用于感測流體性質(zhì)的方法和設(shè)備技術(shù)

一種用于感測流體性質(zhì)的器件，包括：第一襯底，其上形成有傳感器和無線發(fā)射器，所述傳感器配置為在使用中與流體接觸以便感測所述流體的性質(zhì)，所述無線發(fā)射器用于經(jīng)由無線數(shù)據(jù)鏈路來發(fā)送數(shù)據(jù)；以及第二襯底，其上形成有無線接收器，所述無線接收器用于接收由所述無線發(fā)射器經(jīng)由所述無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)。所述第一襯底被安裝到所述第二襯底上或被安裝在所述第二襯底內(nèi)。附加地或替代地，所述器件包括限定了用于接收待感測流體的一個或多個微流控結(jié)構(gòu)的第一襯底以及包括或附接了多種液控傳感器的第二襯底，傳感器的數(shù)量大于微流控結(jié)構(gòu)的數(shù)量。第二襯底與第一襯底接觸，以使得至少一個傳感器與所述一個微流控結(jié)構(gòu)或所述多個微流控結(jié)構(gòu)的每一個對準(zhǔn)，從而為所述一個微流控結(jié)構(gòu)或所述多個微流控結(jié)構(gòu)的每一個提供有效的傳感器，并且使得一個或多個傳感器不與任何微流控結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)從而使一個或多個傳感器是冗余的。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及用于感測流體性質(zhì)的方法和設(shè)備。具體地，本專利技術(shù)提供了在微流控(microfluidic)環(huán)境下各傳感器的協(xié)作。
技術(shù)介紹
在單芯片上集成了一個或若干功能的器件具有許多應(yīng)用，比如監(jiān)測流體的性質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)。被稱為片上實(shí)驗(yàn)室器件(lab-on-chip device)的這類器件通常以極小的規(guī)模來結(jié)合多個半導(dǎo)體傳感器和微流控通道。然而，存在對不同技術(shù)特別是CM0S/MEMS和微流控技術(shù)進(jìn)行低成本集成的需要。尤其是由半導(dǎo)體工業(yè)驅(qū)使的規(guī)模經(jīng)濟(jì)更偏向基于不改變工業(yè)化生產(chǎn)過程的解決方案。由不同元件的各種各樣的物理尺寸范圍所造成的制約使得晶圓級集成對于低成本大批量生產(chǎn)而言代價(jià)高昂。例如，通常的片上實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用可能需要面積在I至IOmm2范圍內(nèi)的CMOS元件、面積在25至IOOmm2范圍內(nèi)的MEMS元件以及面積在200至2500mm2范圍內(nèi)的微流控元件。因此，對于CM0S/MEMS技術(shù)而言，以晶圓級集成這些元件將會是巨大浪費(fèi)，因?yàn)楣驳钠蠈?shí)驗(yàn)室面積是由將流體和外部系統(tǒng)銜接到該器件所需的面積來決定的。附圖中的圖1示出了具有使用可光學(xué)圖案化的環(huán)氧樹脂2進(jìn)行封裝的接合線10和晶片4的混合CMOS/微流控復(fù)合器件的截面圖。通過將襯底I固定到載體襯底8來形成微流控腔室11。在對纖細(xì)的接合線進(jìn)行線接合并此后需要將它們封裝的過程中發(fā)生了問題。晶片級封裝芯片通常需要將感光材料(比如某些環(huán)氧樹脂和SU-8)沉積到被線接合到晶片(見附圖中的圖1)的復(fù)合組件(比如封裝件或襯底)上并進(jìn)行處理。常見的挑戰(zhàn)是避免除了由旋涂過程中的離心力之外還由流體粘性引起的機(jī)械應(yīng)力造成對精細(xì)的接合線的損壞。一種替代方式是通過犧牲材料(例如SU-8)來限定未暴露的(即化學(xué)靈敏的)區(qū)域，或者通過精確地定義一個框并隨后使用可UV固化的環(huán)氧樹脂來灌封框與封裝件之間的區(qū)間。該技術(shù)往往被稱為“壩填充”封裝。商用化學(xué)傳感器使用更復(fù)雜的工藝流程，其基于上述各技術(shù)與預(yù)制外殼的結(jié)合，以確保除了長期的穩(wěn)定性之外還有穩(wěn)健的隔離性。然而，這些都是非常費(fèi)力的，并因此對于大批量生產(chǎn)而言非常昂貴。上述這些技術(shù)無論哪一種都具有以下兩個根本性的局限:(i)在焊盤區(qū)域內(nèi)部形成了不期望的井(通常200至300 μ m的深度)，以及(ii)由于這種相對較厚的封裝構(gòu)造，其頂表面不十分平整。這導(dǎo)致了在其上方覆蓋微流控通道時的密封、粘合和對準(zhǔn)方面的問題，其往往需要中間的平坦化步驟。已經(jīng)提出了若干技術(shù)型的封裝解決方案。然而，這些方案通常需要在晶圓級(即切成晶片之前)對CMOS器件進(jìn)行預(yù)處理。倒裝芯片封裝方法可以提供穩(wěn)健封裝的平整的頂表面，然而芯片表面上方的“寄生井”的問題仍未克服。MIT/林肯實(shí)驗(yàn)室的基于多個絕緣體上硅(SOI)CMOS疊層的實(shí)驗(yàn)性3D CMOS工藝允許通過疊層的通孔，并且，由于硅位于絕緣襯底上，因此可以將焊盤置于襯底的下側(cè)，而保持頂層平整以用于化學(xué)感測的目的。這也許對未來新興技術(shù)提供了最具前景的解決方案(預(yù)計(jì)外形可達(dá)到摩爾定律的極限——從22nm縮小到IOnm時)。這由致力于解決3D CMOS的全部問題的IBM公司在其王牌期刊“IBM Journalof Research&Development”中得到了證實(shí)。然而,該技術(shù)多年來一直未能應(yīng)用于商業(yè),而且即便將其應(yīng)用于商業(yè)時，預(yù)計(jì)仍會保持相對昂貴(與塊狀CMOS相比)，因而仍將局限于小眾應(yīng)用場合。一旦已封裝好傳感器，希望提供微流控通道將流體引入傳感器。這些通道通常形成在與傳感器襯底分開的襯底中。這兩個襯底被相互對準(zhǔn)并密封。隨著半導(dǎo)體傳感器以更精細(xì)的間距而日益變得更小，出現(xiàn)了將微流控通道與傳感器對準(zhǔn)方面的問題。不良的裝配公差意味著存在這樣的可能性通道之間的壁可能阻擋傳感器，從而實(shí)際上可能不是在每個通道中都存在傳感器。在大批量生產(chǎn)中，微流控對準(zhǔn)公差可能比傳感器的最小外形尺寸大100至1000倍。在一些應(yīng)用中，可能希望使用ISFET傳感器來監(jiān)測許多流體腔室中的反應(yīng)。希望將許多ISFET傳感器排布在單個娃芯片上,而在每個傳感器上方發(fā)生不同的反應(yīng)。這意味著必須以如下方式來封裝芯片的表面生成彼此為流體密封的多個腔室，以使得它們的化學(xué)成分不會相互混雜。為了提供傳感器之間的密封性，期望的是流體通道/腔室的層將被安裝在電子芯片的頂部。這可以采用光刻技術(shù)直接在芯片表面上構(gòu)建或蝕刻，或者替代地可以通過各種手段構(gòu)建為獨(dú)立部分，并隨后作為后續(xù)步驟將其附接到芯片上。無論哪種方式，由于流體通道/腔室必須與傳感器對準(zhǔn)，因此產(chǎn)生了明顯的權(quán)衡。期望的是使傳感器更接近地被間隔開，即具有更精細(xì)的間距，以使得尺寸最小，從而令硅芯片(以及流體元件)成本最小。然而，相反地又期望使傳感器間隔得更開，從而生產(chǎn)流體元件并將它們與傳感器對準(zhǔn)更為容易。一般通過下述兩種方式之一來對準(zhǔn)襯底將一個襯底與另一襯底上的基準(zhǔn)線(可能是物理突出)對準(zhǔn)；或者，將每個襯底上的可視重疊標(biāo)記進(jìn)行對準(zhǔn)。其意圖在于，兩個襯底被中心對準(zhǔn)或法線對準(zhǔn)，以使得腔室與傳感器關(guān)于(多條)中心線對稱地排列。這通常表明每個傳感器的中心點(diǎn)與每個腔室的中心點(diǎn)對準(zhǔn)。因此，相對于中心的對準(zhǔn)公差通常是腔室的寬度減去傳感器寬度，在該點(diǎn)之后，感測表面的一部分將不會暴露于腔室。對準(zhǔn)公差可以表達(dá)為公差=±(Wc-Ws)/2 (I)其中Wc、Ws分別表不一個腔室的寬度和一個傳感器的寬度。以下參考文獻(xiàn)提供了片上實(shí)驗(yàn)室封裝的
技術(shù)介紹
美國專利7，033，910 :Method of fabricating multi layer MEMS andmicrofluidic devices on a substrate with layers of predetermined weak andstrong bond regions, communication provided by edge interconnects between layers美國專利6，910，268 :Method for fabricating an IC interconnect systemincluding an in-street integrated circuit wafer via. Not wireless, uses wiredvias.美國專利7，207，728 :0ptical bond-wire interconnections and a method forfabrication thereof. Optical bond-wire interconnections between microelectronicchips,wherein optical wires are bonded onto microelectronic chip.美國專利6，443，179 !Packaging of electro-microfluidic devices.Electrical connection is made to bond pads on the front of the MIC.美國專利6，531，342:Method for transverse hybrid 1c package美國專利6，882，033:High dens本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】1.一種用于感測流體性質(zhì)的器件，所述器件包括: 第一襯底，其上形成有傳感器和無線發(fā)射器，所述傳感器配置為在使用中與流體接觸以便感測所述流體的性質(zhì)，所述無線發(fā)射器用于經(jīng)由無線數(shù)據(jù)鏈路來發(fā)送數(shù)據(jù)；以及 第二襯底，其上形成有無線接收器，所述無線接收器用于接收由所述無線發(fā)射器經(jīng)由所述無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)， 其中所述第一襯底被安裝到所述第二襯底上或被安裝在所述第二襯底內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，所述第一襯底包括變換器，所述變換器用于變換接收到的電磁輻射以提供電能用于為所述第一襯底的各元件供電。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，優(yōu)選地使用粘合劑來將所述第一襯底接合到所述第二襯底。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述第一襯底是包括多個集成電路的半導(dǎo)體晶片，這些集成電路至少部分地提供了所述傳感器和所述無線發(fā)射器。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述第二襯底包括多層印刷電路板。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中不存在將所述第一襯底連接到所述第二襯底的接合線。7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述第一襯底還在其上形成有無線接收器，所述無線接收器用于接收由形成于所述第二襯底上的發(fā)射器發(fā)送的數(shù)據(jù)。8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述無線數(shù)據(jù)鏈路是使用以下傳輸方式之一來提供的:遠(yuǎn)場傳輸、近場傳輸、光電傳輸、或者利用由與所述第一襯底集成的電極調(diào)制的電壓通過所述流體進(jìn)行的傳輸。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，還包括微流控結(jié)構(gòu)，所述微流控結(jié)構(gòu)用于將所述流體置于所述傳感器的感測表面上。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中由接合到所述第一襯底和所述第二襯底中的一個或二者的第三襯底來形成所述微流控結(jié)構(gòu)。11.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的器件，還包括多個所述第一襯底和多個微流控結(jié)構(gòu)，所述微流控結(jié)構(gòu)用于將所述流體置于每個傳感器的感測表面上，每個第一襯底布置成與所述第二襯底上的所述接收器無線通信。12.—種對前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件進(jìn)行操作的方法，包括如下步驟: 提供流體以與所述傳感器接觸； 使用所述傳感器來感測所述流體的性質(zhì)；以及 使用所述發(fā)射器來無線地發(fā)送感測的數(shù)據(jù)或者經(jīng)過處理的感測的數(shù)據(jù)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括步驟:將微量的流體樣本放置到包括所述微流控結(jié)構(gòu)的襯底。14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)是實(shí)質(zhì)上被連續(xù)地發(fā)送的。15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，還包括步驟:在所述第一襯底處接收請求信號，并且響應(yīng)于所述請求信號從所述第一襯底發(fā)送數(shù)據(jù)。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述請求信號識別所述數(shù)據(jù)、第一襯底、和/或發(fā)出對數(shù)據(jù)的請求的傳感器。17.—種制造微流控傳感器器件的方法，包括如下步驟:提供第一襯底，所述第一襯底限定了用于接收待感測的流體的一個微流控結(jié)構(gòu)或多個微流控結(jié)構(gòu)； 提供第二襯底，所述第二襯底包括了或附接了多種液控傳感器，傳感器的數(shù)量大于微流控結(jié)構(gòu)的數(shù)量；以及 將所述第一襯底和所述第二襯底安裝在一起，使得至少一個傳感器與所述一個微流控結(jié)構(gòu)或所述多個微流控結(jié)構(gòu)的每一個對準(zhǔn)以便為所述一個微流控結(jié)構(gòu)或所述多個微流控結(jié)構(gòu)的每一個提供有效的傳感器，并且使得一個或多個傳感器不與任何微流控結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)從而使一個或多個傳感器是冗余的。18.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第一襯底與所述第二襯底之間的相對于中心對準(zhǔn)位置失準(zhǔn)了等于一個傳感器間距的量而仍然使得至少一個傳感器排列在...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蒂莫西·G·康斯坦迪努，薩姆·里德，潘泰利斯·喬治烏，
申請(專利權(quán))人：DNA電子有限公司，
類型：
國別省市：