电化学传感器装置制造方法
【专利摘要】公开了一种电化学传感器装置，包括：集成电化学传感器元件，具有衬底、在衬底的上表面上形成的第一电极和第二电极以及在第一电极和第二电极上形成以与第一电极和第二电极两者电接触的电解质层；以及传感器集成电路，与集成电化学传感器元件的第一电极和第二电极电连接。将集成电化学传感器元件和传感器集成电路设置在单一封装中。
【专利说明】电化学传感器装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及在检测气体介质中成分时使用的电化学传感器装置。
【背景技术】
[0002]电化学传感器是现有技术中公知的用于供检测气体介质中成分使用。传感器通常包括两个电极，工作电极和对电极。作为传感器与气体介质接触的结果，例如通过在电极两端施加已知值和形式的电压来确定电极之间的电学阻抗变化。在许多情况下，电极涂覆有将电极桥接的电解质或半导体材料，所述电解质或半导体材料的视在电导率作为与气体介质接触的结果而变化。
[0003]电化学气体传感器用在多种应用中，例如安全(有毒气体浓度的检测)或环境监测。
[0004]然而，传统的电化学传感器典型地尺寸较大并且昂贵。这主要是由于需要通过印刷电路板(PCB)相连的分离的电化学电池和读出电子装置。另外，为了实现足够的传感器精度，电化学传感器元件应该足够大，以产生足够的电流以供(典型地，远距离的)读出电子装置测量。这也对于传统电化学传感器的尺寸做出了贡献。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一个方面，提出了根据权利要求1所述的电化学传感器装置。
[0006]实施例还可以包括滤波器以增加电化学传感器元件的选择性。
[0007]可以在电解质层下方衬底的上表面上形成参考电极。
[0008]电解质层的厚度可以是10 μ m或以下，第一和第二电极与电解质层电接触的面积可以在0.0lmm2至Ilmm2的范围内。
[0009]实施例可以提供一种封装的电化学传感器装置，所述封装的电化学传感器装置包括在单一管芯上形成的集成电化学传感器元件和传感器集成电路。在其他实施例中，集成电化学传感器元件和传感器集成电路可以形成于分离的管芯上，但是设置在单一封装中(例如，封装在相同的分立部件中)。
[0010]因此，实施例可以提供一种封装的气体传感器装置，所述封装的气体传感器装置包括集成在单一封装中的电化学传感器元件和电学读出电路。将传感器元件和读出电子装置共同集成在相同的分立封装中可以使能显著地减小总体系统尺寸和降低成本。
[0011]电化学传感器和电学读出电路还可以集成在传统CMOS芯片或管芯的顶部上。
[0012]换句话说，实施例可以提供单一分离封装中电化学传感器元件与读出电子装置的集成。可以使用两个分离的管芯(一个用于电化学传感器元件，另一个用于读出集成电路(IC))并且通过接合线电连接分离的管芯来实现这一点。备选地，可以将电化学传感器元件与读出IC制造在相同的管芯上，以在使用CMOS工艺的同时提供甚至更小的外形因子。这里，在进行传统处理之后所需的仅仅是附加的处理步骤，从而避免了对于现有工艺的改变。
[0013]适用于感测诸如温度、相对湿度、环境光等参数的附加传感器元件也可以包括在相同的封装中。这种另外的传感器可以用于提供附加的环境信息，并且也可以用于对电化学传感器元件的改变的灵敏度(例如，由于温度或相对湿度)进行校正，从而改进了根据实施例的电化学传感器的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中:
[0015]图1说明了针对一氧化碳感测中包含的电化学活性气体在电化学传感器元件内的初始平衡(initial equilibrium)情况；
[0016]图2A-2C说明了针对外部施加电势差的各种值的各种浓度分布；
[0017]图3说明了针对在一氧化碳感测中包含的电化学活性气体在电化学传感器内的全电流情况；
[0018]图4说明了根据本发明实施例的电化学传感器装置；
[0019]图5A-5C示出了制造图4的装置的步骤；
[0020]图6A-6B示出了图4的实施例的修改；
[0021]图7A-7E说明了根据备选实施例的制造装置的步骤；
[0022]图8A-8D说明了根据实施例的制造用于装置的集成电化学传感器元件的方法；以及
[0023]图9A-9D说明了根据备选实施例的制造用于装置的集成电化学传感器元件的方法。
【具体实施方式】
[0024]在本领域，术语芯片、集成电路、单片器件、半导体器件和微电子器件通常可互换的使用。如在本领域通常理解的，本方面可应用于所有上述情况。
[0025]术语金属线、互连线、迹线、导线、导体、信号路径和信令介质都是相关的。以上列举的相关术语通常是可互换的，并且按照从具体到概括的顺序出现。在本领域，金属线有时称作迹线、导线、线路、互连或简单地金属。通常为铝(Al)、铜(Cu)或Al和Cu合金的金属线是导体，所述导体提供信号路径以耦合或互连电路。除了金属之外的导体在微电子器件中是可用的。诸如掺杂多晶硅、掺杂单晶硅(通常简单地称作扩散，而与这种掺杂是通过热扩散还是离子注入来实现的无关)、钛(TI)、钥(MO)和难熔金属之类的材料是其他导体的示例。
[0026]术语接触或通孔都指的是用于以不同互连等级将导体电连接的结构。这些术语有时在现有技术中用于描述绝缘体中的开口和完成的结构本身，其中在所述绝缘体中完成所述结构。为了本公开的目的，接触和通孔指的是完成的结构。
[0027]如这里使用的术语垂直意味着与衬底表面实质上正交。同样，将结合附图中说明的结构的朝向来理解描述定位或位置的术语(例如上方，下方，顶部，底部等等)。
[0028]提出了一种集成电化学传感器元件，所述集成电化学传感器元件可以使用IC处理技术来制造，从而与传统电化学传感器相比使能显著减小尺寸。
[0029]为了评估电化学元件(或电池)的可能缩放，现在将分析电流和空气中气体浓度之间的关系。实质上，测量的电流是三种过程的组合。在以下部分中包括简短的分析，得到了针对给定的电极表面积、气体浓度和电解质厚度来估计最大可获得电流的公式。
[0030]针对在一氧化碳(CO)感测中包含的电化学活性气体，在图1中说明了电化学传感器元件内的初始平衡情况。更具体地，电解质中CO和O2气体分子的浓度与气体分压(partial pressure)平衡。在感兴趣的压力范围内，这种平衡浓度与气体浓度直接成正比。在以下等式(等式I)中通过亨利定律(Henry’ s law)(这里,针对CO示出)来描述这种情况:
[0031]pCO = kHxC0 (I),
[0032]其中，pco是CO分压，kH是亨利常数，并且Χα)是溶液中CO的摩尔分数。可以使用以下等式(等式2)将摩尔分数容易地重新计算为CO的浓度:
【权利要求】
1.一种电化学传感器装置，包括: 集成电化学传感器兀件，具有衬底、在衬底的上表面上形成的第一电极和第二电极以及在第一电极和第二电极上形成以与第一电极和第二电极两者电接触的电解质层；以及传感器集成电路，与集成电化学传感器元件的第一电极和第二电极电连接， 其中将集成电化学传感器元件和传感器集成电路设置在单一封装中。
2.根据权利要求1所述的电化学传感器装置，其中，所述集成电化学传感器元件还包括:在电解质层上形成的过滤器层，所述过滤器层适用于阻挡气体介质的一种或多种成分。
3.根据权利要求1或2所述的电化学传感器装置，其中，所述集成电化学传感器元件还包括:在电解质层下方衬底的上表面上形成的参考电极，电解质层与参考电极电接触， 其中参考电极与集成电路电连接。
4.根据任一前述权利要求所述的电化学传感器装置，其中， 电解质层的厚度是10 μ m或以下；并且 第一电极和第二电极与电解质层电接触的面积是Ilmm2或以下。
5.根据任一前述权利要求所述的电化学传感器装置，还包括:二次成型模，所述二次成型模具有定位于集成电化学传感器元件上方的腔体， 其中电解质层形成于所述腔体中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学传感器装置，其中， 衬底的上表面包括腔体，在所述腔体内形成第一电极和第二电极；并且 在所述腔体中形成电解质层以填充所述腔体并且覆盖第一电极和第二电极。
7.根据任一前述权利要求所述的电化学传感器装置，其中，集成电化学传感器元件和传感器集成电路形成于单一管芯上。
8.根据权利要求7所述的电化学传感器装置，其中，传感器集成电路经由一个或多个通孔与集成电化学传感器元件的第一电极和第二电极电连接。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的电化学传感器装置，其中， 集成电化学传感器元件和传感器集成电路形成于分离的管芯上；并且 传感器集成电路经由一个或多个接合线与集成电化学传感器元件的第一电极和第二电极电连接。
10.根据任一前述权利要求所述的电化学传感器装置，还包括:适用于确定温度的附加感测元件。
11.一种制造封装的电化学传感器装置的方法，包括步骤: 形成集成电化学传感器元件，所述集成电化学传感器元件具有在衬底的上表面上的第一电极和第二电极以及与所述第一电极和第二电极两者电接触的电解质层； 将所述第一电极和第二电极与传感器集成电路电连接；以及 将传感器集成电路和集成电化学传感器元件放置于单一封装中。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤:在电解质层上方形成过滤器层，所述过滤器层适用于阻挡气体介质的一种或多种分量。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括: 在电解质层下方衬底的上表面上形成参考电极，电解质层与参考电极电接触；以及 将参考电极与传感器集成电路电连接。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，包括:将集成电化学传感器元件和传感器集成电路形成于单一管芯上。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，包括将集成电化学传感器元件和传感器集成电路形成于分离的管芯上；并且 其中将传感器集成电路与 集成电化学传感器元件的第一电极和第二电极电连接包括:经由一个或多个接合线将传感器集成电路与集成电化学传感器元件的第一电极和第二电极电连接。
【文档编号】G01N27/26GK103940862SQ201410027770
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2013年1月23日
【发明者】马蒂亚斯·梅兹, 迪米特里·索科尔 申请人:Nxp股份有限公司