CN112964944A - 集成信号处理电路的传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种集成信号处理电路的传感器及其制备方法。所述集成信号处理电路的传感器包括：第一衬底，所述第一衬底的上表面具有敏感元件；第二衬底，所述第二衬底的上表面具有由薄膜晶体管构建的信号处理电路；粘结层，位于所述第一衬底和所述第二衬底之间，用于粘结所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的上表面或者用于粘结所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的下表面；互连线，至少贯穿所述第一衬底和所述粘结层，用于电连接所述敏感元件与所述信号处理电路。本发明在解决了工艺兼容性问题的同时，提高集成度、信噪比并降低成本。

Description

集成信号处理电路的传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种集成信号处理电路的传感器及其制备方法。

背景技术

目前，对于类似生物电信号等的微弱信号的传感检测，需要在传感前端集成基于晶体管的信号放大和处理电路，以减少对后端读取系统的性能要求，并提高信噪比、检测极限等。

现有的传感器与基于晶体管的电路之间的集成方案主要有混合集成与单片集成两种。混合集成通过将基于晶体管的电路与传感器转移并贴至布有金属走线的转接板上，实现传感器与基于晶体管的电路的集成，集成后需要对基于晶体管的电路模块进行单独封装，所以需要在电路与传感器之间保留一定距离以实现封装层的图形化，因此，这种转移、贴合的方法难以实现较高的集成度。单片集成则是通过在同一衬底上自下而上依次完成基于晶体管的电路及传感器的制备工艺，并通过过孔互连实现基于晶体管的电路与传感器之间的电学连接，有利于实现较高的集成度，但是，由于传感种类的多样性，在低成本、大面积制备过程中材料和工艺的兼容性以及可选择性上存在较大的挑战。

因此，如何降低传感器与基于晶体管的电路在集成方面的成本以及工艺制造难度，是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种集成信号处理电路的传感器及其制备方法，用于解决现有技术中的电路与传感器在集成方面存在的成本、大面积制备以及材料与工艺的选择性和兼容性方面的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种集成信号处理电路的传感器，包括：

第一衬底，所述第一衬底的上表面具有敏感元件；

第二衬底，所述第二衬底的上表面具有由薄膜晶体管构建的信号处理电路；

粘结层，位于所述第一衬底和所述第二衬底之间，用于粘结所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的上表面或者用于粘结所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的下表面；

互连线，至少贯穿所述第一衬底和所述粘结层，用于电连接所述敏感元件与所述信号处理电路。

可选的，所述第一衬底上还具有位于所述敏感元件外部的第一互连端口；

所述第二衬底上还具有位于所述信号处理电路外部的第二互连端口；

所述第一互连端口与所述第二互连端口对准设置。

可选的，还包括：

贯穿所述第一衬底、所述粘结层和所述第二衬底的通孔，所述通孔连通所述第一互连端口和所述第二互连端口，所述互连线位于所述通孔内；

所述通孔的内径小于1mm；

所述通孔在沿平行于所述第一衬底方向上的截面积小于所述第一互连端口沿平行于所述第一衬底方向上的截面积和所述第二互连端口沿平行于所述第一衬底方向上的截面积。

可选的，所述互连线的材料为导电聚合物、金属及碳基的导电浆料、导电聚合物、碳基导电物、金属氧化物、金属纳米线、金属、金属氧化物纳米颗粒掺杂的导电弹性材料中的一种或者两种以上的组合，其中，所述导电聚合物为pH值酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯，所述碳基导电物为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物。

可选的，所述粘结层的材料为双面粘性胶带、热固化及紫外固化的粘结胶水。

可选的，所述薄膜晶体管的结构为底栅底接触结构、底栅顶接触结构、顶栅底接触结构、或者顶栅顶接触结构。

可选的，所述薄膜晶体管包括半导体层，所述半导体层的材料为有机小分子半导体材料、聚合物半导体材料、小分子半导体材料-聚合物绝缘材料混合体系、硅基半导体材料、或者氧化物半导体材料。

可选的，所述信号处电路为模拟信号处理电路、数字信号处理电路、或者模拟信号-数字信号处理的混合电路。

可选的，所述第二衬底包括沿垂直于所述第一衬底的方向平行排列的多个第二子衬底，每一所述第二子衬底的上表面均形成有所述信号处理电路，相邻的所述第二子衬底之间相互粘结，且相邻的所述第二子衬底上的所述信号处理电路电连接。

可选的，所述第一衬底和所述第二衬底均为柔性衬底或者弹性衬底，所述柔性衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、热固化的胶水、或者紫外固化的胶水，所述化弹性衬底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、或者铂催化硅胶。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种如上所述的集成信号处理电路的传感器的制备方法，包括如下步骤：

提供第一衬底，所述第一衬底的上表面形成有阵列化的敏感元件；

提供第二衬底，所述第二衬底的上表面形成阵列化的由薄膜晶体管构建的信号处理电路；

将第一衬底与第二衬底对准后通过粘结层粘结第一衬底的下表面与第二衬底的上表面或是粘接第一衬底的下表面与第二衬底的下表面；

通过激光穿孔或机械穿孔的方式至少贯穿第一衬底和粘结层，形成通孔；

填充导电材料于所述通孔内，形成电连接所述敏感元件与所述信号处理电路的互连线；

按照敏感元件和信号处理电路尺寸对集成的所述第一衬底和所述第二衬底进行切割，形成集成信号处理电路的传感器。

本发明提供的集成信号处理电路的传感器及其制备方法，将基于薄膜晶体管的信号处理电路与敏感元件的制备工艺相互独立开来，即所述基于晶体管的信号处理电路与所述敏感元件分别在两个相互独立的衬底上形成，在解决了工艺兼容性问题的同时，可单独对各自的制备工艺进行优化以提高整体性能；信号处理电路位于敏感元件下方就近进行信号处理，可提高信噪比；信号处理电路、敏感元件的大面积阵列制备及垂直方向上的集成，解决了传统集成方案集成度低的问题并有利于减少了单个集成信号处理电路的传感器的制备成本；此外，背对背/背对面的集成结构将基于薄膜晶体管的信号处理电路保护在待检测物的内侧，在一定程度上可以起到封装作用，保护其免受检测物的影响。

附图说明

附图1A是本发明具体实施方式中的一集成信号处理电路的传感器的结构示意图；

附图1B是本发明具体实施方式中的另一集成信号处理电路的传感器的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中的集成信号处理电路的传感器的制备方法流程图；

附图3是本发明具体实施方式中的集成信号处理电路的传感器在制备过程中的工艺示意图；

附图4A-4C是本发明具体实施方式中的集成信号处理电路的传感器应用于H+离子传感示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的集成信号处理电路的传感器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种集成信号处理电路的传感器，附图1A是本发明具体实施方式中的一集成信号处理电路的传感器的结构示意图，附图1B是本发明具体实施方式中的另一集成信号处理电路的传感器的结构示意图。如图1A和图1B所示，本具体实施方式提供的集成信号处理电路的传感器，包括：

第一衬底10，所述第一衬底10的上表面具有敏感元件11；

第二衬底12，所述第二衬底12的上表面具有由薄膜晶体管构建的信号处理电路13；

粘结层14，位于所述第一衬底10和所述第二衬底12之间，用于粘结所述第一衬底10的下表面与所述第二衬底12的上表面(如图1A所示)或者用于粘结所述第一衬底10的下表面与所述第二衬底12的下表面(如图1B所示)；

互连线15，至少贯穿所述第一衬底10和所述粘结层14，用于电连接所述敏感元件11与所述信号处理电路13。

具体来说，所述第一衬底10具有相对的上表面和下表面，所述敏感元件11形成于所述第一衬底10的上表面。所述第二衬底12具有相对的上表面和下表面，由薄膜晶体管构建的所述信号处理电路形成于所述第二衬底12的上表面。在分别单独于所述第一衬底10的上表面上形成所述敏感元件11、以及于所述第二衬底12的上表面上形成所述信号处理电路13之后，通过粘结层14粘合所述第一衬底10和所述第二衬底12，粘合之后，所述第一衬底10与所述第二衬底12呈相互平行的状态。所述粘合的具体方式，可以如图1A所示，即所述第一衬底10的下表面与所述第二衬底12的上表面通过所述粘结层14粘结；或者，也可以如图1B所示，即所述第一衬底10的下表面与所述第二衬底12的下表面通过所述粘结层14粘结。当如图1A所示，所述第一衬底10的下表面与所述第二衬底12的上表面通过所述粘结层14粘结时，所述互连线15沿垂直于所述第一衬底10(或者所述第二衬底12)的方向贯穿所述第一衬底10并延伸至所述粘结层14内部，以电连接所述敏感元件11与所述信号处理电路13。当如图1B所示，所述第一衬底10的下表面与所述第二衬底12的下表面通过所述粘结层14粘结时，所述互连线15沿垂直于所述第一衬底10(或者所述第二衬底12)的方向贯穿所述第一衬底10、所述粘结层14和所述第二衬底12，以电连接所述敏感元件11与所述信号处理电路13。

多个所述敏感元件11在所述第一衬底10的上表面呈阵列排布，构成传感器阵列。所述第一衬底10作为所述传感器阵列的承载基底。多个所述信号处理电路13在所述第二衬底12的上表面呈阵列排布，构成信号处理电路阵列。所述第二衬底12作为所述信号处理电路阵列的承载基底。本具体实施方式中所述的多个是指两个及两个以上。

可选的，所述第一衬底10和所述第二衬底12柔性衬底或者弹性衬底，所述柔性衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、热固化的胶水、或者紫外固化的胶水，所述化弹性衬底的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、或者铂催化硅胶(Ecoflex)。

由薄膜晶体管构建的信号处理电路13是指，所述信号处理电路13中包括多个薄膜晶体管。可选的，所述薄膜晶体管的结构为底栅底接触结构、底栅顶接触结构、顶栅底接触结构、或者顶栅顶接触结构。

可选的，所述薄膜晶体管包括半导体层，所述半导体层的材料为有机小分子半导体材料、聚合物半导体材料、小分子半导体材料-聚合物绝缘材料混合体系、硅基半导体材料、或者氧化物半导体材料。

可选的，所述信号处电路13为模拟信号处理电路、数字信号处理电路、或者模拟信号-数字信号处理的混合电路。

可选的，所述第二衬底包括沿垂直于所述第一衬底的方向平行排列的多个第二子衬底，每一所述第二子衬底的上表面均形成有所述信号处理电路，相邻的所述第二子衬底之间相互粘结，且相邻的所述第二子衬底上的所述信号处理电路电连接。

本领域技术人员还可以根据所需的所述信号处理电路阵列的规模，相应增加第二衬底的数量，在各第二衬底表面分别形成若干个信号处理电路，通过所述第二衬底与第二衬底间的粘接以及过孔互连的纵向集成方式形成完整的信号处理电路阵列，以减小集成信号处理电路的传感器的整体面积。

可选的，所述粘结层14的材料为双面粘性胶带、热固化及紫外固化的粘结胶水。

可选的，所述第一衬底10上还具有位于所述敏感元件11外部的第一互连端口；

所述第二衬底12上还具有位于所述信号处理电路13外部的第二互连端口；

所述第一互连端口与所述第二互连端口对准设置。

可选的，所述集成信号处理电路的传感器还包括：

贯穿所述第一衬底10、所述粘结层14和所述第二衬底12的通孔，所述通孔连通所述第一互连端口和所述第二互连端口，所述互连线15位于所述通孔内；

所述通孔的内径小于1mm；

所述通孔在沿平行于所述第一衬底10方向上的截面积小于所述第一互连端口沿平行于所述第一衬底10方向上的截面积和所述第二互连端口沿平行于所述第一衬底10方向上的截面积。

具体来说，所述互连线15填充满所述通孔，即所述互连线15的截面直径小于1mm。

可选的，所述互连线的材料为导电聚合物、金属及碳基的导电浆料、导电聚合物、碳基导电物、金属氧化物、金属纳米线、金属、金属氧化物纳米颗粒掺杂的导电弹性材料中的一种或者两种以上的组合，其中，所述导电聚合物为pH值酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯，所述碳基导电物为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种如上所述的集成信号处理电路的传感器的制备方法。附图2是本发明具体实施方式中的集成信号处理电路的传感器的制备方法流程图，附图3是本发明具体实施方式中的集成信号处理电路的传感器在制备过程中的工艺示意图。本具体实施方式制备的集成信号处理电路的传感器的结构可参见图1A和图1B。如图1A、图1B、图2和图3所示，本具体实施方式提供的集成信号处理电路的传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤S21，提供第一衬底10，所述第一衬底10的上表面形成有阵列化的敏感元件11。

步骤S22，提供第二衬底12，所述第二衬底12的上表面形成阵列化的由薄膜晶体管构建的信号处理电路13。

具体来说，所述第一衬底10和所述第二衬底12的材料可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)，热固化及紫外固化的胶水，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)或铂催化硅胶(Ecoflex)等。所述第一衬底10和所述第二衬底12分别作为传感器阵列和信号处理电路阵列的承载基底。可以采用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对所述第一衬底10和所述第二衬底12进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理所述第一衬底10的表面(包括上表面和下表面)和所述第二衬底12表面(包括上表面和下表面)。

在所述第一衬底10的上表面形成阵列化的所述敏感元件11，所述敏感元件11包括敏感薄膜和电极，所述敏感薄膜和所述电极均可以采用真空蒸镀、溅射、点胶、旋涂、刮涂、光刻等工艺制备。

在所述第二衬底12的上表面形成阵列化的信号处理电路13，所述信号处理电路13的尺寸与所述敏感元件11的尺寸相对应，例如所述信号处理电路13的尺寸与所述敏感元件11的尺寸相同。对于规模大的信号处电路可增加衬底数量，在各个衬底表面分别形成一部分的电路，通过衬底与衬底间的粘接以及过孔互连的纵向集成方式形成完成的信号处理电路以减小电极的面积。所述信号处理电路13可以采用真空蒸镀、溅射、点胶、旋涂、刮涂、光刻等工艺制备。

步骤S23，将第一衬底10与第二衬底12对准后通过粘结层14粘结第一衬底10的下表面与第二衬底12的上表面或是粘接第一衬底10的下表面与第二衬底12的下表面。

具体来说，将第一衬底10与第二衬底12对准后通过粘结层14粘结第一衬底10的下表面与第二衬底12的上表面或是粘接第一衬底10的下表面与第二衬底12的下表面，以实现所述第一衬底10与所述第二衬底12的贴合。

步骤S24，通过激光穿孔或机械穿孔的方式至少贯穿第一衬底10和粘结层，形成通孔。

步骤S25，填充导电材料于所述通孔内，形成电连接所述敏感元件与所述信号处理电路的互连线15。

步骤S26，按照敏感元件和信号处理电路尺寸对集成的所述第一衬底和所述第二衬底进行切割(即裁剪)，形成集成信号处理电路的传感器。

本具体实施方式提供的集成信号处理电路的传感器及其制备方法，将基于薄膜晶体管的信号处理电路与敏感元件的制备工艺相互独立开来，即所述基于晶体管的信号处理电路与所述敏感元件分别在两个相互独立的衬底上形成，在解决了工艺兼容性问题的同时，可单独对各自的制备工艺进行优化以提高整体性能；信号处理电路位于敏感元件下方就近进行信号处理，可提高信噪比；信号处理电路、敏感元件的大面积阵列制备及垂直方向上的集成，解决了传统集成方案集成度低的问题并有利于减少了单个集成信号处理电路的传感器的制备成本；此外，背对背/背对面的集成结构将基于薄膜晶体管的信号处理电路保护在待检测物的内侧，在一定程度上可以起到封装作用，保护其免受检测物的影响。

以下为形成所述集成信号处理电路的传感器的实施例。

附图4A-4C是本发明具体实施方式中的集成信号处理电路的传感器应用于H⁺传感示意图。图4A为用于H⁺检测的集成信号处理电路的传感器结构示意图。敏感元件制备于第一衬底10的上表面，所述敏感元件包含工作电极111、参比电极112、溶液阻隔板40以及待检测溶液41，其中工作电极111优选地采用ITO电极、参比电极112优选地采用Ag/AgCl参比电极，溶液阻隔板40用以将所述待检测溶液41限制在中心凹槽，减少待检测溶液的用量，优选地采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)所制备的凹槽来实现。信号处理电路采用共源单级放大电路，制备于第二衬底12的上表面，所述信号处理电路包含驱动晶体管2010与负载晶体管2011，所述驱动晶体管2010与负载晶体管2011中包含栅电极2000、有机介电层2100、源/漏电极2200、有机半导体层2300、封装层2400，所述负载晶体管2011的漏极与栅极通过互连线15连接，因所选取的截面不包含互连线15，所以用以短接负载管漏极与栅极的互连线未在图4A中显示出来。第一衬底10与第二衬底12采用粘结层14(例如超薄双面胶)以背对背的方式贴合集成为一体，通过贯穿性通孔及互连线15将驱动晶体管2010的栅电极与敏感元件的工作电极111实现电学连接。所述放大电路的原理图如图4B所示。图4C为检测结果，此种集成结构能够克服工艺兼容性问题将微弱离子的信号(～-7mV/0.2pH)成功放大到十倍(～80mV/0.2pH)。图4C中的集成结构为集成信号处理电路的传感器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种集成信号处理电路的传感器，其特征在于，包括：

第一衬底，所述第一衬底的上表面具有敏感元件；

第二衬底，所述第二衬底的上表面具有由薄膜晶体管构建的信号处理电路；粘结层，位于所述第一衬底和所述第二衬底之间，用于粘结所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的上表面或者用于粘结所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的下表面；

互连线，至少贯穿所述第一衬底和所述粘结层，用于电连接所述敏感元件与所述信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述第一衬底上还具有位于所述敏感元件外部的第一互连端口；

所述第二衬底上还具有位于所述信号处理电路外部的第二互连端口；

所述第一互连端口与所述第二互连端口对准设置。

3.根据权利要求2所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，还包括：

贯穿所述第一衬底、所述粘结层和所述第二衬底的通孔，所述通孔连通所述第一互连端口和所述第二互连端口，所述互连线位于所述通孔内；

所述通孔的内径小于1mm；

所述通孔在沿平行于所述第一衬底方向上的截面积小于所述第一互连端口沿平行于所述第一衬底方向上的截面积和所述第二互连端口沿平行于所述第一衬底方向上的截面积。

4.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述互连线的材料为导电聚合物、金属及碳基的导电浆料、导电聚合物、碳基导电物、金属氧化物、金属纳米线、金属、金属氧化物纳米颗粒掺杂的导电弹性材料中的一种或者两种以上的组合，其中，所述导电聚合物为pH值酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯，所述碳基导电物为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物。

5.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述粘结层的材料为双面粘性胶带、热固化及紫外固化的粘结胶水。

6.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管的结构为底栅底接触结构、底栅顶接触结构、顶栅底接触结构、或者顶栅顶接触结构。

7.根据权利要求6所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管包括半导体层，所述半导体层的材料为有机小分子半导体材料、聚合物半导体材料、小分子半导体材料-聚合物绝缘材料混合体系、硅基半导体材料、或者氧化物半导体材料。

8.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述信号处电路为模拟信号处理电路、数字信号处理电路、或者模拟信号-数字信号处理的混合电路。

9.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述第二衬底包括沿垂直于所述第一衬底的方向平行排列的多个第二子衬底，每一所述第二子衬底的上表面均形成有所述信号处理电路，相邻的所述第二子衬底之间相互粘结，且相邻的所述第二子衬底上的所述信号处理电路电连接。

10.根据权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器，其特征在于，所述第一衬底和所述第二衬底均为柔性衬底或者弹性衬底，所述柔性衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、热固化的胶水、或者紫外固化的胶水，所述化弹性衬底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、或者铂催化硅胶。

11.一种如权利要求1所述的集成信号处理电路的传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供第一衬底，所述第一衬底的上表面形成有阵列化的敏感元件；

提供第二衬底，所述第二衬底的上表面形成阵列化的由薄膜晶体管构建的信号处理电路；

将第一衬底与第二衬底对准后通过粘结层粘结第一衬底的下表面与第二衬底的上表面或是粘接第一衬底的下表面与第二衬底的下表面；

通过激光穿孔或机械穿孔的方式至少贯穿第一衬底和粘结层，形成通孔；填充导电材料于所述通孔内，形成电连接所述敏感元件与所述信号处理电路的互连线；

按照敏感元件和信号处理电路尺寸对集成的所述第一衬底和所述第二衬底进行切割，形成集成信号处理电路的传感器。

12.根据权利要求11所述的集成信号处理电路的传感器的制备方法，其特征在于，所述第二衬底包括沿垂直于所述第一衬底的方向平行排列的多个第二子衬底，每一所述第二子衬底的上表面均形成有所述信号处理电路，相邻的所述第二子衬底之间相互粘结，且相邻的所述第二子衬底上的所述信号处理电路电连接。

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