低漂移化學傳感器陣列的方法和裝置制造方法及圖紙

低漂移化學傳感器陣列的方法和裝置。一種片上的低基線漂移的ＳＡＷ／ＬＡＷ化學傳感器陣列及其形成方法。雙ＳＡＷ延遲線包括：用來產生聲波的公共ＩＤＴ，以及用來接收聲波的一對ＩＤＴ。一個感測層或者一個參考層可以沉積在公共ＩＤＴ的每一側上的位置中。一ＡＳＩＣ芯片包括片上的雙操作放大器和混合器，以利用由感測層和參考層給出的差獲得差別測量。可利用三維３Ｄ技術來將傳感器陣列和ＡＳＩＣ連接在相同的封裝中并由此形成３Ｄ堆棧。化學傳感器陣列和ＡＳＩＣ可以配置在不同的封裝中，并利用２Ｄ技術互連在相同的襯底上。多種氣體可以被獨立地探測，每種氣體可關于與其相關聯的感測層和特定參考層而被有差別地探測。

【技術實現步驟摘要】

實施例主要涉及傳感器方法和系統。該實施例還涉及SAW (表面聲波)和LAW (拉 福聲波，love acoustic wave)化學傳感器設備。該實施例另外還涉及用于制造SAW化學 傳感器陣列的方法。
技術介紹
化學傳感器可用于將化學信號(例如，濃度，活性，分壓等等)轉換成可測量的電 信號。在傳統的商用固態化學傳感器中，最廣為人知的是催化燃燒型傳感器(pellistor) 和化學電阻(chemoresistor)。這些固態化學傳感器都是電阻型的傳感器，并且通常需要加 熱到高溫才能示出氣體敏感性。催化燃燒型傳感器可用于探測還原性氣體，例如，CH4。典 型的催化燃燒型傳感器包括鉑電阻部件，在該鉑電阻部件上覆蓋著其中含有貴金屬原子的 多孔陶瓷材料，其中的貴金屬原子用于在催化燃燒型傳感器表面催化氣體的氧化反應。在 存在CH4的情況下，由于放熱的氣體分解，加熱的催化燃燒型傳感器進一步地升高其溫度。 這樣的方法造成溫度升高，反過來可以清楚地表示為鉑電阻的增大。 化學電阻型傳感器通常包括金屬氧化物(例如，Sn02)，通過其電阻的增加來探測 氧化劑氣體(例如，N0》，通過其電阻的減小來探測還原性氣體(例如，C0)。這些傳統的固 態傳感器耗費高的電能，并且相對于周圍配置中的其它氣體呈現出交叉敏感性。因此，人們 認為利用較少的電能來用于有效氣體探測的SAW/LAW化學傳感器，可用作這樣的現有技術 固態化學傳感器的替代。注意"LAW"通常指代"拉福聲波"或者"拉福模式聲波"。 具有功能感測層的SAW/LAW化學傳感器可以用來在室溫條件下對氣體進行選擇 性探測。SAW/LAW化學傳感器依靠叉指(IDT)換能器來產生和探測從設備的一端傳播到另 一端的聲波。當氣體被吸附在感測層時，聲波的傳播速率會發生改變，并且由于感測層的質 量增加，膜的黏彈性質也會發生改變。與具有功能感測層的該現有技術SAW/LAW化學傳感 器相關的一個問題是由于感測材料的老化以及濕度和其它的外界動因/狀況引起的膜的 物理_化學變化，在其操作期間缺乏對基線漂移的控制。 圖1是現有技術中的基于LAW型的化學傳感器100的透視圖，其中包括使用引導 層120用于聲波的傳播。在如圖1所示的現有技術中的基于LAW型的化學傳感器100中， 引導層120置于壓電襯底130上，并且在叉指換能器(IDT) 140和150上，這兩個換能器通 過壓電效應用來產生和探測聲波。輸入IDT 140和輸出IDT 150置于壓電襯底130上，并 且被用于聲波傳導的引導層120覆蓋，該引導層被用于聲波傳播。現有技術中的LAW化學 傳感器100還包括可暴露于氣體(例如含有待測的化學物質的空氣)中的感測層110。然 后，可以分析來自傳感器IOO產生的信號以識別化學物質。 圖2是現有技術的SAW化學傳感器200的透視圖。現有技術的SAW化學傳感器 200包括輸入叉指換能器210和輸出叉指換能器220， 二者置于壓電襯底240上，并通過壓 電效應來產生和探測表面聲波。感測層230可用來感測吸附在其表面的輸入氣體。輸入 IDT 210上產生的聲波，將在感測層230的下面傳播，其相速度會因為感測層上吸附的氣體而發生改變，因此在輸出IDT 220中產生的電信號將攜帶關于SAW化學/氣體傳感器要探 測的氣體的信息。 圖3示出了現有技術的SAW/LAW化學傳感器200的示意圖。現有技術的化學傳感 器200包括感測層230，其位于輸入IDT 210和輸出IDT 220之間。SAW化學傳感器200的 振蕩型感測電路310通常包括在其產生頻率F1的正反饋回路內具有SAW延遲線(line)的 RF放大器A1。上述感測SAW/LAW延遲線包括輸入IDT 210，感測層230和輸出IDT 220。化 學傳感器200還包括參考振蕩器電路350，該參考振蕩器電路350利用在其以頻率F2振蕩 的正反饋回路內與參考SAW/LAW延遲線關聯的RF放大器A2。上述參考SAW/LAW延遲線一 般由輸入IDT 320和輸出IDT 330配置。 混合器360可用于執行在頻率Fl和F2之間的頻率減法。現有技術的SAW/LAW 化學傳感器200另外包括接地平面340的使用，該接地平面340可以用于使整個感測裝置 200接地。頻率F1-F2中的差攜帶關于要被探測的氣體的信息；然而，現有技術中的差別 (differential)方法不能完全消除濕度和溫度的影響。這是因為由IDT 320、 IDT 330和 正反饋放大器A2組成的參考振蕩器電路350相對于包括IDT 210、感測層230、IDT 220和 正反饋放大器Al的感測振蕩器電路310缺乏對稱性。 基于上述內容，相信存在對如下面將更詳細描述的改進的與參考層相關聯的片上 低基線漂移SAW/LAW化學傳感器陣列的需要。
技術實現思路
提供下述內容來便于理解所公開的實施例所獨有的一些創新的特征，但不打算成為全面的描述。對實施例的各個方面的全面認識可通過將整個說明書、權利要求書、附圖以 及摘要作為一個整體來獲得。 因此，本專利技術的一個方面是提供一種改進的SAW/LAW化學傳感器裝置。 本專利技術的另一個方面是提供一種改進的片上低基線漂移SAW/LAW化學傳感器陣列。 本專利技術的又一個方面是提供一種制造SAW/LAW化學傳感器陣列的方法。 下面將對上述的各方面以及其它的目標和優點進行描述。公開了一種片上低基線 漂移SAW/LAW化學傳感器陣列以及形成這種陣列的方法。雙SAW/LAW延遲線包括用于產生 聲波的公共IDT和用于接收聲波的一對IDT。在公共IDT的每一側上的位置中可以沉積一 個或者多個感測層和參考層。ASIC芯片包括片上雙操作放大器和混合器以利用由感測層和 參考層給出的差得到差別測量結果。可以利用3D技術將傳感器陣列和ASIC連接到同一個 封裝中，并因此形成(3D)堆棧。化學傳感器陣列和ASIC可以利用2D被配置在不同的封裝 中并且被互連在同一襯底上。多種氣體可以獨立地被探測，可以關于與其相關聯的感測層 和特定參考層來有差別地(differentially)探測每種氣體。 也可以利用2D技術將傳感器陣列和ASIC提供在不同的封裝中并且互連在同一襯 底上。ASIC芯片還可以用于讀取來自SAW傳感器陣列的輸出。對于這樣的2D技術方法，襯 底可以包括PCB和片上SAW/LAW傳感器陣列以及ASIC，其中可以利用倒裝芯片技術(即如 果ASIC和石英傳感器是未封裝的)，或者表面安裝技術(即如果石英傳感器和ASIC是封裝 的)來將所述傳感器陣列和ASIC安裝在PCB上。 為了實現利用3D技術的感測裝置，可以利用激光鉆孔對石英晶片或者硅晶片進 行鉆孔，并填充金屬以分別形成導電的通過石英的通孔(through-the-quartz-vias， TQV) 和/或通過硅的通孔(through-the-silicon-vias，TSV)。 TQV和TSV部件可進一步用來提 供到SAW傳感器陣列和ASIC的電連接。SAW/LAW傳感器陣列的參考層可用來填充參考振蕩 器電路中的輸入IDT和輸出IDT之間的間隙。公共IDT可用來為兩個延遲線產生聲波，其 中一個延遲線可以被配置成包含感測層，而另一個延遲線可以被本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種低漂移的化學傳感器陣列裝置，包括：包含有多個叉指換能器的多個ＳＡＷ／ＬＡＷ延遲線，其包括至少用于產生聲波的公共叉指換能器和一對用于接收所述聲波的叉指換能器，其中所述多個ＳＡＷ／ＬＡＷ延遲線中的每個延遲線包括在所述公共叉指換能器的每一側上的一個感測層或者一個參考層；以及包括多個操作放大器的ＡＳＩＣ部件，其中在所述多個操作放大器中每個操作放大器包括正反饋回路，在所述正反饋回路中包含所述多個ＳＡＷ／ＬＡＷ延遲線中的一個ＳＡＷ／ＬＡＷ延遲線，并且所述ＡＳＩＣ部件還包括多個混合器，對于要從與所述低漂移的化學傳感器陣列裝置分別或同時接觸的多種氣體中探測出的每種氣體，所述多個混合器中的每個混合器用來利用通過來自所述多個操作放大器中的兩個操作放大器的頻率相減的頻率差來獲得氣體差別測量。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：C科比亞努，I喬治斯庫，
申請(專利權)人：霍尼韋爾國際公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]