CN204666551U - 流体传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种流体传感器芯片，该流体传感器芯片包括了包括非晶碳的隔离物衬底、包括石墨的电导体、以及包括石墨烯或碳纳米管的有源材料，该实用新型在化学侵蚀性环境中能够被可靠地使用。
Description
技术领域
实施例涉及流体传感器芯片。一些实施例涉及用于制造流体传感器芯片的方法。
背景技术
诸如例如气体传感器之类的化学传感器在许多情况下由非化学惰性的材料组成。一方面金属或硅衬底以及金属导体，以及另一方面诸如例如金属氧化物之类的有源传感器层被侵蚀性化学品（例如酸、HF等）腐蚀。具有这样的化学侵蚀性环境的应用的一个场所是锂离子电池的内部。这里，例如，电解液由溶解在有机溶剂（一般是二氧化碳酯）中的含氟导电盐组成。
发明内容
提供了一种流体传感器芯片。流体传感器芯片包括了包括非晶碳的隔离物衬底、包括石墨的电导体、以及包括石墨烯或碳纳米管的有源材料。
提供了另外的流体传感器芯片。另外的流体传感器芯片包括衬底载体、导电层、包括非晶碳的隔离物衬底、包括石墨的电导体以及包括石墨烯或碳纳米管的有源材料。导电层被布置在隔离物衬底和衬底载体之间。隔离物衬底被形成在衬底载体和导电层之上。有源材料被形成在导电层和隔离物衬底之上。电导体从有源材料穿过隔离物衬底延伸到导电层，以将有源材料与导电层电连接。
提供了一种用于在化学侵蚀性环境中感测物理或化学参数的流体传感器芯片。在这里，所有的传感器芯片表面暴露于包括化学惰性碳或者由其组成的化学侵蚀性环境。
提供了一种用于制造流体传感器芯片的方法。该方法包括：提供衬底载体，在衬底载体上提供导电层，在衬底载体和导电层之上形成包括非晶碳的隔离物衬底，提供包括石墨的电导体以使得电导体延伸穿过隔离物衬底并且接触导电层，以及将包括石墨烯或碳纳米管的有源材料沉积到隔离物衬底和电导体上。
附图说明
图1示出了流体传感器芯片的示意性的横截面视图；
图2示出了流体传感器芯片的可替换的实现的示意性的横截面视图；
图3示出了流体传感器芯片的完全密封的实现的示意性横截面视图，所述流体传感器芯片包括了包括石墨的电导电部分；
图4示出了流体传感器芯片的示意性横截面视图，所述流体传感器芯片包括了包括金属的电导电部分；以及
图5a至5c示出了图示了用于制造流体传感器芯片的方法的流体传感器芯片的不同部件的示意性横截面视图。
具体实施方式
在通过使用附图来更详细地讨论本公开之前，应该指出的是，在图中，相同的附图标记提供给同样的元件、具有相同功能或相同效果的元件，使得这些元件的描述以及图示在不同实施例中的其功能是互相可交换的，或者可以在不同的实施例中被应用于彼此。
在常规的化学传感器中，以贵金属实现衬底和接触线可以保护其免于化学腐蚀。然而，这使得较高的制造成本是必需的。还可能用聚合物来涂覆衬底和接触线；然而，它们经常不能抵抗有机溶剂。可能只有通过使用部分渗透膜来在有限的程度上实现有源层的保护。然而，结果灵敏度和响应以及再生时间一般增加了。
因此，存在对于流体传感器芯片的改进的概念的需求，其甚至在化学侵蚀性环境中能够被可靠地使用。
本公开的实施例提供了相对鲁棒的传感器芯片，所述相对鲁棒的传感器芯片在以下情况下可以被实现：如果包括非晶碳的隔离物衬底被形成在衬底载体和导电层之上；如果提供包括石墨的电导体，使得电导体延伸穿过隔离物衬底并且接触导电层；并且如果包括石墨烯或者碳纳米管的有源材料被沉积在隔离物衬底和电导体上。以这种方式，可以实质上避免传感器芯片或者其部件没有针对周围的侵蚀性化学品（例如，酸、HF等）被充分保护的缺点。
图1示出了流体传感器芯片100的示意性横截面视图。如在图1的例子中示出的那样，流体传感器芯片100包括了包括非晶碳的隔离物衬底110、包括石墨的电导体120以及包括石墨烯或碳纳米管的有源金属130。
作为一个例子描绘在图1中的是，流体传感器芯片100还可以包括衬底载体102（或晶片衬底）以及导电层104。
例如，隔离物衬底110可以表示流体传感器芯片100的层。此外，隔离物衬底或层110可以被布置在由另一种材料组成的衬底（即衬底载体102）的顶上。
图1的流体传感器芯片提供了这样的优点：它是相对鲁棒的并且甚至可以在化学侵蚀性环境中被可靠地使用。这实质上允许流体传感器芯片更灵活和/或可靠的使用。
如在图1中的一个例子中所示的那样，流体传感器芯片100可以包括衬底载体102。此外，流体传感器芯片100可以包括导电层104、包括非晶碳的隔离物衬底110、包括石墨的电导体120以及包括石墨烯或碳纳米管的有源材料130。例如，导电层104可以被布置在隔离物衬底110和衬底载体102之间。此外，隔离物衬底110可以被形成在衬底载体102和导电层104之上。此外，有源材料130可以被形成在导电层104和隔离物衬底110之上。可以从图1看出，电导体120可以从有源材料130穿过隔离物衬底110延伸到导电层104，以将有源材料130与导电层104电连接。
如图1中的一个例子所示的那样的传感器芯片的结构实质上表示适合于在化学侵蚀性环境中使用的鲁棒的传感器芯片。所表示的传感器芯片允许可靠地感测诸如气体或液体之类的流体的物理或化学参数。
图2示出了流体传感器芯片200的可替换的实现的示意性的横截面视图。如图2中的一个例子所示的那样的流体传感器芯片200本质上对应于图1中所示的流体传感器芯片100。因此，省略对应的或同样的部件的重复描述。然而，与图1中所示的流体传感器芯片100相反，如图2中的一个例子所示的那样的流体传感器芯片200的导电层104可以不同地被形成。例如，在电导体120之下的区域210中，导电层104可以延伸穿过隔离物衬底110，其中穿过隔离物衬底110的导电层104的延伸d2可以大于隔离物衬底110的宽度d1的一半。然而，如在图1的流体传感器芯片100的结构中那样，图2中的流体传感器芯片200的电导体120可以从有源材料130穿过隔离物衬底110延伸到导电层104，以将有源材料130与导电层104电连接。
图3示出了流体传感器芯片300的完全密封的实现的示意性横截面视图，所述流体传感器芯片300包括了包括石墨的电导电部分310。如图3中的一个例子所示的那样的流体传感器芯片300本质上对应于图1中所示的流体传感器芯片100。因此，省略对应的或同样的部件的重复描述。然而，图3的流体传感器芯片300可以包括延伸穿过隔离物衬底110的电导电部分310，其中电导电部分310可以被配置成将流体传感器芯片300的外部电接触315与导电层104耦合。参照作为一个例子的图3，电导电部分310可以被布置在流体传感器芯片300的边界区域312中。
如在图3中作为一个例子所示的那样，流体传感器芯片300还可以包括被配置成封闭衬底载体102的封闭件320。
例如，封闭件320可以包括非晶碳或者由非晶碳组成。通过提供这样的封闭件，实质上能够针对诸如气态或液态媒介之类的化学侵蚀性流体媒介保护流体传感器芯片300的衬底载体102。
此外，在一个实施例中封闭件320可以覆盖传感器芯片300的全部表面，除了有源材料130和外部电接触315之外。这具有如下优点：可以提供同样适合于化学侵蚀性环境（例如在锂离子电池的内部）中的应用的改进的传感器芯片。
例如，电导电部分310包括金属（例如Cu）。此外，流体传感器芯片300还可以包括绝缘部分330，其被配置成使包括金属的电导电部分310绝缘。以这种方式，也可以覆盖金属的、电导电部分310，使得流体传感器芯片的外部电接触315将被保护。
图4示出了流体传感器芯片400的示意性横截面视图，所述流体传感器芯片400包括了包括石墨的电导电部分410。如图4中一个例子所示的包括部件102、104、110、120和130的流体传感器芯片400本质上对应于图1中所示的包括元件102、104、110、120和130的流体传感器芯片100。因此，省略对应的或同样的元件的重复描述。在图4的例子中，电导电部分410可以包括石墨。由于流体传感器芯片400的电导电部分410可以包括石墨，所以不要求被配置成使电导电部分410绝缘的绝缘部分。相反，包括石墨的电导电部分410已经能抵抗化学侵蚀性环境。
例如，流体传感器芯片100可以是用于感测气体或液体的物理或化学参数的传感器芯片。换言之，传感器芯片可以被用作化学侵蚀性环境中的气体传感器或液体传感器。
例如，如图1至4中的例子所示的那样的流体传感器芯片被配置成在化学侵蚀性环境中感测物理或化学参数，其中所有的传感器芯片表面被暴露于化学侵蚀性环境，所述化学侵蚀性环境包括化学惰性碳或者由其组成。
参照之前的流体传感器芯片的例子，电导体120可以包括关于流体传感器芯片100的中心、垂直轴101对称布置的两个不同的电导体部分122、124，使得有源材料130可以通过两个不同的电导体部分122、124与导电层104电连接。此外导电层104的两个不同的导电层部分105、107可以由在中心、垂直轴101 周围的流体传感器芯片的中心区域中的隔离物衬底110分开。
图5a至5c示出了图示了用于制造流体传感器芯片100的方法的流体传感器芯片100的不同部件510、520的示意性横截面视图。例如，用于制造流体传感器芯片的方法可以包括下面动作。首先，可以提供衬底载体102。接着，可以在衬底载体102上提供导电层104。接着，可以在衬底载体102和导电层104之上形成包括非晶碳的隔离物衬底110。接着，可以提供包括石墨的电导体120，使得电导体120延伸穿过隔离物衬底110并且接触导电层104。最后，可以将包括石墨烯或者碳纳米管的有源材料130沉积到隔离物衬底110和电导体120上。
相应地，图5a示出了在提供衬底载体102的动作、提供导电层104并且使导电层104形成图案的动作以及形成隔离物衬底110的动作之后的结果或部件510。此外，图5b作为一个例子描绘了在提供在隔离物衬底110中的电导体120的动作之后的结果或部件520。最后，图5C作为一个例子描绘了在沉积有源材料130的动作之后的结果或者流体传感器芯片100。
例如，隔离物衬底110可以包括非晶碳或者由其组成。此外，电导体120可以包括石墨或者由其组成。此外，有源材料130可以包括石墨烯或者由其组成。
附加地或者可替换地，有源材料130可以从由以下组成的组中选择：石墨烯、功能化的石墨烯、共价功能化的石墨烯、用金属功能化的石墨烯以及用金属氧化物或者其它金属硫族化合物功能化的石墨烯。功能化化合物可以是连续薄膜的形式，以及颗粒（例如纳米颗粒）的形式。
关于制造方法，其还可以包括密封衬底载体102。以这种方式，可以向流体传感器芯片提供外壳或封闭件（例如封闭件320）。
例如，形成隔离物衬底110的动作可以包括执行来自气态碳氢化合物的基于等离子体的化学气相沉积到衬底载体102上。
此外，提供电导体120的动作可以包括执行隔离物衬底110的空间局部化的热辐射，其中隔离物衬底110的非晶碳被转化为石墨。
在这里，在一个实施例中，可以通过激光辐射或者使用投影掩模的暴露于光来执行隔离物衬底110的热辐射。
此外，沉积有源材料130的动作可以包括施加并烘干石墨烯悬浮液或者石墨烯氧化物悬浮液并且将其加热到在约300℃到900℃之间的温度，或者功能化的石墨烯悬浮液，或者将之前沉积的石墨烯层转移到临时衬底上。
例如，沉积有源材料130的动作包括将纳米颗粒（例如在悬浮液中）沉积到之前沉积到临时衬底上的石墨烯上，并且将之前沉积的石墨烯转移到流体传感器芯片。
此外，沉积有源材料130的动作可以包括将石墨烯沉积到隔离物衬底110上并且随后将纳米颗粒沉积到石墨烯上（例如通过电化学沉积）。
总而言之，流体传感器芯片提供了如下优点：实现气体传感器是可能的，其中暴露于周围介质的表面排他地包括化学惰性碳或者排他地由其组成。例如，流体传感器芯片基于用于隔离物衬底的非晶碳、用于电导体的石墨以及用于有源材料的石墨烯的组合。
在形成隔离物衬底的动作中或者在密封衬底载体的步骤中，可以使用非晶碳。因而，非晶碳可以用于涂覆衬底载体102。可以借助于来自气态碳氢化合物的支持等离子体的化学气相沉积来产生包括非晶碳的隔离物衬底110或封闭件320。在这里，指出的是，非晶碳对于实践中任何化学品都是惰性的，除了氧等离子体和在500℃之上的温度的氧气，并且其承担低的制造成本。非晶碳的通用特征是：它是电绝缘的并且可以被采用为诸如例如气体传感器之类的电子部件中的电介质。有利地，非晶碳可以用于根据本公开的流体传感器芯片中。
在提供电导体120的动作中，可以使用石墨。一般，虽然石墨具有和非晶碳相同的化学抗性，但是是电导体。例如，可以借助于热处理来从非晶碳产生石墨。还可以以局部化的方式来执行石墨的形成，例如借助于诸如在DE 10 2012 212 152 A1中所述的激光辐射。因而，在包括非晶碳或者由其组成的绝缘基体中形成电导体120或者电导电石墨结构是可能的。例如，通过选择激光波长以及非晶碳层（或者隔离物衬底110）的吸收系数的调整（例如通过用一些原子百分数的氮来对隔离物衬底110掺杂），可以改变激光辐射的吸收。因而，还可以调整电导体120延伸穿过隔离物衬底110或石墨转化区的深度。
在沉积流体传感器芯片的有源材料130的动作中，可以使用石墨烯。一般，石墨烯是一种新型材料，其可以在其它事物当中充当用于产生气体传感器的有源材料，诸如在KR 102011039803 A和JP 002011169634 A中所述的那样。由流体传感器芯片所采用的测量原理实质上对应于一旦吸收气体分子之后的有源材料130或石墨烯层的电阻的改变。这样的原理也被描述在如下文献中：F. Schedin et al., Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene, Nature Materials 6 (2007) 652; J. D. Fowler et al., Practical Chemical Sensors from Chemically Derived Graphene, ACS Nano, 3 (2009) 301; 以及J. T. Robinson et al., Reduced Graphene Oxide Molecular Sensors, Nano Lett. 8 (2008) 3137。
作为碳改性（carbon modification），石墨烯还具有和非晶碳相同的化学抗性。该材料可以以低的成本从石墨或碳氢化合物气体中产生。
基本地，已经发现了气体传感器的实现，其中暴露于周围介质的表面可以包括化学抗性的碳或者由其组成。
例如，可以如下制造流体传感器芯片。首先，可以将电绝缘非晶碳（例如具有为10到5000nm的厚度）沉积到包括用于连接有源层（或者有源材料130）的电接触（或者导电层104）的衬底（或者衬底载体102）上。为了改进激光吸收，非晶碳还可以包括一些原子百分数的氮。在位于针对有源层的电接触或电极之上（即在电导体120之上）的区域，借助于在为约700℃到约1500℃的局部地产生的温度下的激光退火动作，包括非晶碳的隔离物衬底110可以局部地转化为导电石墨（例如具有为ρ = 0.5-50 mΩ的电阻率）。所需要的温度的局部引入还可以通过暴露于例如氙灯的光和投影掩模来生效。石墨接触（或者电导体120）可以被配置成金属导体迹线上的完整通孔，或者被配置成金属通孔上的抗蚀剂层。可以将石墨烯层（或者有源材料130）作为有源传感器层施加在所述石墨接触上或者所述石墨接触之间。用于施加有源材料130的可能的沉积工艺包括：施加并且烘干和/或烘烤石墨烯或石墨烯氧化物悬浮液，以及将沉积的石墨烯层转移到临时衬底上。
可以以如下方式产生石墨烯层或者有源材料130。例如，可以采用诸如在S. Stankovich et al., Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide, Carbon 45 (2007) 1558和D. Li et al., Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets, Nature Nanotechnology 3 (2008) 101中所述的减少的石墨烯氧化物。此外，可以采用诸如在X. Li et al., Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, Science 324 (2009) 131、EP 000002055673 A、US 020090155561 A中所述的石墨烯CVD。此外，可以采用诸如在US 020110206934 A、以及Z. Sun et al., Growth of graphene from solid carbon sources, Nature 468 (2010) 549中所述的固态源。最后，诸如在US 7015142 B和WO 002010096646 A中所述的固态外延生长可能是可应用的。
除此之外，可以连同诸如在K.S. Kim et al., Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes, Nature 457 (2008) 706和EP 000002055673 A中所述的到期望的衬底上的转移过程一起来采用使用石墨烯CVD、固态源或固态外延生长的方法。
例如，石墨烯层或有源材料130还可以包括功能化的石墨烯或者由其组成，以致创建对于特定原子、分子或离子的选择性，所述功能化的石墨烯即化学改性的石墨烯或者具有由不同材料（例如金属纳米颗粒）组成的修饰或连续层的石墨烯。石墨烯的功能化可以在到传感器衬底上的施加之前或者跟随到传感器衬底上的施加而执行。
一般，流体传感器芯片可以被采用为化学传感器，即在气体中也在液体中。
在下面，将讨论可以充当化学惰性传感器材料或者充当流体传感器芯片中的有源材料130的不同示例的材料。
例如，可以使用非功能化的石墨烯。在这种情况下，将限制选择性。通过改变石墨烯中的电荷载流子密度，电子施主（例如NH3）导致层电阻的增加，而电子受主导致层电阻的减小。不改变石墨烯中的电荷载流子密度的被吸附物（例如惰性气体）不会导致任何传感器响应。对于一些应用，这样的有限的选择性可能足够了，例如，如果将仅仅检测浓度的改变而没有其它的了。
此外，可以使用共价功能化的石墨烯。在这种情况下，在一个实施例中束缚期望的分析物分子并且影响石墨烯中的电荷载流子密度的官能团（例如-OH、-H、-F、-NH2等）被束缚于石墨烯。在这里，功能化可能必须适于媒介，因为官能团可能不能抵抗所有可能的周围媒介。
此外，可以使用用贵金属（纳米颗粒、薄膜）功能化的石墨烯。在这里，期望的分析物分子（例如H2）被吸收或者被贵金属（例如Au、Pt、Pd）吸收，所述贵金属修饰了石墨烯，并且改变了石墨烯中的电荷载流子密度（例如通过改变金属的功函数）。由于其贵金属的特性，该功能化是化学抗性的。
最后，可以使用其它功能化。然而，诸如例如金属氧化物（例如TiO2、MnO2等）之类的这些其它功能化一般仅仅在特定介质中是化学抗性的。在这里，主要的影响因素是pH值。然而，对于介质的有限的选择，功能化还可以用于化学高抗性传感器。
本公开是有益的，在于可以提供抗腐蚀气体传感器，其可以在化学侵蚀性环境中被可靠地使用。
虽然已经在设备的上下文中描述了一些方面，但是清楚的是，这些方面还表示对应的方法的描述，其中块或者装置对应于方法动作或者方法动作的特征。类比地，在方法动作的上下文中描述的方面同样表示对应的块、或者对应的设备的项目或特征的描述。
上述实施例仅仅是说明本公开的原理的。应该理解的是，布置的修改和变化以及在这里所述的细节对于本领域的技术人员是明显的。因此，意图是仅仅由所附专利权利要求的范围限制，而不由借助于在这里的实施例的描述和解释所呈现的特定细节所限制。
Claims (15)
1.一种流体传感器芯片，包括：
包括非晶碳的隔离物衬底；
隔离物衬底中的包括石墨的电导体；以及
覆在隔离物衬底之上并且接触电导体的包括石墨烯或碳纳米管的有源材料。
2.根据权利要求1所述的流体传感器芯片，其中，
隔离物衬底由非晶碳组成。
3.根据权利要求1所述的流体传感器芯片，其中，
电导体由石墨组成。
4.根据权利要求1所述的流体传感器芯片，其中，
有源材料由石墨烯组成。
5.根据权利要求1所述的流体传感器芯片，其中，
有源材料从由以下组成的组中选择：功能化的石墨烯、共价功能化的石墨烯、用贵金属功能化的石墨烯以及用金属氧化物功能化的石墨烯。
6.一种流体传感器芯片，包括：
衬底载体；
导电层；
包括非晶碳的隔离物衬底；
包括石墨的电导体；以及
包括石墨烯或碳纳米管的有源材料；
其中导电层被布置在隔离物衬底和衬底载体之间；
其中隔离物衬底被形成在衬底载体和导电层之上；
其中有源材料被形成在导电层和隔离物衬底之上；以及
其中电导体从有源材料穿过隔离物衬底延伸到导电层，以将有源材料与导电层电连接。
7.根据权利要求6所述的流体传感器芯片，其中，
流体传感器芯片包括延伸穿过隔离物衬底的电导电部分，其中电导电部分被配置成将流体传感器芯片的外部电接触与导电层耦合。
8.根据权利要求7所述的流体传感器芯片，还包括被配置成封闭衬底载体的封闭件。
9.根据权利要求8所述的流体传感器芯片，其中，
封闭件包括非晶碳或者由非晶碳组成。
10.根据权利要求8所述的流体传感器芯片，其中，
封闭件覆盖传感器芯片的全部表面，除了有源材料和外部电接触之外。
11.根据权利要求7所述的流体传感器芯片，其中，
电导电部分包括石墨。
12.根据权利要求7所述的流体传感器芯片，其中，
电导电部分包括金属。
13.根据权利要求12所述的流体传感器芯片，还包括被配置成使包括金属的电导电部分绝缘的绝缘部分。
14.根据权利要求6所述的流体传感器芯片，其中，
流体传感器芯片是用于感测气体或液体的物理或化学参数的传感器芯片。
15.根据权利要求1-14中的任意一项所述的流体传感器芯片，用于在化学侵蚀性环境中感测物理或化学参数，其中，
所有的传感器芯片表面暴露于由化学惰性碳组成的化学侵蚀性环境。
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