层之上的层，所述基板中形成有至少一个孔，并且所述传感器被布置为使得所述多孔电极通过所述基板中的至少一个孔暴露于环境。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述至少一个孔是多个微毛细管。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述绝缘层形成在所述基板的第一表面上或附近，并且所述至少一个多孔电极的一部分形成在所述基板的第一表面上或附近，在由所述绝缘层中的开口限定的区域中。

4.根据权利要求1、2或3所述的传感器，其中所述绝缘层中的开口延伸穿过所述绝缘层。

5.根据前述任一权利要求所述的传感器，还包括形成在所述绝缘层上方的帽，其中所述电解质设置在所述帽内，并且至少部分地填充所述帽。

6.根据权利要求5所述的传感器，还包括至少一个形成在所述基板中的凹部，该凹部与由所述帽限定的空间连通，其中所述电解质也设置在所述凹部内。

7.根据前述任一权利要求所述的传感器，还包括一个或多个附加电极，其中所述附加电极通过所述绝缘层与所述基板隔离。

8.根据前述任一权利要求所述的传感器，还包括：一个或多个导电轨道，其中所述至少两个电极耦合到相应的导电轨道。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述导电轨道延伸到所述绝缘层中开口的侧壁和/或所述基板中形成的至少一个孔的侧壁上。

10.根据权利要求9所述的传感器，还包括：钝化层，形成在所述绝缘层和所述导电轨道上方，所述钝化层具有形成在其中的两个或更多个孔，所述两个或更多个孔与所述导电轨道的部分对齐。

11.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述电解质包括水性或有机液体电解质、凝胶化电解质-水凝胶，导电聚合物和室温离子液体中的一种。

12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述电解质是两层电解质。

13.根据前述任一权利要求所述的传感器，还包括形成在所述基板下侧的沟槽，以使气体能够从所述基板的一侧到达所述至少一个孔。

14.根据前述任一权利要求所述的传感器，在包括根据前述任一权利要求的多个电化学传感器的阵列中。

15.根据前述任一权利要求所述的传感器，包括在集成电路中。

16.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述至少一个多孔电极基本上是环形的，并且所述至少两个电极中的另一个是部分环形的电极，并且围绕所述工作电极的周边形成。

17.根据权利要求16所述的传感器，其中所述绝缘层中的开口基本上是环形的并且与所述至少一个多孔电极同轴。

18.根据权利要求16或17所述的传感器，还包括环形导电轨道，与所述至少一个多孔电极同轴并位于其下方。

19.根据权利要求18所述的传感器，还包括至少一个部分环形导电轨道，与所述至少两个电极中的另一个对齐。

20.根据权利要求16所述的传感器，其中所述部分环形电极是半环形的。

21.根据权利要求16所述的传感器，其中所述传感器包括两个传感器，每个传感器具有相应的工作电极和相应的反电极，并共享共同参考电极。

22.根据权利要求21所述的传感器，其中所述工作电极是半圆形，并且所述反电极是四分之一环形。

23.根据权利要求16所述的传感器，其中所述传感器包括两个传感器，每个传感器具有相应的工作电极并共享共同反电极和共同参考电极。

24.根据权利要求23所述的传感器，其中所述工作电极是半圆形，并且所述反电极是半环形。

25.根据权利要求16所述的传感器，其中所述传感器包括两个传感器，每个传感器具有相应的工作电极和相应的反电极、以及相应的参考电极。

26.根据前述任一权利要求所述的传感器，还包括屏蔽导电轨道，其与所述导电轨道的边缘绝缘并沿所述导电轨道的边缘定位。

27.一种制造电化学传感器的方法，包括：

在基板上形成绝缘层；

在所述基板中提供至少一个孔；

在所述绝缘层中提供开口；

在所述绝缘层的开口中形成至少一个多孔电极，使得至少一个电极通过所述基板暴露于环境；

在所述绝缘层上方形成至少一个附加电极；和

在电极和所述绝缘层上方形成电解质层。

28.根据权利要求27所述的方法，其中在所述基板中提供至少一个孔的步骤是提供多个微毛细管的步骤。

29.根据权利要求27或28所述的方法，其中使用丝网印刷、模版印刷、平版印刷或气溶胶喷射印刷中的至少一种来进行形成至少一个多孔电极和至少一个附加电极的步骤。

30.根据权利要求27、28或29所述的方法，还包括在所述基板上同时形成多个电化学传感器。

31.一种在晶片上制造多个电化学传感器的方法，该方法包括：处理晶片基板以部分构建多个电化学传感器；提供包括多个帽的封盖晶片；将所述帽粘合到部分传感器上以使所述帽与所述部分传感器对齐；和切割所得结构以产生多个传感器。