低漂移化学传感器阵列的方法和装置制造方法及图纸

低漂移化学传感器阵列的方法和装置。一种片上的低基线漂移的ＳＡＷ／ＬＡＷ化学传感器阵列及其形成方法。双ＳＡＷ延迟线包括：用来产生声波的公共ＩＤＴ，以及用来接收声波的一对ＩＤＴ。一个感测层或者一个参考层可以沉积在公共ＩＤＴ的每一侧上的位置中。一ＡＳＩＣ芯片包括片上的双操作放大器和混合器，以利用由感测层和参考层给出的差获得差别测量。可利用三维３Ｄ技术来将传感器阵列和ＡＳＩＣ连接在相同的封装中并由此形成３Ｄ堆栈。化学传感器阵列和ＡＳＩＣ可以配置在不同的封装中，并利用２Ｄ技术互连在相同的衬底上。多种气体可以被独立地探测，每种气体可关于与其相关联的感测层和特定参考层而被有差别地探测。

【技术实现步骤摘要】

实施例主要涉及传感器方法和系统。该实施例还涉及SAW (表面声波)和LAW (拉 福声波，love acoustic wave)化学传感器设备。该实施例另外还涉及用于制造SAW化学 传感器阵列的方法。
技术介绍
化学传感器可用于将化学信号(例如，浓度，活性，分压等等)转换成可测量的电 信号。在传统的商用固态化学传感器中，最广为人知的是催化燃烧型传感器(pellistor) 和化学电阻(chemoresistor)。这些固态化学传感器都是电阻型的传感器，并且通常需要加 热到高温才能示出气体敏感性。催化燃烧型传感器可用于探测还原性气体，例如，CH4。典 型的催化燃烧型传感器包括铂电阻部件，在该铂电阻部件上覆盖着其中含有贵金属原子的 多孔陶瓷材料，其中的贵金属原子用于在催化燃烧型传感器表面催化气体的氧化反应。在 存在CH4的情况下，由于放热的气体分解，加热的催化燃烧型传感器进一步地升高其温度。 这样的方法造成温度升高，反过来可以清楚地表示为铂电阻的增大。 化学电阻型传感器通常包括金属氧化物(例如，Sn02)，通过其电阻的增加来探测 氧化剂气体(例如，N0》，通过其电阻的减小来探测还原性气体(例如，C0)。这些传统的固 态传感器耗费高的电能，并且相对于周围配置中的其它气体呈现出交叉敏感性。因此，人们 认为利用较少的电能来用于有效气体探测的SAW/LAW化学传感器，可用作这样的现有技术 固态化学传感器的替代。注意"LAW"通常指代"拉福声波"或者"拉福模式声波"。 具有功能感测层的SAW/LAW化学传感器可以用来在室温条件下对气体进行选择 性探测。SAW/LAW化学传感器依靠叉指(IDT)换能器来产生和探测从设备的一端传播到另 一端的声波。当气体被吸附在感测层时，声波的传播速率会发生改变，并且由于感测层的质 量增加，膜的黏弹性质也会发生改变。与具有功能感测层的该现有技术SAW/LAW化学传感 器相关的一个问题是由于感测材料的老化以及湿度和其它的外界动因/状况引起的膜的 物理_化学变化，在其操作期间缺乏对基线漂移的控制。 图1是现有技术中的基于LAW型的化学传感器100的透视图，其中包括使用引导 层120用于声波的传播。在如图1所示的现有技术中的基于LAW型的化学传感器100中， 引导层120置于压电衬底130上，并且在叉指换能器(IDT) 140和150上，这两个换能器通 过压电效应用来产生和探测声波。输入IDT 140和输出IDT 150置于压电衬底130上，并 且被用于声波传导的引导层120覆盖，该引导层被用于声波传播。现有技术中的LAW化学 传感器100还包括可暴露于气体(例如含有待测的化学物质的空气)中的感测层110。然 后，可以分析来自传感器IOO产生的信号以识别化学物质。 图2是现有技术的SAW化学传感器200的透视图。现有技术的SAW化学传感器 200包括输入叉指换能器210和输出叉指换能器220， 二者置于压电衬底240上，并通过压 电效应来产生和探测表面声波。感测层230可用来感测吸附在其表面的输入气体。输入 IDT 210上产生的声波，将在感测层230的下面传播，其相速度会因为感测层上吸附的气体而发生改变，因此在输出IDT 220中产生的电信号将携带关于SAW化学/气体传感器要探 测的气体的信息。 图3示出了现有技术的SAW/LAW化学传感器200的示意图。现有技术的化学传感 器200包括感测层230，其位于输入IDT 210和输出IDT 220之间。SAW化学传感器200的 振荡型感测电路310通常包括在其产生频率F1的正反馈回路内具有SAW延迟线(line)的 RF放大器A1。上述感测SAW/LAW延迟线包括输入IDT 210，感测层230和输出IDT 220。化 学传感器200还包括参考振荡器电路350，该参考振荡器电路350利用在其以频率F2振荡 的正反馈回路内与参考SAW/LAW延迟线关联的RF放大器A2。上述参考SAW/LAW延迟线一 般由输入IDT 320和输出IDT 330配置。 混合器360可用于执行在频率Fl和F2之间的频率减法。现有技术的SAW/LAW 化学传感器200另外包括接地平面340的使用，该接地平面340可以用于使整个感测装置 200接地。频率F1-F2中的差携带关于要被探测的气体的信息；然而，现有技术中的差别 (differential)方法不能完全消除湿度和温度的影响。这是因为由IDT 320、 IDT 330和 正反馈放大器A2组成的参考振荡器电路350相对于包括IDT 210、感测层230、IDT 220和 正反馈放大器Al的感测振荡器电路310缺乏对称性。 基于上述内容，相信存在对如下面将更详细描述的改进的与参考层相关联的片上 低基线漂移SAW/LAW化学传感器阵列的需要。
技术实现思路
提供下述内容来便于理解所公开的实施例所独有的一些创新的特征，但不打算成为全面的描述。对实施例的各个方面的全面认识可通过将整个说明书、权利要求书、附图以 及摘要作为一个整体来获得。 因此，本专利技术的一个方面是提供一种改进的SAW/LAW化学传感器装置。 本专利技术的另一个方面是提供一种改进的片上低基线漂移SAW/LAW化学传感器阵列。 本专利技术的又一个方面是提供一种制造SAW/LAW化学传感器阵列的方法。 下面将对上述的各方面以及其它的目标和优点进行描述。公开了一种片上低基线 漂移SAW/LAW化学传感器阵列以及形成这种阵列的方法。双SAW/LAW延迟线包括用于产生 声波的公共IDT和用于接收声波的一对IDT。在公共IDT的每一侧上的位置中可以沉积一 个或者多个感测层和参考层。ASIC芯片包括片上双操作放大器和混合器以利用由感测层和 参考层给出的差得到差别测量结果。可以利用3D技术将传感器阵列和ASIC连接到同一个 封装中，并因此形成(3D)堆栈。化学传感器阵列和ASIC可以利用2D被配置在不同的封装 中并且被互连在同一衬底上。多种气体可以独立地被探测，可以关于与其相关联的感测层 和特定参考层来有差别地(differentially)探测每种气体。 也可以利用2D技术将传感器阵列和ASIC提供在不同的封装中并且互连在同一衬 底上。ASIC芯片还可以用于读取来自SAW传感器阵列的输出。对于这样的2D技术方法，衬 底可以包括PCB和片上SAW/LAW传感器阵列以及ASIC，其中可以利用倒装芯片技术(即如 果ASIC和石英传感器是未封装的)，或者表面安装技术(即如果石英传感器和ASIC是封装 的)来将所述传感器阵列和ASIC安装在PCB上。 为了实现利用3D技术的感测装置，可以利用激光钻孔对石英晶片或者硅晶片进 行钻孔，并填充金属以分别形成导电的通过石英的通孔(through-the-quartz-vias， TQV) 和/或通过硅的通孔(through-the-silicon-vias，TSV)。 TQV和TSV部件可进一步用来提 供到SAW传感器阵列和ASIC的电连接。SAW/LAW传感器阵列的参考层可用来填充参考振荡 器电路中的输入IDT和输出IDT之间的间隙。公共IDT可用来为两个延迟线产生声波，其 中一个延迟线可以被配置成包含感测层，而另一个延迟线可以被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低漂移的化学传感器阵列装置，包括：包含有多个叉指换能器的多个ＳＡＷ／ＬＡＷ延迟线，其包括至少用于产生声波的公共叉指换能器和一对用于接收所述声波的叉指换能器，其中所述多个ＳＡＷ／ＬＡＷ延迟线中的每个延迟线包括在所述公共叉指换能器的每一侧上的一个感测层或者一个参考层；以及包括多个操作放大器的ＡＳＩＣ部件，其中在所述多个操作放大器中每个操作放大器包括正反馈回路，在所述正反馈回路中包含所述多个ＳＡＷ／ＬＡＷ延迟线中的一个ＳＡＷ／ＬＡＷ延迟线，并且所述ＡＳＩＣ部件还包括多个混合器，对于要从与所述低漂移的化学传感器阵列装置分别或同时接触的多种气体中探测出的每种气体，所述多个混合器中的每个混合器用来利用通过来自所述多个操作放大器中的两个操作放大器的频率相减的频率差来获得气体差别测量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C科比亚努，I乔治斯库，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]