传感器设备和用于具有至少一个化学或电化学探测装置的传感器设备的制造方法与流程

本发明涉及一种传感器设备和用于具有至少一个化学或电化学探测装置的传感器设备的制造方法。

背景技术：

由现有技术已知反应性离子深度蚀刻方法，如例如在文献de4241045c1中描述的那样。反应性离子深度蚀刻方法可以理解为两级的交替的干式蚀刻工艺，其中，蚀刻和钝化步骤交替。

技术实现要素：

本发明实现一种传感器设备，所述传感器设备具有：衬底；和在所述衬底上和/或在所述衬底中构造的至少一个化学或电化学探测装置，其具有结构化到所述衬底中的探测开口并且如此构造，使得在所述探测开口中至少一种待探测的材料的存在引起由所述探测装置输出的或在所述探测装置上量取的第一传感器信号的变化；其中，所述探测开口包括穿过所述衬底的第一侧结构化的入口并且包括第一空腔，所述入口通到所述第一空腔中。本发明也涉及一种用于具有至少一个化学或电化学探测装置的传感器设备的制造方法，所述制造方法具有以下步骤：借助各向异性的第一蚀刻工艺穿过衬底的第一侧蚀刻入口；形成第一空腔，所述入口通到所述第一空腔中，其方式是，借助各向同性的第二蚀刻工艺在所述入口的背离所述衬底的第一侧的端部上蚀刻所述第一衬底；以及如此在所述衬底上和/或在所述衬底中构造所述化学或电化学探测装置，使得在包括所述入口和所述第一空腔的探测开口中至少一种待探测的材料的存在引起由所述探测装置输出的或在所述探测装置上量取的第一传感器信号的变化。

本发明实现具有分别至少化学或电化学探测装置的传感器设备，所述探测装置基于其探测开口的形式而有利地适用于至少一种待探测的材料的探测。包括入口和第一空腔的探测开口的形式的一个重要优点在于在其内部占主导的毛细压力，其可靠地阻止至少一种充入探测开口中的测定材料(nachweisematerial)的漏出，该测定材料例如用于与至少一种待探测的材料进行特别的相互作用。毛细压力可以自身反作用于用作至少一种测定材料的流体的蒸发。探测开口的形式的另一优点是入口的相对大面积构造的侧壁，所述侧壁例如可用于形成电极。此外，入口可作为用于在第一空腔的背离衬底的第一侧的底部上沉积小点的掩膜使用。通过这种方式形成的点可以主要作为有利地用于化学或电化学探测装置的电极使用，因为所述电极具有相对小的电容，为此然而实现用于“捕捉”至少一种待探测的材料的相对大的半径。

尽管其有利的形式，根据本发明的传感器设备的化学或电化学探测装置的包括入口和第一空腔的探测开口可相对简单地制造。以下还将讨论用于制造根据本发明的具有化学或电化学探测装置的传感器设备的一种有利的可能性，所述化学或电化学探测装置具有有利地成型的探测开口。

在一种有利的实施方式中，传感器设备还包括在所述衬底上和/或在所述衬底中构造的至少一个另外的感测装置，其中，与所述感测装置相邻地在所述衬底中构造有第二空腔，穿过所述衬底的第一侧结构化的连接开口通到所述第二空腔中。第二空腔和穿过衬底的第一侧结构化的连接开口实现用于另外的感测装置相对于外部作用的机械应力的机械去耦结构。借助机械去耦结构的构造可以反作用于通过机械应力对另外的感测装置的运行的影响。通过这种方式可以提高另外的感测装置的测定精度并且降低另外的感测装置的错误率。如以下进一步阐述的那样，此外可以使用相同的方法步骤用于形成包括入口和第一空腔的探测开口并且用于同时形成包括连接开口和第二空腔的机械耦合结构。机械去耦结构的构造因此在传感器设备的该实施方式中不涉及附加的工作耗费。

另外的探测开口可以具有位于衬底的背离第一侧的第二侧上的敏感面并且如此构造，使得在敏感面上的至少一个物理参量的变化引起由感测装置输出的或者在感测装置上量取的第二传感器信号的变化。该敏感面的定向引起敏感面的附加的保护。

所述感测装置具有位于所述衬底的背离所述第一侧的第二侧上的敏感面并且如此构造，使得在所述敏感面上的至少一个物理参量的变化引起由所述感测装置输出的或者在所述感测装置上量取的第二传感器信号的变化。

例如，另外的感测装置可以是压力和/或声音探测装置，其具有膜片构件，所述膜片构件如此覆盖构造在所述衬底中的第三空腔，使得所述膜片构件借助作为所述至少一个物理参量的变化的在所述膜片构件的背离所述第三空腔的敏感面上的压力变化是可凹入或可凸出的。基于机械去耦结构与压力和/或声音探测装置相邻/邻近于压力和/或声音探测装置的构造，可靠地保护其运行免于应力影响。然而应指出，另外的感测装置的可构造性不限于压力和/或声音探测装置。

毫无问题地，衬底可以固定在电路板上和/或部分地以封装材料模制包封(ummoldet)。即使传感器设备构造为具有在上述段落中描述的压力和/或声音探测装置，但基于机械去耦结构的附加的构造而不必担心借助电路板和/或封装材料施加到衬底上的机械应力影响压力和/或声音探测装置。

在用于具有至少一个化学或电化学探测装置的传感器设备的相应的制造方法的实施中也引起上述优点。应指出，所述制造方法可根据传感器设备的上述实施方式来扩展。

优选地，在所述衬底上和/或所述衬底中构造至少一个另外的感测装置，其中，借助所述各向异性的第一蚀刻工艺还如此穿过所述衬底的第一侧结构化附加的连接开口，使得借助所述各向同性的第二蚀刻工艺通过在所述连接开口的背离所述衬底的第一侧的端部上蚀刻所述衬底来与所述感测装置相邻地在所述衬底中形成第二空腔，所述连接开口通到所述第二空腔中。

优选地，如此构造具有位于所述衬底的背离所述第一侧的第二侧上的敏感面的所述另外的感测装置，使得在所述敏感面上的至少一个物理参量的变化引起由所述感测装置输出的或者在所述感测装置上量取的第二传感器信号的变化。

优选地，所述另外的感测装置构造为压力和/或声音探测装置，其具有构造在衬底中的第三空腔和覆盖所述第三空腔的膜片构件，所述膜片构件如此构造，使得所述膜片构件在作为所述至少一个物理参量的变化的在所述膜片构件的背离所述第三空腔的敏感面上的压力变化凹入或凸出。

优选地，作为各向异性的第一蚀刻工艺实施具有交替的蚀刻和钝化步骤的反应性离子深度蚀刻。各向异性的第一蚀刻工艺因此可相对简单和成本有利地实施，由此几乎垂直于衬底的第一侧地蚀刻入口(和优选附加地还有连接开口)。因此，可以以相对大的深度(垂直于衬底的第一侧)相对于相对小的宽度(平行于衬底的第一侧)蚀刻入口(并且优选附加地还有连接开口)。

优选地，作为各向同性的第二蚀刻工艺实施不具有钝化步骤的反应性离子深度蚀刻。在从各向异性的第一蚀刻工艺到各向同性的第二蚀刻工艺的切换中尤其可以关断反应性离子深度蚀刻的钝化与喷溅部分。因此，各向同性的第二蚀刻工艺也可简单和成本有利地实施。借助各向同性的第二蚀刻工艺可以如此强地扩展入口(并且可能还有连接开口)的背离衬底的第一侧的端部，使得除去位于端部之间的衬底区域并且形成第一空腔(并且可能也还有第二空腔)。

优选地，将所述衬底固定在电路板上，和/或，部分地以封装材料对所述衬底模制包封。

附图说明

以下根据附图阐述本发明的另外的特征和优点。

图1示出传感器设备的第一实施方式的示意图；

图2示出传感器设备的第二实施方式的示意图；

图3示出传感器设备的第三实施方式的示意图；

图4示出传感器设备的第四实施方式的示意图；

图5示出传感器设备的第五实施方式的示意图；

图6示出传感器设备的第六实施方式的示意图；以及

图7示出用于阐述用于具有至少一个化学或电化学探测装置的传感器设备的制造方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出传感器设备的第一实施方式的示意图。

在图1中示意性再现的传感器设备具有衬底10，所述衬底具有构造在衬底10上和/或在衬底10中的化学或电化学探测装置12。化学或电化学探测装置12具有结构化到衬底10中的探测开口14，其中，探测开口14包括穿过衬底10的第一侧10a结构化的入口16和(结构化到第一衬底10中的)第一空腔18，入口16通到所述第一空腔中。(探测开口14和第一空腔18分别可以理解为连续的空间)。

化学或电化学探测装置12如此构造，使得在探测开口14中至少一种待探测的材料/物质的存在引起由化学或电化学探测装置12输出的或在化学或电化学探测装置12上量取的第一传感器信号的变化。化学或电化学探测装置12因此可以用于测定至少一种待探测的材料/物质和/或用于测量至少一种待探测的材料/物质的浓度。

基于具有(构造为连续的空间的)第一空腔18和具有入口16的探测开口14的构造而在探测开口14中存在毛细压力，毛细压力阻止至少一种测定材料20的漏出，该测定材料可以与至少一种待探测的材料/物质(专门)相互作用。在图1的实施方式中，离子流体20作为至少一种测定材料20充入探测开口14中，其中，毛细压力在化学或电化学探测装置14中阻止离子流体20从探测开口14流出并且自身阻止在高温时(如例如焊接温度时)离子流体20的蒸发。

入口16可以并行于衬底10的第一侧10a具有圆形、椭圆形、四边形或多边形的横截面。入口16在衬底10的第一侧10a上也可以缝隙形、蜿蜒形或以叉指型结构设计。这可以是尤其有利的，以便提供容积，至少一种测定材料20如例如离子流体20在强热膨胀(大于衬底10的衬底材料的热膨胀)的情况下可以膨胀/流动到该容积中，而对于系统而言没有失去。

入口16的位于衬底10的第一侧10a上的边缘可以在平行于衬底10的第一侧10a的第一空间方向上具有相同的第一(最大/平均)宽度b并且在平行于衬底10的第一侧10a并垂直于第一空间方向的第二空间方向上具有(未画出的)相同的第二(最大/平均)宽度。然而如下面还将阐述的那样，入口16的边缘也可以在第一空间方向上具有不同的第一(最大/平均)宽度和/或在第二空间方向上具有不同的第二(最大/平均)宽度。借助入口16在第一空间方向上的至少一个第一(最大/平均)宽度b和入口16在第二空间方向上的至少一个第二(最大/平均)宽度b尤其可以改变第一空腔18的背离衬底10的第一侧10a的底部区域的局部间距。

在图1的实施方式中，例如也构造第一电极22和第二电极24用于在化学或电化学探测装置12上量取第一传感器信号。示例性地，第一电极22和第二电极24设置在衬底10的第一侧10a上。在衬底10的第一侧10a上布置至少一个电极22和24的情况下有利的是，相应的电极22或24不仅覆盖衬底10的第一侧10a的部分表面而且也覆盖入口16的侧壁的至少一个部分表面。入口16的侧壁因此可以用于提高电极22和24中的至少一个电极的面积。可选地，衬底10的第一侧10a的部分表面和入口16的侧壁的至少一个部分表面可以以绝缘层/电钝化部涂层，在所述绝缘层/电钝化部上构造有电极22和24中的至少一个。

图1的传感器设备还包括构造在衬底10上和/或在衬底10中的另外的感测装置26，其中，与感测装置26相邻地在衬底10中构造有第二空腔28，穿过衬底10的第一侧10a结构化的连接开口30通到第二空腔中。(第二空腔28可理解为连续的空间)第二空腔28和连接开口30形成应力去耦开口32(或机械去耦结构)，其能够实现保护感测装置26免于外部作用的机械应力。这也可以由以下来说明，应力去耦开口32(由第二空腔28和连接开口30构造)如此引起感测装置26的应力去耦，使得没有/几乎没有机械应力可以作用于感测装置26。(应力去耦开口32也可理解为连续的空间)。

如下文进一步阐述那样，可以应用相同的方法步骤来构造(包括第一空腔18和入口16的)探测开口14以及(包括第二空腔28和连接开口30的)应力去耦开口32。因此，(几乎)在无额外耗费的情况下在衬底10上附加地构造应力去耦开口32也是可能的。因此，为了传感器设备的成本和空间降低，可以在相同的衬底10上和/或相同的衬底10中构造至少装置12和26。尽管其多种多样的可应用性，传感器设备因此可容易地最小化。传感器设备的容易最小化附加地有助于其可用性的提高。

优选地，感测装置26具有位于衬底10的背离第一侧10a的第二侧10b上的敏感面34并且如此构造，使得在敏感面34上的至少一个物理参量的变化引起由感测装置26输出的或在感测装置26上量取的第二传感器信号的变化。敏感面34优选位于第二空腔28的背离连接开口30的一侧上。这不仅改善感测装置26的应力去耦，而且也可以简化感测装置26的制造，如以下还将进一步阐述的那样。

在图1的实施方式中，另外的感测装置26是压力和/或声音探测装置26。常规的压力或声音传感器通常相对于机械应力、尤其相对于来自封装的机械应力灵敏，而该缺点在图1的传感器设备中借助应力去耦开口32的构造消除。应力去耦开口32尤其引起压力和/或声音探测装置26的机械去耦，而不会影响压力和/或声音探测装置26的电连接/使其变得困难。示例性地，压力和/或声音探测装置26具有膜片构件36，该膜片构件如此覆盖构造在衬底10中的第三空腔38，使得膜片构件36借助(作为至少一个物理参量的变化的)在该膜片构件的背离第三空腔38的敏感面34上的压力变化是可凹入或可凸出的。第三空腔38优选位于在膜片构件36与第二空腔28之间。在第三空腔38中可以调节参考压力(或者真空/几乎真空)。膜片构件36的凹入或凸出例如可以借助压阻式电阻或借助容性读取方法来确定。

在图1的例子中，衬底10固定在电路板40(例如asic/专用集成电路；application-specificintegratedcircuit)上。例如，衬底10可以通过至少一个(低共熔的)焊接连接42固定焊接在电路板40上。此外，衬底10部分地以封装材料44模制包封/压力注塑包封。至少一个连接在衬底10和/或电路板40上的引线键合部46也可以以封装材料44模制包封/压力注塑包封。在衬底10上、例如在衬底10的第一侧10a上可以构造模制锚固孔48，封装材料44在衬底10的模制包封/喷溅时至少部分侵入到所述模制锚固孔中。在以封装材料44封装衬底10时可以环绕开口16和30保留衬底10的第一侧10a的区域。

衬底10的连同电路板40的和封装材料44的封装可相对毫无问题地实现，因为基于应力去耦开口32的构造，无需担心来自封装的应力导入(常规方式应力灵敏的)感测装置26中。

此外，传感器设备具有从衬底10的第二侧10b结构化到衬底10中的至少一个连接沟槽49，所述至少一个连接沟槽通到第二空腔28中。优选地，固定在电路板40上的衬底10的第二侧10b朝电路板40定向，其中，通过连接开口30、第二空腔28和至少一个连接沟槽49确保到朝电路板40定向的敏感面34的压力进入通道。这引起敏感面34的附加保护。

图2示出传感器设备的第二实施方式的示意图。

图2的传感器设备与先前描述的实施方式的区别在于，第一电极22构造在第一空腔18的背离衬底10的第一侧10a的底部区域上。例如掺杂区域可以从衬底10的第二侧10b引入到衬底10中。紧接着可以如此深地蚀刻第一空腔18，使得至少部分地暴露用作第一电极22的掺杂区域。

关于图2的传感器设备的另外的特征，参照先前描述的实施方式。

图3示出传感器设备的第三实施方式的示意图。

在图3的实施例中，入口16在衬底10的第一侧10a上的边缘在(平行于衬底10的第一侧10a地)定向的第一空间方向具有不同的第一宽度b1和b2。相应地，入口16的边缘也可以在(平行于衬底10的第一侧10a并且垂直于第一空间方向地)定向的第二空间方向上具有不同的第二宽度。借助第一宽度b2的增大可以(局部地)有针对性地增大第一空腔18的背离衬底10的第一侧10a的底部区域的局部间距。这尤其可以用于暴露位于第一空腔18的(背离衬底10的第一侧10a的)底面上的第一电极22。

关于图3的传感器设备的另外的特征，参照先前描述的实施方式。

图4示出传感器设备的第四实施方式的示意图。

在图4的传感器设备中，第一电极22和第二电极24构造在电路板40上。第一空腔18穿过衬底10的第二侧10b并且穿过构造在衬底10与电路板40之间的焊接连接42如此深地蚀刻，使得部分地暴露电极22和24。

关于图4的传感器设备的另外的特征，参照先前描述的实施方式。

图5示出传感器设备的第五实施方式的示意图。

图5的传感器设备具有构造在衬底10的第二侧10b与电路板40之间的、从衬底10的第二侧10b结构化的并且由焊接连接42包围的附加容积50，所述附加容积连同第一空腔18形成连续的空间。通过这样的附加容积50也可以使构造在电路板40上的电极22和24与至少一种测定材料20、如例如离子流体20接触。

关于图5的传感器设备的另外的特征，参照先前描述的实施方式。

图6示出传感器设备的第六实施方式的示意图。

图6的传感器设备作为上述实施方式的扩展方案还具有通风井52，该通风井与入口16间隔开地穿过衬底10蚀刻并且通到在衬底10的第二侧10b与电路板40之间的附加容积50中。通过通风井52，空气可以在充入至少一种测定材料20/离子流体20时漏出。因此，不必担心在探测开口14中的气泡形成。

为了蚀刻通风井52，可以使用与例如用于构造探测开口14(并且可能还有应力去耦开口32)的蚀刻步骤相同的蚀刻步骤。通风井52的构造因此不涉及工作上的巨大额外耗费。以上描述的另外的传感器设备也可以构造为具有这样的通风井52。

关于图6的传感器设备的另外的特征，参照先前描述的实施方式。

以上描述的所有传感器设备实现化学或电化学探测装置12连同应力去耦的压力和/或声音探测装置26集成到相同的衬底10中。以上描述的所有传感器设备分别是mems(微电子机械系统，micro-electro-mechanicalsystem)，借助该mems不仅压力测量/气体压力测量而且化学测定和/或化学浓度测量是可能的。

对于以上描述的传感器设备的相应的化学或电化学探测装置12，也可以通过选择相互作用的电极22和24的至少一种金属和/或在相互作用的电极22和24中的至少一个电极上形成关于确定的材料/物质选择性的凝胶层来引起用于测定和/或定量地检测确定的材料/物质的更特定的灵敏性。以上描述的传感器设备的相应的化学或电化学探测装置12也可以构造用于通过构造更多对相互作用的电极22和24来测定和/或定量地检测多种材料/物质，其中，不同对的相互作用的电极22和24借助选择其至少一种金属和/或至少一种选择性的凝胶层来不同地详细说明。第三电极也可以用作用于至少一个相互作用的电极对的参考电极。

作为扩展方案，以上描述的所有传感器设备也可以具有多个相应地构造的化学或电化学探测装置12，它们可以基于其相互分离地构造的探测开口14而相互独立地测定和/或定量地检测多种材料/物质。

图7示出用于阐述用于具有至少一个化学或电化学探测装置的传感器设备的制造方法的一种实施方式的流程图。

以上描述的所有传感器设备可以借助此外描述的制造方法来制造。然而应指出，制造方法的可实施性不限于以上描述的传感器设备的制造。

作为方法步骤s1，实施各向异性的第一蚀刻工艺，借助各向异性的第一蚀刻工艺穿过衬底的第一侧至少蚀刻入口(用于化学或电化学探测装置的随后的探测开口)。作为各向异性的第一蚀刻工艺/方法步骤s1，尤其可以实施具有交替的蚀刻步骤s1a和钝化步骤s1b的反应性离子深度蚀刻。

优选地，在这里描述的制造方法的实施中也还在衬底上和/或在衬底中构造至少一个另外的感测装置，其中，借助各向异性的第一蚀刻工艺/方法步骤s1还穿过衬底的第一侧结构化附加的连接开口(用于另外的感测装置的随后的应力去耦开口32)。因此提高各向异性的第一蚀刻工艺/方法步骤s1的利用。

作为方法步骤s2，紧接着实施各向同性的第二蚀刻工艺，借助各向同性的第二蚀刻工艺在入口(通过之前形成的入口)的背离衬底的第一侧的端部上如此蚀刻衬底，使得形成第一空腔，入口通到第一空腔中。作为各向同性的第二蚀刻工艺/方法步骤s2，优选地执行不具有钝化步骤的反应性离子深度蚀刻。优选地，借助各向同性的第二蚀刻工艺/方法步骤s2，也在连接开口(通过之前形成的连接开口)的背离衬底的第一侧的端部上如此蚀刻衬底，使得第二空腔与感测装置相邻地形成在衬底中，连接开口通到所述第二空腔中。第二空腔的构造因此在没有工作上的(巨大的)附加耗费的情况下是可能的。

在另一方法步骤s3——其部分地也可以在方法步骤s1和s2之前实施——中，如此在衬底上和/或在衬底中构造化学或电化学探测装置，使得在包括入口和第一空腔的探测开口中至少一种待探测的材料的存在引起由探测装置输出的或在探测装置上量取的第一传感器信号的变化。

作为可选的方法步骤s0，可以如此构造另外的感测装置连同位于衬底的背离第一侧的第二侧上的敏感面，使得在敏感面上的至少一个物理参量的变化引起由感测装置输出的或者在感测装置上量取的第二传感器信号的变化。尽管在(包括连接开口和第二空腔的)应力去耦开口32与感测装置之间的附近，因此不必担心在方法步骤s1和s2期间感测装置的损坏，尤其感测装置的敏感面的损坏，方法步骤s1和s2从衬底的第一侧实施。方法步骤s0可以因此无问题地在方法步骤s1和s2之前和/或之后实施。另外的感测装置例如构造为压力和/或声音探测装置，其具有构造在衬底中的第三空腔和覆盖第三空腔的膜片构件，该膜片构件如此构造，使得膜片构件在(作为至少一个物理参量的变化的)在膜片构件的背离第三空腔的敏感面上的压力变化时凹入或凸出。在此，也可以从衬底的第二侧将连接沟槽结构化到衬底中，连接沟槽(随后)通到第二空腔中。

作为另一可选的方法步骤s4，衬底可以固定在电路板上。在此，尤其衬底的第二侧可以朝电路板定向，其中，通过连接开口、第二空腔和连接沟槽保持确保到朝电路板定向的敏感面的压力进入通道。方法步骤s4也可以在方法步骤s1和s2之前和/或之后实施。

可选地，紧接着，作为方法步骤s5，可以部分地以封装材料模制包封/压力注塑包封衬底。