PH傳感器及制造方法技術(shù)

公開了一種pH傳感器，包括：載體(10)，所述載體包括多個導(dǎo)電跡線和外露的導(dǎo)電區(qū)域(40)，所述外漏的導(dǎo)電區(qū)域定義了與所述導(dǎo)電跡線之一相連的參考電極；感測裝置(30)，安裝在所述載體上并且與其他導(dǎo)電跡線中的至少一個相連；覆蓋所述載體的封裝(20)，所述封裝包括使所述感測裝置的表面(32)外露的第一腔體(22)以及使所述外露的導(dǎo)電區(qū)域外露的第二腔體(24)，所述第二腔體包括參考電極材料(42)和與所述參考電極材料共享至少一種離子類型的離子儲存材料(44)，所述參考電極材料夾在所述外露的導(dǎo)電區(qū)域與所述離子儲存材料之間。還公開了一種制造這種pH傳感器的方法。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種pH傳感器，所述pH傳感器包括感測裝置和參考電極。本專利技術(shù)還涉及一種制造這種PH傳感器的方法。
技術(shù)介紹
·在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，出于各種原因?qū)θ芤夯蛘呶镔|(zhì)的pH測量是重要的。在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域中，患者血液的PH測量可以對患者的醫(yī)療狀況給出寶貴的見解，因為偏離預(yù)期值的PH值可以指示患者正在遭受某些醫(yī)療狀態(tài)。在這種應(yīng)用領(lǐng)域中的pH傳感器通常是昂貴的，因為它們必須遵守健康和安全法規(guī)，特別是當(dāng)所述血液樣本返回患者時，也必須是高度精確的。在食品工業(yè)中，通常使用例如乳制品和肉類之類的食品的pH測量，因為所述pH指示所述食品的狀態(tài)。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，因為大量的食物或者因為食物存儲期的持續(xù)時間，需要進(jìn)行高容量測量。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，可能需要大量的(一次性)傳感器，因此需要所述傳感器便宜。如迄今為止已知的，關(guān)于pH傳感器穩(wěn)定性的主要問題之一是所述參考電極電勢可能隨時間推移是不穩(wěn)定的，例如因為為了維持所述參考電極電勢的緩沖溶液中的離子濃度泄露。例如可以采用這種緩沖溶液來保護(hù)所述參考電極免受待分析介質(zhì)中相同離子的濃度變化。例如，常用的參考電極是氯化銀電極，其中所述參考電勢E由能斯脫(Nernst)方程定義Lffl·: 二: Z-;'1 — In ( (_ 一 /■在這個方程中，E°是標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，R是理想氣體常數(shù)，T是溫度，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，以及aa_是氯離子的活度或者有效濃度。將立即認(rèn)識到，有效氯離子濃度的變化對所述參考電極電勢E具有直接的影響。許多氯化銀參考電極包括含有Cl—離子的溶液，需要周期性地補充所述溶液以便維持穩(wěn)定的參考電勢。這種方法可能不適用于由沒有經(jīng)過訓(xùn)練補充所述參考電極或者執(zhí)行重新校準(zhǔn)的人員來操作所述傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，對于特定的工藝應(yīng)用，例如在運輸期間監(jiān)測食物質(zhì)量，重新校準(zhǔn)和回填(refilling)可能太昂貴或者根本不能執(zhí)行。包括參考電極在內(nèi)的微型pH傳感器是迄今為止已知的。例如，已經(jīng)公開了集成電路，其中包括PH傳感器和參考傳感器的多個傳感器已經(jīng)被集成在單個芯片上。然而，這種IC的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，使得這種裝置的成本對于諸如食品工業(yè)的低端應(yīng)用領(lǐng)域是望而生畏(prohibitive)的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)試圖提供一種帶有提高使用壽命的集成參考電極的低成本PH傳感器。本專利技術(shù)還試圖提供一種制造這種pH傳感器的方法。根據(jù)本專利技術(shù)的一個方面，提供了一種pH傳感器，包括載體，所述載體包括多個導(dǎo)電跡線和外露的導(dǎo)電區(qū)域，所述外露區(qū)域定義了與所述導(dǎo)電跡線之一相連的參考電極；感測裝置，安裝在所述載體上并且與其他導(dǎo)電跡線中的至少一個相連；覆蓋所述載體的封裝，所述封裝包括使所述感測裝置的表面外露的第一腔體以及使所述外露的導(dǎo)電區(qū)域外露的第二腔體，所述第二腔體包括參考電極材料和與所述參考電極材料共享至少一種離子類型的離子儲存層(ion reservoir)材料,所述參考電極材料夾在所述外露的導(dǎo)電區(qū)域與所述離子儲存材料之間。由于不需要增加所述感測裝置的占地面積，可以以低成本的方式制造這種pH傳感器，因為所述參考電極是合并在封裝而不是所述感測裝置中，同時所述參考電極同時提供穩(wěn)定的參考電極電勢，因為所述離子儲存材料，例如包含了氯化物鹽溶液諸如氯化銀、氯化鉀或者氯化鈉溶液的凝膠，為所述參考電極材料提供了氯離子儲存層，所述參考電極材料定義了所述參考電極例如Ag/AgCl膏(paste)的參考電勢，從而保證了氯離子活度aa_為所述參考電極保持恒定，所述參考電極由參考電極材料和諸如鍵合焊盤(bond pad)、接觸焊盤(contact pad)、平臺(landing)或者安裝焊盤(mounting pad)等外露的導(dǎo)電區(qū)域組成。當(dāng)然也可以使用其他合適的參考電解液。有利地，所述pH傳感器還包括一個不可透過層，所述不可透過層對在所述第二腔體上的離子儲存材料中的離子類型是不可透過的。這樣保證了在所述參考電極中的氯離子濃度在較長的時間段上維持恒定，從而延長了所述PH傳感器的使用壽命。在替代實施例中，所述封裝還包括流體通道(fluid channel),所述流體通道從所述封裝的邊緣橫向延伸至所述第二腔體，以便保持所述參考電極與所述樣品接觸。選擇所述流體通道的尺寸，例如直徑，使得來自所述離子儲存材料即所述參考電解液的離子不能(容易地)通過所述流體通道逃離所述第二腔體，從而避免了氯離子從所述離子儲存材料大量的向外擴(kuò)散。例如可以通過保證所述離子儲存材料具有足夠大的粘度來防止其進(jìn)入所述流體通道和/或通過確定所述流體通道的尺寸使得在所述離子儲存材料與外部介質(zhì)之間的接觸面積被減小到相關(guān)離子(例如氯離子)的向外擴(kuò)散被限制到很小數(shù)量的程度來實現(xiàn)。在另一個實施例中，所述封裝還包括另一個流體通道，所述另一個流體通道從所述邊緣橫向延伸至所述第一腔體。這樣在所述感測裝置與所述參考電極之間建立了液體連接，防止由于維持在所述參考電極與感測裝置的表面或者電極之間永久液體/流體連接造成的所述PH傳感器的的浮置，因此例如防止在所述pH傳感器插入到含有感興趣分析物的物質(zhì)中出現(xiàn)電壓尖峰(voltage spike)。在實施例中，所述pH傳感器還包括第一接觸焊盤，經(jīng)由另一個導(dǎo)電跡線與所述感測裝置相連；以及第二接觸焊盤，經(jīng)由所述導(dǎo)電跡線與外露的導(dǎo)電區(qū)域相連。這樣允許所述感測信號在傳感器之外的(off-sensor)處理。替代地，所述感測裝置包括收發(fā)器，所述pH傳感器還包括在所述載體上的天線，所述天線與其他所述導(dǎo)電跡線中的至少一個相連。這樣允許所述感測信號的片上(on-chip)處理，例如如果所述外露的導(dǎo)電區(qū)域焊盤經(jīng)由所述第二導(dǎo)電跡線與所述感測裝置相連。所述感測裝置可以適用于將所述感測信號處理的結(jié)果發(fā)送至遠(yuǎn)程接收器，例如經(jīng)由射頻通信協(xié)議，例如所述感測裝置是包括包括對PH敏感的表面的集成電路(IC)，例如其柵極外露于所述第一腔體的離子敏感場效應(yīng)晶體管。在實施例中，所述載體是印刷電路板。其優(yōu)勢在于所述第一和第二導(dǎo)電跡線可以集成在所述印刷電路板中。所述pH傳感器還可以包括銳利的尖端(sharp tip)，便于將所述pH傳感器插入到諸如肉制品之類的物質(zhì)中。如果這種銳利的尖端與所述第一流體通道的出現(xiàn)組合，那么相對于橫軸移動所述第一流體通道通過所述銳利的尖端是優(yōu)選的，從而減小了穿透時所述流體通道被所述物質(zhì)堵塞的風(fēng)險。根據(jù)本專利技術(shù)的另一個方面，提供了一種制造這種pH傳感器的方法，所述方法包括提供一個載體，在其表面上有多個導(dǎo)電跡線，與導(dǎo)電跡線之一相連的外露的導(dǎo)電區(qū)域以及另一個外露的導(dǎo)電區(qū)域，將集成電路管芯(die)固定至所述另一個外露的導(dǎo)電區(qū)域，所述集成電路管芯包括外露的對PH敏感的表面；將所得到的結(jié)構(gòu)封裝在保護(hù)性樹脂中；在所述保護(hù)性樹脂中形成第一腔體和第二腔體，所述第一腔體使所述對PH敏感的表面外露以及所述第二腔體使所述外露的導(dǎo)電區(qū)域外露；在所述外露的導(dǎo)電區(qū)域上沉積參考電極材料；以及在所述參考電極材料上沉積離子儲存材料，所述離子儲存材料與所述參考電極材料共享至少一種離子類型。這種方法的優(yōu)勢在于，以直接因而低成本的方式在所述pH傳感器的封裝工藝中提供參考電極。優(yōu)選地，同時執(zhí)行所述封裝步驟和所述腔體形成步驟。這樣提供了一種制造本專利技術(shù)所述PH傳感器的非常低成本的方法，因為所述封裝工藝不要求附本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種pH傳感器，包括：載體(10)，所述載體包括多個導(dǎo)電跡線和外露的導(dǎo)電區(qū)域(40)，所述外漏的導(dǎo)電區(qū)域定義了與所述導(dǎo)電跡線之一相連的參考電極；感測裝置(30)，安裝在所述載體上并且與其他導(dǎo)電跡線中的至少一個相連；覆蓋所述載體的封裝(20)，所述封裝包括使所述感測裝置的表面(32)外露的第一腔體(22)以及使所述外露的導(dǎo)電區(qū)域外露的第二腔體(24)，所述第二腔體包括參考電極材料(42)和與所述參考電極材料共享至少一種離子類型的離子儲存材料(44)，所述參考電極材料夾在所述外露的導(dǎo)電區(qū)域與所述離子儲存材料之間。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬蒂亞斯·梅茲，科恩·塔克，羅曼諾·胡夫曼，
申請(專利權(quán))人：NXP股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：