CN114424055A

CN114424055A - 具有多种感测能力的多像素气体微传感器的制造方法

Info

Publication number: CN114424055A
Application number: CN202080066034.4A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·韦恩斯; 洛朗·弗朗西斯
Original assignee: Katholieke Universiteit Leuven
Current assignee: Katholieke Universiteit Leuven
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-04-29
Also published as: EP3795986B1; CA3152197A1; EP3795986A1; EP3795986C0; WO2021053116A1; KR20220066061A; US20220299465A1; JP2022549115A; BR112022004849A2

Abstract

本发明涉及一种用于制造多像素气体微传感器的方法，其中每个多像素气体微传感器至少包括具有第一感测材料的第一像素组和具有不同于第一材料的第二感测材料的第二像素组。该方法包括提供晶圆基板和处理晶圆基板以构建具有第一像素组和第二像素组的多个多像素微传感器的第一步骤，为每组像素组选择感测材料的第二步骤，以及通过用选择的对应的感测材料涂覆第一像素组和第二像素组的电极对来激活第一像素组和第二像素组的第三步骤。

Description

具有多种感测能力的多像素气体微传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有多种感测能力的多像素微传感器的方法。更具体地，本发明还涉及用于检测气体和/或挥发性有机化合物的多像素微传感器。

背景技术

在工业4.0和物联网(IoT)中寻求智能环境监测解决方案、工艺控制、安全或医疗保健服务应用，需要低功耗和低成本的传感器，尤其是用于检测特定的有害气体或疾病标志物(例如挥发性化合物)的存在/不存在和浓度的传感器。

已知的环境传感器的示例是利用金属氧化物表面检测气体的固态半导体传感器。然而，这些金属氧化物气体传感器需要较高的工作温度(通常高于200至500℃)，以激活材料与待检测气体之间的表面反应。因此，考虑到它们的功耗，这些类型的传感器不太适合。

可替代传感器是使用基于聚合物和纳米复合材料的传感器材料的传感器。这些材料在室温或低于60℃的温度下发生反应，因此可以大大降低传感器的功耗。

然而，当前使用这些基于聚合物和纳米复合材料的传感器材料的传感器不是按照大规模生产工艺制造的，因此并不总是以成本效益的方式生产。此外，根据待检测的气体类型或环境参数，需要制造各种传感器并将其组装在一起以形成选择性传感器阵列。这进一步增加了制造成本。

因此，用于制造具有多种感测能力(特别是用于感测气体和挥发性化合物)的传感器的方法存在改进空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制造具有多种感测能力(特别是用于感测气体和挥发性化合物)的多像素微传感器的方法。另一个目的是通过减少制造步骤的数量来提供一种成本效益的制造方法。更具体地，该方法旨在制造与“智能传感器”和IoT通信协议兼容的低功耗微传感器，特别是用于长寿命或无电池自主应用的微传感器。

本发明被限定在所附的独立权利要求中。优选实施例被限定在从属权利要求中。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造多个多像素气体微传感器的方法。每个多像素气体微传感器至少包括具有第一感测材料的一个或更多个像素和具有不同于第一材料的第二感测材料的一个或更多个像素。

该方法包括以下步骤：

A)提供包括绝缘层的晶圆基板，以及处理晶圆基板用于构建多个多像素微传感器，处理至少包括以下步骤：

A1)创建为多个微传感器中的每一个定义的光刻掩模：

i)一对或更多对第一电极对形成第一像素组，并且其中每对第一电极对包括第一电极和第二电极，

ii)一对或更多对第二电极对形成第二像素组，并且其中每对第二电极对包括第三电极和第四电极，

iii)第一电连接线与第一电极对的第一电极中的每一个连接，以及第二电连接线与第一电极对的第二电极中的每一个连接，

A2)根据光刻掩模对绝缘层应用金属化过程以形成第一电极对、第二电极对、第一电连接线和第二电连接线，并且其中金属化过程包括在基板上沉积一层或更多层金属，

A3)将保护掩模沉积到基板上，保护掩模优选地由氮化物或氧化物制成，

B)选择第一感测材料和第二感测材料，并且其中第一感测材料是适用于电聚合的第一聚合物，

C)执行第一像素组和第二像素组的晶圆上(on-wafer)激活或管芯上(on-die)激活，晶圆上激活或管芯上激活至少包括以下步骤：

C1)局部去除覆盖第一像素组的第一电极对的保护掩模的一部分，

C2)应用第一电聚合过程以用第一感测材料同时涂覆第一像素组(G1)的第一电极对中的每一对，并且其中第一电连接线和第二电连接线用作在第一电聚合过程中的电连接以用于向第一电极和第二电极施加第一电压或用于在第一电极和第二电极之间施加第一电压差，

C3)局部去除覆盖第二像素组的第二电极对的保护掩模的一部分，

C4)用第二感测材料涂覆第二像素组的第二电极对。

有利地，通过在定义电极对组的晶圆基板处理之后将像素激活作为单独的步骤(即后端步骤)执行，感测材料的选择独立于晶圆基板处理。因此，可以在晶圆基板处理后选择各种感测材料。这允许制造廉价的定制传感器阵列。实际上，利用根据本发明的方法，通过用给定的应用所需的特定感测材料覆盖电极对来执行像素的“按需”激活。

有利地，通过使用用于聚合物像素激活的电聚合过程，实现了一种用于在用于形成像素的电极对上容易且低成本地沉积聚合物的技术。实际上，需要相同感测材料的像素中的每一个(即属于相同的像素组)，都可以同时被涂覆。

有利地，通过定义用于第一电极对的电连接线并在电聚合过程中使用这些互连接线来施加第一电压或第一电压差，只有第一电极对接收第一电压，因此聚合以选择性的方式进行。

有利地，利用根据本发明的方法，获得了用于检测多种不同气体的紧凑且廉价的单芯片检测器。

有利地，利用根据本发明的方法，一些像素组可以被涂覆有聚合物以感测气体，而其他像素组可以被涂覆有适合测量例如芯片上温度和/或湿度的其他材料。这允许补偿检测到的信号的寄生效应，例如漂移或老化。

根据本发明的方法不受由诸如A)、B)和C)的字母序列标识或由其他符号序列标识的步骤的特定顺序限制。例如，在实施例中，在执行步骤C2)和C4)之前执行步骤C1)和C3)两者。在其他实施例中，例如在步骤A)之前执行步骤B)。

在实施例中，第一感测材料和/或第二感测材料是以下聚合物中的任意一种：聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或聚硅烷化合物。在其他实施例中，第一感测材料和/或第二感测材料是分子印迹聚合物。

在实施例中，方法包括在第一电聚合过程之后切割第一电连接线和第二电连接线的附加步骤，使得第一组的每对第一电极对变得与第一组的其他第一电极对隔离。

在实施例中，第一电连接线和第二电连接线形成公共连接线，或者其中第一电连接线和第二连接线相互连接以使第一电极和第二电极短路，从而使得在第一电聚合过程中第一电压是用于第一电极和第二电极的单一公共电压，并且其中在第一电聚合过程之后，方法包括切断第一电连接线和第二电连接线或切断公共连接线的进一步的步骤，使得在第一电极对的每对的第一电极和第二电极之间形成开路。

在实施例中，在第一电聚合过程之后，根据本发明的方法包括为每个微传感器切断所述第一电连接线和所述第二电连接线的附加步骤，使得第一组的每对第一电极对变得与第一组的其他第一电极对隔离。

在实施例中，对于每个多像素气体微传感器，具有第一感测材料的像素的数量等于或大于两个。有利地，对于具有多个带相同感测材料的像素的检测器，可以通过例如取平均值或通过从具有相同感测材料的各种传感器累积数据来执行更可靠的感测。

一般来说，可以提高信噪比。

在根据本发明的实施例中，第二感测材料是适用于电聚合的第二聚合物，并且其中提供光刻掩模的步骤A1)进一步限定：iv)与第二电极对的第三电极的每一个连接的第三电连接线，以及与第二电极对(E2)的第四电极的每一个连接的第四电连接线，并且其中金属化的步骤A2)进一步形成第三电连接线和第四电连接线，并且其中步骤C4)包括应用第二电聚合过程以用第二感测材料同时涂覆第二组的第二电极对中的每对，并且其中第三连接线和第四连接线用作在第二电聚合过程中的电连接，以用于向第三电极和第四电极施加第二电压或在第三电极和第四电极之间施加第二电压差。

在进一步的实施例中，第三电连接线和第四电连接线还形成另外的公共连接线，或者其中第三连接线和第四连接线相互连接以使第三电极和第四电极短路，从而使得在第二电聚合过程中，第二电压被施加到第三电极和第四电极，并且其中，在第二电聚合过程之后，方法包括切断第三电连接线和第四电连接线或切断另外的公共连接线的进一步的步骤，使得在第二电极对的每对的第三电极和第四电极之间形成开路。

在进一步的实施例中，在第二电聚合过程之后，方法包括切断第三连接线和第四电连接线的附加步骤，使得第二组的每对第二电极对变得与第二组的其他第二电极对隔离。

利用根据本发明的方法可以获得的微传感器不限于第一像素组和第二像素组，并且在实施例中，通过对附加像素组应用如为第一像素组和/或第二像素组定义的方法步骤来提供两个以上的像素组。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测气体和挥发性有机化合物的多像素微传感器，该多像素微传感器是根据所附权利要求中限定的方法制造的。

有利地，在单个装置上组合几种感测材料(如分子印迹聚合物和非印迹聚合物)，提高了灵敏度和选择性，并实现了气体识别。

有利地，根据本发明的多像素微传感器在室温下工作。

附图说明

本发明的这些方面和进一步的方面将通过示例并参考附图被更详细地解释，其中：

图1表示根据本发明的方法的实施例的流程图；

图2表示示出了根据本发明的方法产生的像素阵列的实施例的晶圆基板的俯视图和晶圆基板的一部分的放大图；

图3示意性地示出根据本发明的像素的实施例在像素激活之前的截面图；

图4示意性地示出图2所示的像素的实施例在像素激活之后的截面图；

图5示意性地示出根据本发明的微传感器的像素的另一个实施例的截面图；

图6示意性地示出根据本发明的用于微传感器的读出装置。

这些图不是按比例绘制的。通常，相同的部件在图中用相同的附图标记表示。

具体实施方式

本公开将根据具体实施例进行描述，这些实施例对本公开是说明性的而不应被解释为限制性的。本领域技术人员将理解的是，本公开不受已经具体示出和/或描述的内容的限制，并且可以根据本公开的总体教导开发可替代或修改的实施例。所描述的附图仅是示意性的并且是非限制性的。

动词“包括”的使用，以及相应的变形，并不排除除所述之外的元件的存在。

在一个元件之前使用冠词“一”、“一个”或“该”并不排除多个这样的元件的存在。

此外，描述和权利要求中的第一、第二等术语用于相似的元件之间的区分，而不一定用于描述时间、空间、排序或任何其他方式的序列。应当理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本公开的实施例能够以除了本文描述或图示之外的其他顺序操作。

一般制造方法

根据本发明的第一方面，提供了一种用于具有多种感测能力的多像素气体微传感器的大规模生产的方法。

多像素微传感器必须被理解为包括多个像素的传感器阵列，并且其中当与传感器阵列的第二像素组相比时，至少第一像素组具有不同的感测能力。像素有时也被称为换能器。通过对像素使用不同的感测材料来获得不同的感测能力。以这种方式，微传感器的行为类似于“环境相机”，其中例如第一像素组能够检测第一特定气体，而第二像素组能够测量温度和/或湿度或不同于第一气体的第二特定气体。多像素微传感器不限于所使用的不同感测材料的数量。例如，第三像素组可以包括检测另外的特定气体的感测材料。出于实际原因，微传感器内的不同感测材料的数量优选限制在25种。

多像素微传感器的像素组必须被解释为具有相同感测材料的微传感器的一个或更多个像素的分组。例如，在微传感器的实施例中，第一像素组可以包括具有第一感测材料的三个像素，以及第二像素组可以包括具有第二感测材料的一个像素。换言之，在实施例中，像素组中的一些也可以包括一个像素。

根据本发明的方法制造的多像素气体微传感器的每一个至少包括具有第一感测材料的第一像素组G1和具有不同于第一材料的第二感测材料的第二像素组G2。

制造多像素微传感器的方法包括如图1示意性地示出的三个主要步骤：提供晶圆基板并处理晶圆基板以构建具有第一像素组G1和第二像素组G2的多个多像素微传感器的第一步骤100，为每个像素组选择感测材料的第二步骤200以及用所选择的感测材料激活第一像素组和第二像素组的第三步骤300。

根据本发明的方法的第一步骤100提供晶圆基板，其中外表面形成绝缘层，然后处理晶圆基板以构建多个多像素微传感器。下文将进一步讨论适用于应用本方法的晶圆基板的各种示例。晶圆基板的处理至少包括创建光刻掩模的子步骤A1)。为多个微传感器中的每一个定义光刻掩模：i)一对或更多对第一电极对E1形成第一像素组G1，并且其中每对第一电极对包括第一电极和第二电极，ii)一对或更多对第二电极对E2形成第二像素组G2，并且其中每对第二电极对包括第三电极和第四电极，以及iii)第一电连接线与第一电极对E1的第一电极中的每一个连接，以及第二电连接线与第一电极对E1的第二电极中的每一个连接。这些第一电连接线和第二电连接线通常也被称为互连接线。

本发明不限于应用光刻掩模的特定光刻技术。在实施例中，光刻掩模是诸如通过光刻获得的光场掩模，并且在其他实施例中，应用电子束光刻技术或用于应用掩模的任何其他合适的光刻技术。

在实施例中，第一电极对的第一电极和第二电极对的第三电极为正极，第一电极对的第二电极和第二电极对的第四电极为负极。

注意每组的电极对的数量对于每组不一定相同，例如第一组可以有四对第一电极对，以及第二组可以有两对第二电极对。

在子步骤A2)中，根据所创建的光刻掩模对晶圆基板的绝缘层进行金属化过程，以形成第一电极对、第二电极对以及第一电连接线和第二电连接线。这种金属化过程包括在晶圆基板上至少沉积一层或更多层金属。基于光刻的金属化过程是已知的过程，通常用于IC制造过程的生产线后端。在图2中，示出了示出由处理步骤A1)和A2)产生的像素阵列的实施例的晶圆基板10的俯视图和晶圆基板的一部分的放大图。在该示例中，形成微传感器的像素阵列∑P_i包括五组像素P1、P2、P3、P4、P5。在该示例中，像素阵列中的像素Pi的总数等于二十。组P1包括四个电极对E1，以及组P2包括四个电极对E2。组P3包括八个电极对E3。组G4包括两个电极对E4，以及组P5也包括两个电极对。如以下将进一步讨论的，那些电极对E1至E5可以相同或不同。

为了进一步说明制造过程，在图3中，示出了由处理步骤A1)和A2)产生的像素的实施例的截面图。该截面图示出了在晶圆基板10上构建的一个像素的第一电极E1，并且在该实施例中，电极对E1由两个交叉指状电极形成。在该示例性实施例中，像素组的电连接线使用三个金属化层20a、20b和20c来实现，这些层与通孔21a、21b连通。所需的金属化层的数量取决于定义的像素组的数量。如果将要制造的微传感器只需要两种不同的感测材料，通常两层金属就足够了。如果需要更多不同的感测材料，则要提供更多的金属层。

在金属化过程之后，在第三子步骤A3)中，将保护掩模沉积到基板上。在实施例中，保护掩模由氮化物或氧化物制成。

在第二步骤200中，选择用于第一像素组的第一感测材料和用于第二像素组的第二感测材料。第一感测材料是适用于电聚合的第一聚合物。第二步骤200可以被解释为制定步骤的定制决策并且可以在第一步骤100之前或之后执行。

在第三步骤300中，对第一像素组和第二像素组执行晶圆上激活或管芯上激活。这种晶圆上激活或管芯上激活至少包括以下四个步骤：

Cl)局部去除覆盖第一像素组的多个第一电极对的保护掩模的一部分，

C2)应用第一电聚合过程以用第一感测材料同时涂覆第一像素组的第一电极对中的每一对，并且其中第一电连接线和第二电连接线用作在第一电聚合过程中将第一电压施加到第一电极对的电连接，

C4)用第二感测材料涂覆第二像素组的第二电极对。

在图4中，示出了由处理步骤C1)和C2)产生的像素的实施例的截面图。该截面图说明了第一电极E1被聚合物40覆盖。

在实施例中，在执行步骤C2)和C4)之前执行步骤C1)和C3)。实际上，发明人已经观察到，局部去除所有电极对的保护掩模的一部分并随后用其适当的感测材料涂覆像素组不会影响每个单独像素组的涂覆过程。有利地，这减少了执行像素组中的每一组的激活所需的时间。

在可替代实施例中，在完成步骤C1)和C2)之后仅执行步骤C3)。

如上所述，微传感器可以包括用于感测不同气体的不同感测材料。在这些实施例中，第二感测材料是诸如适用于电聚合的第二聚合物。然后，提供光刻掩模的子步骤A1)进一步限定：iv)分别与第二电极对的第三电极和第四电极连接的第三电连接线和第四电连接线，然后金属化的步骤A2)进一步形成第三电连接线和第四电连接线。步骤C4)进一步包括应用第二电聚合过程，用于同时将第二感测材料涂覆于第二感测组的第二电极对中的每一对。第三电连接线和第四电连接线在此用作在第二电聚合过程中将第二电压施加到第二电极对的电连接。

可以理解的是，本领域技术人员可以扩展本方法以用于制造具有两种以上不同的聚合物作为传感器材料的微传感器。

在一些实施例中，在激活过程之后，在步骤A3)中应用的保护掩模(例如通过蚀刻过程)被完全去除，而在其他实施例中，保护掩模被保留。在图5中，示出了保留保护掩模50的示例。

晶圆基板

为执行根据本发明的方法而提供的晶圆基板必须被解释为适用于应用方法步骤A1)至A3)的任何基板。

在实施例中，如图3所示，晶圆基板10至少包括由诸如Si或Ge等半导体材料制成或由诸如Al、Au、Ag、Pt等金属制成的第一层11和由绝缘材料制成的第二层12。第二绝缘层形成基板晶圆的外表面并且第二绝缘层是用于执行上述处理步骤100的起始层。

通常，晶圆基板的绝缘层12由以下任何一种方法形成：氧化工艺、氮化工艺、氧化物沉积或氮化物沉积。

在其他实施例中，晶圆基板包括由诸如玻璃或石英等绝缘材料制成的层。在实施例中，整个晶圆基板由玻璃或石英制成。

在特定实施例中，为执行根据本发明的方法而提供的晶圆基板是由最初的生产线前端(FEOL)工艺产生的晶圆基板。例如，晶圆基板可以包括被配置为读出由微传感器的电极对生成的信号的晶体管。在像素的管芯上激活的情况下，这些晶体管也可以用作控制提供给电极对的聚合电压的开关。

感测材料

各种材料可用作像素的感测材料，例如导电聚合物(例如分子印迹聚合物(MIP)和非印迹聚合物(NIP))以及基于诸如碳纳米管或石墨烯的纳米复合材料。

根据本发明的制造方法得到的微传感器包括作为第一感测材料的至少一种聚合物。在实施例中，感测材料是以下聚合物中的任何一种：聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或聚硅烷化合物。

在实施例中，微传感器包括传感器材料的组合，其中第一传感器材料是分子印迹聚合物(MIP)以及第二传感器材料是非印迹聚合物(NIP)。

在一些实施例中，一个或更多个像素组可以具有作为感测材料的膜，例如由石墨烯制成的膜。在其他实施例中，感测材料由电阻或半导体材料制成。

如上所述，根据本发明制造的微传感器至少包括具有聚合物作为传感器材料的第一像素组，并且该传感器材料通过第一电聚合过程沉积在第一电极对上。

如果微传感器包括具有例如碳纳米管、石墨烯或纳米复合材料作为感测材料的第二像素组，则在根据本发明的方法的步骤C4)中，使用以下过程之一来沉积感测材料：喷涂、滴涂或喷墨印刷。这些过程在施加涂层的技术领域中是已知的。

在一些实施例中，一个或更多个电极对没有被涂覆，即在电极对的电极之间没有添加感测材料。这些电极对例如用于不存在任何涂层的电阻测量，例如用于温度测量的目的。

电极

在实施例中，第一电极对和/或第二电极对由两个叉指电极形成。在可替代实施例中，第一电极对或第二电极对由两个相对的电触点形成。电极对中的每一对包括正电极和负电极。例如，电极由铜制成。

在一些实施例中，第一像素组包括由两个叉指电极形成的电极对，并且第二像素组包括由两个相对的电触点形成的电极对。换言之，电极对可以因像素组而异。

在一些实施例中，导电元件(例如由石墨烯制成的网格)被放置在形成电极对的两个相对的电触点之间。这允许增加电触点之间的距离并促进聚合过程。对于这些实施例，方法包括作为像素激活步骤300的一部分的进一步的步骤，以在电极对的电极之间耦接这样的导电元件。

在使用叉指电极的实施例中，当用聚合物涂覆时，涂覆到电极对的聚合物厚度大约为1至2μm，以完全覆盖电极对的两个电极并形成欧姆接触。

在其他实施例中，电极对的电极之间的距离可以小于1μm，例如几百纳米。通常，更小的距离对于电聚合过程更有效。

叉指电极包括多个指状件，并且指状件的数量根据电极对的电极之间所需电阻进行优化。例如，在实施例中，所需电阻可以在100千欧和1兆欧之间的范围内。

电连接线

电连接线必须被解释为用于相互连接具有相同感测材料的电极对的电极的导体或导体的部分。例如，电连接线由铜制成。

在实施例中，第一像素组的第一电连接线和第二电连接线相互连接，即第一像素组的电极对的第一电极和第二电极形成短路。这样，在第一电聚合过程期间，可以将第一单电压施加到第一组的第一电极对的第一电极和第二电极。这意味着例如电聚合过程中正极和负极处于相同的电压。

在一些实施例中，第一电连接线和第二电连接线形成公共连接线，使得第一电极对的第一电极和第二电极默认为短路。

因此，对于其中第一电极对是如上所述的被短路的实施例，在第一电聚合过程之后，根据本发明的方法包括切断第一电连接线和第二电连接线或切断公共连接线的进一步的步骤，使得在第一电极对中的每一对的第一电极和第二电极之间形成开路。

类似地，例如，如果第二感测材料是第二聚合物，则第三电连接线和第四电连接线相互连接并形成进一步的短路。这样，在第二电聚合过程中，可以将第二单电压施加到所有第二电极对的第三电极和第四电极。因此，在第二次电聚合过程中，正极和负极也处于相同的电压。

更一般地，在一些实施例中，其中微传感器包括使用多种聚合物作为感测材料的多组像素组，像素组中的每一组的电极对的电导体中的每一个被配置为使电极对被短路。

在其他实施例中，第一电连接线和第二电连接线形成两个单独的电导体，即例如连接所有第一电极对的正极的第一电导体和连接所有第一电极对的负极的第二电导体。这样，在电聚合过程中，第一电连接线和第二电连接线可用于将第一电压施加到第一电极对的所有正极上，并将第二电压施加到第一电极对的所有负极上。换言之，可以在第一电极与第二电极之间施加第一电压差。

当如上所述通过使用公共连接线或通过互连第一电连接线和第二电连接线来使电极对短路时，减少了在金属化过程期间需要施加的金属化层的数量。在这种情况下，使用一个金属化层，可以覆盖两种不同的传感器材料。例如，使用两个金属化层可以覆盖四种不同的传感器材料。另一方面，如果通过使用分别连接到第一电极和第二电极的专用第一电连接线和第二电连接线来维持第一电极和第二电极分离，则每个传感器材料需要更多的金属化层。然后通常每个感测材料需要一个金属化层。

像素的晶圆上激活

像素的激活可以在晶圆水平上(即“晶圆上”)执行，或在管芯水平上(即在切割晶圆之后的“管芯上”)执行。

在在晶圆上执行第一像素组和第二像素组的激活的实施例中，对由晶圆基板支撑的多个多像素微传感器的每个第一像素组同时执行应用第一电聚合过程的子步骤C2)。在步骤A1)至A3)的处理之后，通过将晶圆基板放置在第一电解质溶液中并且如果第一电极和第二电极短路，则将第一电压施加到第一电极对和第二电极对，或者如果第一电极和第二电极没有短路，则在第一和第二电极之间施加电压差来执行晶圆上的同时电聚合。如上所述，第一电连接线和第二电连接线用作向电极施加电压的电连接。

当要在晶圆上执行像素的激活时，在执行处理步骤A1)至A3)之前，晶圆基板在晶圆的边缘设置有全局电触点GC1、GC2，允许连接为执行聚合过程提供电压的电压源。在这些实施例中，作为金属化步骤A2)的一部分，微传感器中的每一个的第一电连接线和第二电连接线与晶圆边缘处的一个或两个全局电触点连接。如果要制造的多像素传感器包括多个组，每个组具有不同的聚合物感测材料，那么对于需要聚合物感测材料的每个像素组，在晶圆的边缘设置一个或两个全局电触点。

在图2所示的实施例中，示出了晶圆基板上的五个全局触点GC1至GC5，这些全局触点允许用不同的聚合物感测材料涂覆五个像素组G1至G5。晶圆基板上所需的全局触点数量取决于需要聚合物作为感测材料的像素组的数量。如果在图2所示的示例中，只有组G1到组G3需要通过聚合过程被涂覆，那么晶圆上的三个全局触点就足够了。

在一些实施例中，作为金属化过程的一部分，多个微传感器的多个第一电连接线彼此连接，并且这些多个微传感器的多个第二电连接线也彼此连接。然后将这些连接的第一电连接线和连接的第二电连接线与晶圆边缘的单个全局触点或一对全局触点连接。以这种方式，每种感测材料在晶圆边缘的全局触点总数可以大大减少。在一些实施例中，每种感测材料只需要一个或几个全局触点。

如上所述，对于每个微传感器，第一组G1的第一电极对E1的第一电极通过第一电连接线相互连接，并且第一组G1的第一电极对E1的第二电极通过第二电连接线相互连接。因此，对于在晶圆上执行激活的实施例，在所述第一电聚合过程之后，方法包括附加步骤，即例如通过蚀刻工艺切断所述第一电连接线和所述第二电连接线，使得第一组G1的每个第一电极对E1变得与第一组G1的其他第一电极对隔离。实际上，每个电极对及其传感器材料形成一个独立的像素传感器。当微传感器工作时，每个像素传感器将独立于在另一个像素传感器中检测到的任何信号来获取信号并将信号传输到读取装置。

像素的管芯上激活

对于第一像素组和第二像素组的激活在管芯上执行的实施例，方法包括在执行步骤C)之前对晶圆进行切割的附加步骤，即执行第一像素组和第二像素组的管芯上激活。

对于在管芯上执行像素激活的这些实施例，在步骤A)中提供的晶圆基板是由最初的生产线前端工艺产生的。作为前道工序过程的一部分，为第一像素组的每个第一电极对提供一对晶体管。有利地，第一电极对的这些晶体管用作允许在第一电聚合过程期间控制第一电压的开关。例如，那些晶体管15是NMOS晶体管或PMOS晶体管。在图5中，示出了像素的截面图，其中晶圆基板10是由最初的生产线前端工艺产生的，其中为每个电极对提供一对晶体管。在图5中，晶体管15与电连接线20a至20d一起被示出。

在实施例中，管芯被封装并且最终所得芯片包括多个外围连接焊盘。这些焊盘中的一些与第一像素组的晶体管对电连接并且允许在第一聚合过程期间控制第一电压。

当在管芯上执行第一电极对的激活时，步骤C2)中使用的聚合工艺为液滴聚合工艺或专用的微流控工艺。使用液滴聚合工艺，将包含聚合液体的液滴供应到局部去除保护掩模的像素的顶部。当使用微流控系统时，例如流体通过像素上方的小室循环，使得局部去除保护掩模的像素与流体接触。

多像素微传感器

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测气体和/或挥发性有机化合物的多像素微传感器。根据本发明的多像素微传感器通过如上所述的制造方法获得，方法包括如图1示意性示出的制造步骤100、制造步骤200和制造步骤300。

对应于单个微传感器的管芯可以具有可以随实施例而变化的总表面尺寸。例如，在实施例中，对应于单个微传感器的管芯具有1x1mm²或0.5x0.5mm²或更小的典型整体表面尺寸。在其他实施例中，该尺寸可以更大并且具有高达例如3x3mm²的面积值。微传感器的单个像素的表面尺寸可以因实施例而异。在一些实施例中，例如像素尺寸是10x10μm²。在其他实施例中，像素尺寸可以大得多，例如，如果要使用更大面积的微传感器，那么这种微传感器的像素尺寸甚至可以达到1x1mm²。

在提供用于第一像素组的每个第一电极对的一对晶体管作为晶圆基板的最初的生产线前端工艺的一部分的实施例中，晶体管也可用于控制检测器的读出过程。例如，所应用的读出过程是通过多路复用以与已知CMOS相机中类似的方式来执行的，随后是电阻和/或电容的读出。

在图6中，示出了一个实施例，其中多路复用器与根据本发明的微传感器耦接，其中可以对每个像素执行读出，并且其中在微传感器的制造过程中，也可以选择性地执行通过电聚合涂覆电极对。图6所示的系统包括列解码器81和行解码器82。行解码器与控制盒86耦接，控制盒86允许激活行解码器的行之一，例如如图6所示的行L1、L2、L3、L4之一。如图6示意性所示，这些行中的每一行都与与像素相关联的晶体管对的多个栅极耦接。写入控制装置84和读取控制装置85与列解码器81耦接。写入控制装置84在电聚合过程中用于选择性地向需要电聚合的像素施加电压。例如，如果行LI通过控制盒86被激活，则写入控制装置84可以为列Cl和列Cl'设置电压，如果位于行L1和列Cl/Cl'上的像素需要电聚合，则该电压对于电聚合过程是足够的。以这种方式，可以选择性地应用和控制每个像素的电聚合过程。根据所使用的电聚合过程的类型，施加在诸如Cl和Cl'上的电压可以相等或不同。

如上所述，当微传感器的像素的激活被完成并且微传感器开始工作时，则图6所示的列解码器和行解码器以及相关联的控制可以用于选择性地从每个像素读出数据，例如通过电阻和/或电容读出数据。举个例子，如果行L1被激活，则来自位于行L1和列Cl/Cl'上的像素的数据可以由读取控制装置85通过列连接Cl和Cl'读出。

Claims

1.一种用于制造多个多像素气体微传感器的方法，其中，每个多像素气体微传感器至少包括具有第一感测材料的一个或更多个像素和具有不同于第一材料的第二感测材料的一个或更多个像素，所述方法包括：

A)提供包括绝缘层(12)的晶圆基板(10)，以及处理所述晶圆基板以构建多个多像素微传感器，所述处理至少包括以下步骤：

A1)创建为所述多个微传感器中的每一个定义的光刻掩模：

i)一个或更多个第一电极对(E1)形成第一像素组(G1)，其中每个第一电极对包括第一电极和第二电极，

ii)一个或更多个第二电极对(E2)形成第二像素组(G2)，其中每个第二电极对包括第三电极和第四电极，

iii)第一电连接线与第一电极对(E1)的第一电极中的每一个连接，以及第二电连接线与第一电极对(E1)的第二电极中的每一个连接，

A2)根据所述光刻掩模，对所述绝缘层应用金属化过程，从而为所述多个微传感器中的每一个形成所述第一电极对、所述第二电极对、所述第一电连接线和所述第二电连接线，其中所述金属化过程包括在所述基板上的沉积一层或更多层金属，

A3)将保护掩模沉积到所述基板上，所述保护掩模优选地由氮化物或氧化物制成，

B)选择所述第一感测材料和所述第二感测材料，其中所述第一感测材料是适用于电聚合的第一聚合物，

C)执行所述第一像素组(G1)和所述第二像素组(G2)的晶圆上激活或管芯上激活，所述晶圆上激活或所述管芯上激活至少包括以下步骤：

C1)局部去除覆盖所述第一像素组(G1)的第一电极对(E1)的保护掩模的一部分，

C2)应用第一电聚合过程以用所述第一感测材料同时涂覆所述第一像素组(G1)的第一电极对(E1)中的每一个，其中所述第一电连接线和所述第二电连接线用作在所述第一电聚合过程中的电连接，以用于向所述第一电极和所述第二电极施加第一电压或用于向所述第一电极和所述第二电极之间施加第一电压差，

C3)局部去除覆盖所述第二像素组(G2)的第二电极对(E2)的保护掩模的一部分，

C4)用所述第二感测材料涂覆所述第二像素组的第二电极对(E2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆基板至少包括：

i)由诸如Si或Ge等半导体材料制成或由诸如Al、Au、Ag、Pt等金属制成的第一层(11)，以及

ii)形成所述绝缘层(12)的第二层，其中所述绝缘层(12)由以下任何一种方法形成：氧化工艺、氮化工艺、氧化物沉积或氮化物沉积。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆基板包括由诸如玻璃或石英等绝缘材料制成的层。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在执行步骤C2)和C4)之前执行步骤C1)和C3)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述微传感器中的每一个，所述第一电连接线和所述第二电连接线形成公共连接线，或者其中第一连接线和第二连接线相互连接以使所述第一电极和所述第二电极短路，从而使得在所述第一电聚合过程中所述第一电压是用于所述第一电极和所述第二电极的单个公共电压，其中，在所述第一电聚合过程之后，所述方法包括切断所述第一电连接线和所述第二电连接线或切断所述公共连接线的进一步的步骤，使得在所述第一电极对的每一对的所述第一电极和所述第二电极之间形成开路。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在晶圆上执行所述第一像素组和所述第二像素组的激活，并且其中通过将所述晶圆基板放置于第一电解质溶液中，对所述多个多像素微传感器的每个第一像素组同时执行应用第一电聚合过程的子步骤C2)。

7.根据权利要求6所述的方法，在所述第一电聚合过程之后，包括切断所述第一电连接线和所述第二电连接线的附加步骤，使得第一组(G1)的每个第一电极对(E1)变得与所述第一组(G1)的其他第一电极对隔离。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在管芯上执行所述第一像素组和所述第二像素组的激活，并且所述方法包括在执行所述第一像素组和所述第二像素组的所述管芯上激活之前对所述晶圆进行切割的附加步骤，并且在步骤A)中提供的所述晶圆基板是由包括为所述第一像素组的每个第一电极对(E1)形成一对晶体管(15)的步骤的最初的生产线前端工艺产生的，并且其中所述第一电极对的晶体管被用作允许在所述第一电聚合过程期间控制所述第一电压或所述第一电压差的开关。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一感测材料为以下聚合物中的任一种：聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或聚硅烷化合物，或者所述第一感测材料为分子印迹聚合物。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二感测材料由以下任一种或以下任意组合制成：碳纳米管、石墨烯或纳米复合材料。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二感测材料由电阻或半导体材料制成。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用喷涂、滴涂或喷墨印刷工艺将所述第二感测材料涂覆在所述第二电极对上。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二感测材料为适用于电聚合的第二聚合物，并且其中提供光刻掩模的所述步骤A1)还限定：iv)与所述第二电极对(E2)的第三电极中的每一个连接的第三电连接线，以及与所述第二电极对(E2)的第四电极中的每一个连接的第四电连接线，

其中金属化步骤A2)还形成所述第三电连接线和所述第四电连接线，

其中所述步骤C4)包括应用第二电聚合过程以用所述第二感测材料同时涂覆所述第二组(G2)的第二电极对(E2)中的每一个，

并且其中所述第三连接线和所述第四连接线在所述第二电聚合过程中用作电连接，以用于向所述第三电极和所述第四电极施加第二电压或在所述第三电极和所述第四电极之间施加第二电压差。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电极对和/或所述第二电极对由叉指电极形成或由两个相对的电触点形成。

15.一种用于检测气体和/或挥发性有机化合物的多像素微传感器，通过根据前述权利要求中任一项所述的制造方法获得。