CN1882830A - 具有多个电位测量传感器的传感器布置 - Google Patents

Abstract

本发明的传感器布置包括：至少两个样本腔(9)；至少两个电位测量FET传感器(10)，特别是IsFET传感器或ChemFET传感器，其各自具有敏感表面部分(2)，其中每一敏感表面部分与一个样本腔流动连接；和参考室，其具有用于提供参考电位的参考介质，其中样本腔经由电解液桥与参考介质相连。优选地，参考室具有用于提供参考电位的电位测量参考FET传感器(12)，其检测电位偏移电极的伪参考电位。相对于伪参考电位确定在样本腔中的N个FET传感器的电位U_diff1、U_diff2、……U_diffN，并且通过在相关电位和参考电位之间的差确定与测量变量相关的电位差U_pH1...N＝U_diff1...N－U_diffref。

Description

具有多个电位测量传感器的传感器布置

本发明涉及一种用于多个样本的电位测量检测的传感器布置，特别地具有所谓的IsFET或ChemFET传感器。所述类型的电位测量FET传感器适用于测量电解液的pH值或氧化还原电位。例如，专利DE 19857953C2公开了pH-IsFET传感器的实现，其中为了减少电路复杂度，IsFET传感器连接在具有至少三个附加电阻的电桥电路中。考虑到FET传感器的安装，已知以下原理。Benton在美国专利No.5,833,824中公开了一种pH传感器，其中利用围绕IsFET芯片的离子敏感区域的金属密封将IsFET芯片固定在衬底下表面上，其中离子敏感区域与衬底中的开口对齐。在由密封围绕的区域之外，芯片表面上的导电迹线被引导至接触面，该接触面通过焊料、铜焊或熔焊连接而与衬底下表面上的互补接触面相连。Benton提出的解决方案非常复杂，因为在制造密封以及实现电接触的过程中都需要焊接、铜焊或熔焊过程。在Benton讨论的现有技术中描述了IsFET传感器，其中普通的聚合体密封被布置在IsFET芯片的衬底和离子敏感区域之间的样本腔壁开口周围。然而，IsFET芯片的接触并不发生在Benton的衬底上，而是发生在托架上，该托架在背离衬底的后表面上支撑IsFET芯片。为此，在IsFET芯片的前表面上的接触面之间将接合线引导至IsFET芯片承载表面外部的托架上的接触面。而且，由于为了接触芯片而需要接合任务，并且由于为了保证传感器的功能性和完整性而必须以相对于衬底以及托架的很小的公差定位芯片，所以这种解决方案复杂。另外，已知一些解决方案，其中芯片的接触面或焊接区在背离离子敏感区域的后表面上。这些芯片可以在后表面上经由具有互补接触面的托架而接触内嵌的金丝，该金丝以垂直于箔平面的方向设置，用于保证在芯片的后表面和托架之间的适当流电接触。这些解决方案非常昂贵，因为将电触点从芯片的前侧引导贯穿芯片到达其后侧使得制造成本增加许多倍。

在本发明申请人的未公开的德国专利申请10260961.6中，公开了一种传感器布置，其具有单个的IsFET或ChemFET传感器，该传感器以利用各向异性导体的前侧安装。

所述的传感器布置仅用于探测单一样本。于是，本发明的目的是提供一种用于电位测量的传感器布置，其一方面可以测量最小样本体积，另一方面可以同时探测多个样本。

根据本发明，这个目的通过根据独立权利要求1的传感器布置得到实现。

根据本发明的传感器布置包括：至少两个样本腔；至少两个电位测量FET传感器，特别是IsFET传感器或ChemFET传感器，其各自具有敏感表面部分，其中每一敏感表面部分与一个样本腔流动连接；和参考室，其具有用于提供参考电位的参考介质，其中样本腔经由电解液桥与参考介质相连。

在本发明的一个实施例中，模块化地构造传感器布置，即，样本腔安排在第一模块中，电位测量FET传感器在第二模块中。

例如，第一模块可以包括盘状基体，其包含用作样本腔的孔眼。在孔眼贯穿的情况中，电位测量FET传感器可以集成在第二模块中，该第二模块作为底板元件将孔眼相对于基体下表面闭合。对于每一样本腔，可以提供独立的底板元件，或者可以由一个共同的底板元件闭合多个样本腔。

可以经由电解液通道实现电解液桥。在当前优选的实施例中，基体包含电解液通道。基体可以是一件的，或者也可以由多个元件或多层组成。在后者的情况中，优选地将电解液通道安排在两层之间的界面中。

在另一实施例中，电解液通道可以集成在第二模块中，特别是集成在底板元件中。

参考室同样可以包括电位测量FET传感器，用于提供参考电位，其中参考电位U_diffref可以相对于电位偏移电极的伪参考电位测量。电位偏移电极同样与参考室中的参考介质相连通。电位偏移电极可以包括例如金属触点，其具有银或氯化银涂层。

优选地相对于伪参考电位测量在样本腔中的N个FET传感器的电位U_diff1、U_diff2……U_diffN。通过在相关电位和参考电位之间的差确定与测量变量相关的电位差，例如U_pH1——U_pH1＝U_diff1-U_diffref。这个差可以是模拟形式或数字形式。

FET传感器可以是例如独立的芯片或者在单片电路底板元件中的多个传感器元件，为了实现传感器，FET传感器必须以这样的方式安排，使得它们一方面可以由可能的腐蚀性样本接触，而另一方面对腐蚀敏感的部件，例如导电迹线不接触介质。为此，本发明的实施例中，这样安排FET传感器，使得FET传感器的离子敏感表面区域与样本腔的孔眼对齐，其中环形密封安排在基体和FET传感器之间。密封围绕孔眼，使得半导体芯片的离子敏感区域可以由样本接触，而样本不接触在由密封环绕的区域之外的FET传感器。对于FET传感器的电接触，可能有多种实施方式。

当前，优选在背景技术中提到的德国专利申请No.10260961.6的结构原理。根据这个原理，FET传感器在朝向基体的表面上具有第一接触面，其与朝向FET传感器的基体下表面上的配合的第二接触面对齐。基体的下表面具有导电迹线，第二接触面通过它与用于向FET传感器供电的合适电路电连接。在基体下表面和FET传感器上表面之间安排弹性层或箔，其垂直于FET传感器的上表面至少部分各向异性地导电，其中弹性层具有与孔眼对齐的开口。于是，弹性箔或层一方面用作密封，另一方面用于电接触。

优选地，弹性绝缘层或箔包括内嵌于各向异性导电区域中的导电颗粒、细粒或细丝，特别是金属颗粒或细丝。这里特别优选的是金丝，其垂直于弹性有机层的平面延伸。这里特别优选地是硅层，其包含金丝并且可以从Shin-Etsu公司购得。

弹性层包含金属细粒，它们以这样的浓度均匀分布在松散层中，使得在细粒之间的电接触数目不足以产生在大距离上的导电性。然而，如果例如通过夹钳作为第一模块和第二模块之间或者基体和底板元件之间的密封元件而使弹性层在一个方向上被压缩，那么在压缩方向上产生的电接触数目足以保证沿压缩方向的导电性。与所选的密封元件类型无关，FET传感器或底板元件可以被后侧支架压向弹性层，以优化弹性层的密封效果。后侧支架可以是刚性的并且还可以被弹性预受力。例如利用卷簧的弹性预受力是具有优点的，因为与仅通过密封元件的弹性实现相比，可以安全地均衡不同热膨胀系数的效果。当需要密封元件的一定压缩度以保证贯穿密封的导电性时，这特别重要。

FET传感器的其它已知接触类型，例如根据Benton或根据Benton中讨论的现有技术，同样适于实现本发明，其中在根据Benton的接触的情况中，缺点是在FET传感器和基体之间形成固定连接，从而削弱模块化。

现在根据附图中显示的实施例解释本发明，附图中：

图1是根据本发明的传感器布置的功能原理的示意图；

图2a是根据本发明的传感器布置的基体的仰视图；

图2b是根据本发明的传感器布置的密封元件；和

图2c是沿根据本发明的传感器布置的纵剖面。

图1示意性显示了本发明的传感器布置的功能原理。传感器布置的FET传感器10各自具有敏感栅极区域，其可与样本腔中的电解液接触。传感器布置的各个样本腔经由电解液桥彼此相连。为此，电解液桥包括电解液通道11，其经由隔膜与样本腔相连通。传感器布置还包括参考腔，参考电极13和参考FET 12位于其中，其中参考电极例如由铂制成。参考FET输出伪参考电位U_diffref，相对于它测量样本腔中N个FET传感器的电位U_diff1、U_diff2……U_diffN。与测量变量相关的电位差，例如U_pH1，是通过相关的电位和参考电位之间的差确定的U_pH1＝U_diff1-U_diffref。差可以是模拟形式或数字形式的。

现在根据图2a、2b和2c解释本发明的传感器布置的实施例的结构细节。

图2a显示了衬底6的下表面，该衬底具有用于本发明的传感器布置的四个样本腔9，其中在下表面上安排了与样本腔开口相间隔的接触面7和8。接触面7和8经由导电迹线以合适的方式与需要的端子相连。在传感器已装配状态的情况中，开口用于使得传感器能够接触待分析的样本。

图2b显示了根据本发明的传感器布置的密封元件的顶视图，其中密封元件在这个实施例中包括硅层，其中引入贯穿的金丝，其基本上垂直于密封元件5的平面延伸。以这种方式，密封元件在密封元件的平面中电绝缘并且在垂直于密封元件的平面导电。于是，电接触面彼此对齐且通过密封彼此隔离，它们可以彼此电接触；但是以密封元件的平面为参考彼此横向偏移的接触面彼此电绝缘。

为了保证安全接触所需要的对齐接触面的最小尺寸与密封元件每单位面积的平均金丝数目相关。这个参数可以通过本领域技术人员以合适的方式改变。同样，结构元件的为了保证可靠绝缘的平均横向间距是金丝密度以及它们的方向和直径的函数。此时，优选地是这样的密封元件，其在对齐的接触面甚至小于1mm²的情况下也能够得到可靠接触并且在横向间距约为0.5mm的情况中保证足够的绝缘。

在这个实施例的情况中，图2b中的密封元件的外部尺寸适合图2a中衬底的下表面的外部尺寸；然而，这并不是必需的。附加地，密封元件具有开口用于衬底中的各个样本腔以及用于参考腔。这些开口与衬底中的相应开口对齐。有利的是，密封元件中的开口具有与衬底6下表面中的开口相同的大小。以这种方式，避免了在衬底和用作底板元件的半导体芯片之间或者在密封元件和底板元件或衬底之间的静容量。

图2c显示了根据本发明的已装配的传感器布置的纵剖面，其中密封元件5被夹钳在半导体芯片1和衬底6之间。

半导体芯片1在其朝向衬底6的表面中具有离子敏感区域2，该区域与衬底6中的开口对齐。接触面3和4与开口相间隔，该接触面分别与衬底下表面上的互补接触面7、8对齐。芯片侧的接触面3、4和衬底侧的接触面7、8之间的接触由密封元件5的垂直于其平面的导电性保证。

为了获得足够的密封作用，必须以合适的力将半导体芯片1压向衬底6的下表面。这一方面可以通过使用形式稳定的结构元件夹钳而实现，另一方面可以通过利用弹性元件预受力而实现。弹性元件的一个例子是卷簧。这里没有显示夹钳或者使用弹性元件。

衬底6可以与半导体传感器外壳一体化构成，或者作为以合适的方式安装在外壳中的单独部件。这些以及其它类似的变型都是本领域技术人员所了解的，并不脱离在所附权利要求中所限定的本发明的基本概念。

Claims (13)

1.传感器布置，包括：

至少两个样本腔；

至少两个电位测量FET传感器，特别是IsFET传感器或ChemFET传感器，其各自具有敏感表面部分，其中每一敏感表面部分与样本腔之一流动连接；和

参考室，其具有参考介质用于提供参考电位，其中样本腔通过电解液桥与参考介质相连。

2.根据权利要求1所述的传感器布置，其中传感器布置包括第一模块，该第一模块具有样本腔。

3.根据权利要求2所述的传感器布置，其中传感器布置包括至少一个第二模块，该第二模块具有多个电位测量FET传感器。

4.根据权利要求2所述的传感器布置，其中传感器装置包括至少多个第二模块，该第二模块各自具有一个电位测量FET传感器。

5.根据权利要求2-4之一所述的传感器布置，其中第一模块具有盘状基体，该基体带有用作样本腔的孔眼。

6.根据权利要求5所述的传感器布置，其中孔眼是贯穿的，并且其中至少一个第二模块或多个第二模块被构造为底板元件，其从第一模块的下表面将贯穿的孔眼闭合。

7.根据权利要求5所述的传感器布置，其中电位测量FET传感器以这样的集成在第二模块中，使得FET传感器总是与贯穿的孔眼之一对齐。

8.根据前述任一权利要求所述的传感器布置，其中电解液桥通过基体中构成的电解液通道延伸。

9.根据权利要求8所述的传感器布置，其中基体具有多个元件，特别是多个层，并且基体中的电解液通道安排在两个相邻元件之间。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的传感器布置，其中电解液桥通过集成在第二模块中的电解液通道延伸。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器布置，其中参考室具有用于提供参考电位的电位测量参考FET传感器，该参考电位是相对于电位偏移电极的伪参考电位检测的。

12.根据权利要求11所述的传感器布置，其中电位偏移电极接触参考室中的参考介质。

13.根据权利要求12所述的传感器布置，其中相对于伪参考电位确定在样本腔中的N个FET传感器的电位U_diff1、U_diff2、……U_diffN，并且通过在相关电位和参考电位之间的差确定与测量变量相关的电位差U_pH1…N＝U_diff1…N-U_diffref。

Images