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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Ionen-sensitiven Feldeffekttransistor-(ISFET)-Sensor zur Messung
der lonenaktivität
einer Probenlösung und
insbesondere einen ISFET-Sensor, der bezüglich der Probenlösung hinter
einem Substrat angebracht ist.
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Ein ISFET ähnelt einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET), aber besitzt keinen leitfähigen Gate-Anschluss. Stattdessen
ist eine Ionen-sensitive Membran über dem Gate oder Kanalbereich
angeordnet und einer Probenlösung
ausgesetzt. Die übrige
ISFET-Vorrichtung
ist verkapselt. Die Leitung, die am Gateanschluss eines MOSFET angebracht
wäre, ist
an einer Referenzelektrode angebracht. Die Referenzelektrode ist
von der Ionen-sensitiven Membran durch die Lösung getrennt. Die Ionen-sensitive
Membran moduliert die Gateladung und daher die Potentialdifferenz
zwischen dem Gate und der Referenzelektrode als eine Funktion der
lonenkonzentration in der Probenlösung. Eine oder mehrere der
Betriebscharakteristiken des ISFET werden dann gemessen und verwendet,
um die lonenkonzentration zu berechnen.
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ISFETs werden typischerweise mit
anderen Vorrichtungen, etwa Temperaturfühlern, Temperaturkompensationsdioden
oder exponierten Metallflächen
auf einem gemeinsamen Halbleiterchip hergestellt. Dieser Chip wird
als ISFET-"Chip" bezeichnet. Der
zerbrechliche ISFET-Chip ist an einer größeren Halterungsstruktur angebracht,
die Leiter zur elektrischen Verbindung mit dem ISFET-Chip trägt. Diese Halterungsstruktur
wird als "Substrat" bezeichnet. Der
Chip und das Substrat sind dann innerhalb einer größeren Sensorhalterungsstruktur
angebracht und mit einem Epoxidharz gekapselt, wobei lediglich die Ionen-sensitive
Membran am Gatebereich der Lösung
ausgesetzt bleibt. In einem herkömmlichen
ISFET-Sensor ist der ISFET-Chip an der Vorderfläche des Substrats derart angebracht,
dass die Ionen-sensitive Membran auf dem Chip von dem Substrat abgewandt
und der Probenlösung
zugewandt ist.
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Diese Struktur war anfällig gegenüber Verschlechterung
des ISFET-Sensors
durch die Lösung in
rauhen Umgebungen, etwa hoher Temperatur oder stark korrosiver Umgebungen.
Bei verbreiteten ISFET-Sensor-Herstellungstechniken
verursacht eine Epoxidharzabdichtung drei Grundprobleme. Erstens sind
die Leiter auf dem ISFET-Chip mit entsprechenden Leitern auf dem
Substrat durch feine Metalldrahtschleifen verbunden. Der ISFET-Chip
und die zugeordneten Drahtverbindungen werden dann mit einem großen Epoxidharztropfen
bedeckt. Bei den extremsten Betriebstemperaturen brechen diese feinen Drähte aufgrund
einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Epoxidharzes
in Bezug zur thermischen Ausdehnung des ISFET-Chips, des Substrats oder
der Drähte.
Drahtbruch führt
zu Sensorausfall.
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Da der Gatebereich der Lösung ausgesetzt sein
muss, ist zweitens das Epoxidharz notwendigerweise um den Gatebreich
herum dünn,
während
die durch das Epoxidharz bedeckte Fläche relativ groß ist. Das
dünne Epoxidharz
ist anfällig
gegenüber
lonenpermeation oder einem Austreten der Probenlösung, Hydratisierung des Epoxidharzes
durch die Lösung
und chemischen Angriffen des Epoxidharzes, was zu fehlerhafter Signalausgabe
und Korrosionsschäden
an den Drähten
und anderen elektrischen Verbindungen des ISFET-Chips führt.
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Sogar dann, wenn das Austreten oder
die Permeation keinen direkten physikalischen Schaden verursacht, ändert die
elektrolytische Reaktion zwischen den elektrischen Verbindern und
der Lösung die
Messsignale, die durch den ISFET erzeugt werden, und der Sensor
wird unbrauchbar. Weiterhin erzeugt die einfache Hydratisierung
des Epoxidharzes durch die Lösung über einen
langen Zeitraum hinweg einen Elektrolyt aus Epoxidharzverunreinigungen, was
zu demselben Ergebnis führt.
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Drittens wird die Verbindung zwischen
dem Epoxidharz und der ISFET-Chipoberfläche um den Gatebereich
herum durch die Lösung
langsam aufgebrochen. Die Form des Epoxidharztropfens ermöglicht es,
dass der Rand des Epoxidharzes von der ISFET-Chipoberfläche an der
gebrochenen Verbindung ansteigt, was einen größeren Anteil der Verbindung
der Lösung
aussetzt. Die Hydratisierung des Epoxidharzes verursacht auch, dass
der extrem dünne
Abschnitt um den Gatebereich herum sich ausdehnt, wodurch sich ein
Verbindungsschaden weiter erhöht.
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Es sind Versuche unternommen worden,
den ISFET-Chip hermetisch abzudichten. Existierende hermetisch gedichtete
ISFET-Sensoren neigen jedoch zur Abrasion, weil es keinen Epoxidharzkrater gibt,
um die lonensensitive Membran an dem Gatebereich von der strömenden Probenlösung abzuschirmen.
Die Ionen-sensitive Membran ist typischerweise nur ungefähr 500 Å dick.
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Das US-Patent Nr. 4 449 001 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kapseln einer chemisch sensitiven
Feldeffekt-Vorrichtung.
Die Vorrichtung ist auf einem Halbleiterchip hergestellt, der an
die Unterseite einer Bandschicht verbunden ist. Elektrische Leitungen
sind an die Unterseite der Bandschicht gelötet und Öffnungen sind in die Bandschicht
eingeschnitten, um die Leitungen durch die Bandschicht freizulegen,
so dass sie mit entsprechenden Kontaktierflächen an dem Chip verbunden werden
können.
Die Öffnungen
werden dann gefüllt, z.
B. durch Vergießen,
nachdem die Leitungen an den Kontaktierflächen befestigt sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Ionen-sensitiven Feldeffekttransistor (ISFET)-Sensor zur Messung
der lonenaktivität
einer Lösung
bereit, wobei der Sensor umfasst: ein erstes Substrat, das eine
der Lösung
ausgesetzte Vorderfläche,
eine der Vorderfläche
gegenüber
liegende Rückfläche, eine zwischen
der Vorderfläche
und der Rückfläche verlaufende Öffnung und
eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktierflächen auf
der Rückfläche umfasst;
und einen ISFET-Halbleiter-Chip, der eine lonensensitive Fläche mit
einem Gate-Bereich und einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktierflächen umfasst,
wobei die Ionen-sensitive Fläche
an der Rückfläche derart
angebracht ist, dass der Gate-Bereich der Lösung durch die Öffnung ausgesetzt
ist und dass die Kontaktierflächen
auf Rückseite des
ersten Substrats elektrisch mit den Kontaktierflächen auf der Ionen-sensitiven
Fläche
gekoppelt sind und von der Lösung
durch das erste Substrat isoliert sind; und eine Dichtung, die zwischen
der Rückfläche des
ersten Substrats und dem ISFET-Halbleiter-Chip ausgebildet ist und
die Öffnung
umgibt, wobei die Dichtung den Chip außer in dem Gate-Bereich gegenüber der
Lösung
abdichtet und eine erste Metalldichtung umfasst, die an der Rückfläche des
ersten Substrats angebracht ist und die Öffnung umgibt, sowie eine zweite
Metalldichtung umfasst, die an der Ionen-sensitiven Fläche des
ISFET-Halbleiter-Chips angebracht ist und den Gate-Bereich umgibt
und wobei die zweite Metalldichtung mit der ersten Metalldichtung
verbunden ist.
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In einer Ausführungsform enthält der ISFET-Sensor
ferner einen Dichtungsring, z. B. eine Thermodruck-Goldkontaktierung,
die zwischen dem ersten Substrat und dem ISFET-Halbleiterchip angeordnet
ist und die Öffnung
umgibt. Der Dichtungsring dichtet den Chip gegenüber der Lösung außer im Gatebereich. Der Dichtungsring
kann an dem ersten Substrat oder dem ISFET-Halbleiterchip angebracht sein
oder kann zwei Dichtungsringe enthalten, die an dem ersten Substrat
und dem ISFET-Halbleiterchip angebracht
werden und danach miteinander verbunden werden. Das Substrat und
der Chip werden dann innerhalb einer größeren Halterungsstruktur oder
eines Sensorgehäuses
angebracht und mit einem Kondensationspolymer, z. B. Parylen, gedichtet.
In einer alternativen Ausführungsform
werden das erste Substrat, der ISFET-Halbleiterchip und das Sensorgehäuse alle
mit einem leitfähigen
Polymer in einem einzigen Herstellungsschritt abgedichtet, um eine kontinuierliche
Dichtung zu bilden.
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In einer anderen Ausführungsform
enthält der
ISFET-Sensor ferner ein zweites Substrat, das mit der Rückfläche des
ersten Substrats verbunden ist und sich um einen Umfang des ISFET-Halbleiterchips
derart erstreckt, dass der Chip eingeschlossen ist und durch das
erste und das zweite Substrat abgedichtet ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A–1C sind Perspektivansichten
eines ISFET-Sensors des Stands der Technik.
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2A–2E sind Perspektivansichten
eines ISFET-Sensors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3A–3C sind Perspektivansichten
eines ISFET-Sensors mit einem zweiten Substrat gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4A–4B und 5A–5B sind Perspektivansichten
von ISFET-Sensoren, die jeweils zwischen einem ISFET-Chip und einem
Substrat geschweißte Drahtbefestigungen
und geschweißte
Drähte
aufweisen, gemäß alternativen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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6A–6B sind Perspektivansichten
eines ISFET-Sensors mit zwei Dichtungsringe gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6C ist
eine Querschnittsansicht des ISFET-Sensors entlang der Linien 6C-6C
von 6B.
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7 ist
eine plane Draufsicht auf ein ISFET-Chip der vorliegenden Erfindung,
bei dem die verschiedenen Schichten des Chips einander überlagert
gezeigt sind.
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8A–8F sind Perspektivansichten
eines mehrfachen, radialsymmetrischen ISFET-Sensors gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9A–9F sind Ansichten eines ISFET-Sensoraufbaus
gemäß einer
anderen alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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10 ist
eine Perspektivansicht eines Sensorkörpers zur Halterung des ISFET-Sensoraufbaus, der
in 9A–9F gezeigt ist.
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11 und 12 sind Querschnittsansichten des
Sensorkörpers,
der in 10 gezeigt ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Der Ionen-sensitive-Feldeffekttransistor-IISFETI-Sensor
der vorliegenden Erfindung enthält
einen ISFET-Halbleiterchip, der auf der Rückseite eines Substrats angebracht
ist, wobei eine Ionen-sensitive Membran auf dem Chip einer Probenlösung durch
eine Öffnung
in dem Substrat ausgesetzt ist. Das Substrat ist aus einem undurchdringbaren,
abrasionsfesten Material gebildet, das den gesamten ISFET-Chip bedeckt,
außer
dem Gatebereich. Dies begrenzt Schaden von der Lösung an einem der Öffnung benachbarten
dünnen
Band aus Abdichtungsmaterial zwischen dem Chip und dem Substrat,
das den Gatebereich gegenüber
dem Rest des ISFET-Chips abdichtet. Das Substrat verhindert ebenfalls,
dass das Abdichtungsmaterial von der Chipoberfläche abgehoben wird. Weil die
Ionen-sensitive Oberfläche
des Chips direkt mit dem Substrat verbunden ist, können elektrische
Verbindungen zwischen dem Chip und dem Substrat direkt ausgeführt sein,
ohne Drahtschleifen zu erfordern, die durch eine Epoxidharzabdichtung
verlaufen, was die Anfälligkeit
für Bruch
durch thermische Expansion reduziert. Diese Vorteile verlängern die
Betriebslebensdauer des ISFET-Sensors der vorliegenden Erfindung
in großem
Maße.
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Die 1A–1C zeigen einen ISFET-Sensor des
Stands der Technik. In 1A ist
ein ISFET-Halbleiterchip 10 mit einer Vorderfläche 12 eines
Substrats 14 verbunden, um einen ISFET-Sensoraufbau 15 zu
bilden. Diese Verbindung ist typischerweise mittels eines Epoxidharzes
ausgeführt. Der
ISFET auf dem Chip 10 ist aus einer Source 16, einem
Drain 18 und einem Gate 20 gebildet. Eine Ionen-sensitive
Membran 22 ist über
dem Gatebereich aufgetragen, die von dem Substrat 14 zum
Kontakt mit der Probenlösung
(nicht gezeigt) abgewandt ist. Die lonensensitive Membran 22 moduliert
die Gateladung als eine Funktion der lonenkonzentration der Probenlösung. Die
Source 16 und das Drain 18 sind jeweils elektrisch
mit den Kontaktierflächen 24a und 24c gekoppelt.
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Die Kontaktierfläche 24b ist mit dem
Halbleiterkörper
des Chips 10 gekoppelt. Das Substrat 14 enthält Substratkontaktierflächen 26a–26c,
die mit den Kontaktierflächen 24a–24c durch
Drahtschleifen 34a–34c elektrisch
gekoppelt sind.
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Sobald der ISFET-Chip 10 und
das Substrat 14 miteinander verbunden sind, um den Aufbau 15 zu bilden,
wird der Aufbau 15 innerhalb des Sensorgehäuses 40 angebracht,
wie in 1B gezeigt ist. Das
Sensorgehäuse 40 enthält eine Öffnung 42 zur Aufnahme
des Aufbaus 15 und einen internen Hohlraum, der die Sensorverkabelung 44 trägt. Die
Sensorverkabelung 44 wird an Substratkontaktierflächen 26a–26c befestigt.
Das Sensorgehäuse 40 kann ebenfalls
einen Vorverstärker
oder andere Schaltungen zur Aufnahme von Messungen von dem ISFET-Chip 10 über die
Verkabelung 44 und zur Übertragung
der Messungen über
ein Sensorkabel 46 tragen.
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Wie in 1C gezeigt
ist, sind der ISFET-Chip 10 und das Substrat 14 innerhalb
der Öffnung 42 durch
einen großen
Tropfen von Epoxidharz 48 abgedichtet. Das Epoxidharz 48 enthält eine Öffnung 50,
durch die der Gatebereich 20 des ISFET-Chips 10 der
Lösung
ausgesetzt bleibt. Da der Gatebereich exponiert bleiben muss, ist
das Epoxidharz 48 notwendigerweise dünn, während die durch das Epoxidharz
bedeckte Fläche
relativ groß ist.
Die Form des Epoxidharztropfens ermöglicht es, dass die Verbindung
zwischen dem Epoxidharz 48 und der Oberfläche des
ISFET-Chips 10 langsam aufbricht, was es ermöglicht,
dass der Rand des Epoxidharzes sich von der Oberfläche des
ISFET-Chips 10 an der aufgebrochenen Verbindung erhebt
und einen größeren Teil
der Verbindung der Lösung
aussetzt. Hydratisierung von Epoxidharz 48 verursacht ebenso,
dass der extrem dünne
Abschnitt von Epoxidharz um den Gatebereich herum sich ausdehnt,
was einen Verbindungsschaden weiter vergrößert. Dies führt zu Austreten
und Permeation der Probenlösung
auf die Chipoberfläche
und in das Sensorgehäuse 40,
was einen Korrosionsschaden und eine fehlerhafte Signalausgabe des
Sensors verursacht. Auch der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient von
Epoxidharz 48 in Bezug zum Substrat 14, ISFET-Chip 10 und
Drähten 34a–34c und 44 beansprucht
und bricht bei höheren Betriebstemperaturen
die Drahtschleifen, was zu einem Sensorausfall führt.
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Die 2A–2E zeigen einen ISFET-Sensoraufbau 52 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 2A und 2B,
die den Sensoraufbau 52 von gegenüberliegenden Oberflächen aus
zeigen, enthält
der ISFET-Sensoraufbau 52 den ISFET-Chip 54 und
das Substrat 56. Der ISFET-Chip 54 ist derart
umgedreht, dass seine Ionen-sensitive Oberfläche dem Substrat 56 zugewandt
ist. Der ISFET-Chip 54 enthält eine
Source 58, ein Gate 60 und einen Drain 62.
Die Source 58 und der Drain 62 sind mit Chipkontaktierflächen 64a und 64c gekoppelt.
Die Chipkontaktierfläche 64b ist mit
dem Halbleitersubstrat des ISFET-Chips 54 gekoppelt. Eine
Ionen-sensitive Membran 65 ist über dem Gatebereich des ISFET-Chips 64 aufgetragen. Die
Ionen-sensitive Membran 65 ist zum Beispiel aus Aluminiumoxid,
Tantalpentoxid oder Siliziumnitrid gebildet. Andere Ionen-sensitive
Materialien können ebenfalls
verwendet werden. Eine dünne
Metallschicht (in 6B und 7 gezeigt) kann über der
Ionen-sensitiven Membran 65, außer entlang des Gates 60,
ausgebildet sein, um Schutz vor Licht und einen elektrischen Grund
für die
Lösung
bereitzustellen. In einer Ausführungsform
ist die Schicht aus Platin gebildet. Es können jedoch auch andere Materialien
verwendet werden, wie etwa Nickel, Titan, Tantal, Gold und Palladiumsilber.
Die Metallschicht kann auch als eine Redoxpotential(ORP)-Membran
zur Messung eines Redoxpotentials verwendet werden.
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Das Substrat 56 enthält eine
Vorderfläche 66 und
eine Rückfläche 68.
Substratkontaktierflächen 70a–70c sind
auf der Rückfläche 68 ausgebildet
und mit Substratlötflächen 72a–72c über Leiterbahnen elektrisch
gekoppelt. Die Leiterbahnen können
Metallschichten, leitfähige
Tinten, leitfähige
Polymere ode andere nichtmetallische Leiter, wie gewünscht, umfassen.
Die Leiterbahnen auf dem Substrat 56 können z. B. für eine Pinfeldbefestigung,
eine Druckleiterplattenbefestigung oder eine Drahtleitungsbefestigung
angeordnet sein. Zusätzlich
kann das Substrat 56 eine zusätzliche selektive Metallisierung
zur Verbindung, zum Abdichten oder zur Bildung einer Dampfbarriere
enthalten.
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Wenn der ISFET-Chip 54 an
dem Substrat 56 angebracht ist, liegen die Kontaktierfiächen 64a–64c direkt
an Substratkontaktierflächen 70a–70c an
und sind mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff oder Lötzinn miteinander
verbunden, was die gewünschten
elektrischen Verbindungen herstellt und den Chip an dem Substrat
sichert.
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Das Substrat 56 enthält ferner
eine Öffnung 74,
welche den Gatebereich 60 des ISFET-Chips 54 der
Probenlösung
aussetzt, wenn der Chip 54 an dem Substrat 56 angebracht
ist. Die Öffnung 74 ist mit
abgewinkelten Seitenwänden
ausgebildet, so dass die Öffnung
einen größeren Durchmesser
an der Vorderfläche 66 als
an der Rückfläche 68 aufweist.
In alternativen Ausführungsformen
kann die Öffnung 74 Seitenwände aufweisen,
die von jeder Fläche
aus vertikal, gekrümmt,
abgewinkelt oder in anderer Weise modifiziert sind. Die Substratöffnung 74 ist
kreisförmig,
aber könnte
ebenso eine quadratische, rechteckige, ovale oder andere Geometrie
aufweisen.
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Ein Substratdichtungsring 76 ist
auf dem Substrat 56 um die Öffnung 74 herum aufgetragen, um
eine Dichtung bereitzustellen, die ein Austreten der Probenlösung zwischen
dem Chip und dem Substrat verhindert. Der Substratdichtungsring 76 dichtet gegenüber einem
entsprechenden Dichtungsring auf dem Chip ab. Das Abdichtungsmaterial
kann die Form eines Rings oder eine andere geeignete Form aufweisen,
wie eine Schicht, die den ISFET-Chip 54 bezüglich der
Substratöffnung 74 außer in dem
Gatebereich abdichtet. Der Substratdichtungsring 76 kann während der
Herstellung des Substrats an seinem Platz ausgebildet werden oder
während
der Vormontage als ein vorgeformtes Teil hinzugefügt werden, das
zwischen dem Substrat und dem Chip eingefügt wird, wenn der Chip an dem
Substrat angebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Dichtungsring 76 ein Goldring, der mit einem entsprechenden
Goldring an dem Chip 54 durch Thermodruck verbunden ist.
Andere Metalle oder Legierungen können ebenso verwendet werden,
um chemische Widerstandsfähigkeit,
strukturelle Unterstützung,
Isolierung, Oberflächenverbindung,
Dampfbarrierenbildung oder Schaltungsmetallisationseigenschaften
zu erreichen, die für
die spezielle Anwendung geeignet sind, in der der Sensor verwendet wird.
Zum Beispiel kann der Dichtungsring aus Metallen, wie Platin, Nickel,
Titan, Tantal und Palladiumsilber gebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat 56 aus Aluminiumoxid gebildet. Andere Keramiken,
Metalle, Gläser
und Kunststoffe können jedoch
ebenfalls verwendet werden, um besondere chemische Widerstandsfähigkeit,
strukturelle Unterstützung,
Isolierung, Oberflächenverbindung,
Dampfbarrieren oder Schaltungsmetallisationseigenschaften bereitzustellen,
die für
die Ausführungsform
gewünscht
sind, in der der Sensor verwendet wird. Das Substrat 56 kann
auch verschiedene Geometrien aufweisen. Zum Beispiel können die
Seitenränder des
Substrats 56 vertikal, gekrümmt, abgewinkelt sein oder
eine andere Form aufweisen. Die Ecken des Substrats 56 können zum
Beispiel quadratisch, rund oder abgeschnitten sein. Das Substrat 56 kann aus
der Sicht der Vorderfläche 66 oder
der Rückfläche 68 eine
plane Form aufweisen, die quadratisch, rechteckig, rund, oval ist
oder eine andere Geometrie oder eine Kombination von Geometrien
aufweist.
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2C ist
eine Perspektivansicht eines Sensorgehäuses 100 zur Halterung
des ISFET-Sensoraufbaus 52. Das Sensorgehäuse 100 enthält eine Vertiefung
oder Öffnung 102 zur
Aufnahme des Aufbaus 52 und ein Lumen 104 zum
Tragen von Drähten,
die mit dem ISFET-Chip 54 in Verbindung stehen. In 2D ist der ISFET-Sensoraufbau 52 in
die Öffnung 102 eingeführt, wobei
die Vorderfläche 66 des
Substrats 56 einem Äußeren des
Sensorgehäuses 100 zugewandt
ist. Drähte 106 sind
an Substratdrahtlötflächen 72a–72c (die
in 2A gezeigt sind) gelötet und
winden sich durch das Lumen 104 zur Kopplung an das Sensorkabel 107.
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Der ISFET-Sensoraufbau 52 ist
dann innerhalb des Sensorgehäuses 100 mit
einem Dichtungsmittel 108 abgedichtet, wie in 2E gezeigt ist. In einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die ISFET-Gatefläche
maskiert und der Sensor ist in eine Parylen-Kondensationskammer
eingesetzt, Parylenmonomere "treten" in den Sensor durch
jede zur Verfügung
stehende Öffnung
aus. Wenn die gasförmigen
Monomere an den Sensorflächen
zu einem Polymer kondensieren, erhöht sich die Polymerdicke zu einem
Punkt, bei dem alle Spalte geschlossen sind und durch das kondensierte
Polymer abgedichtet sind.
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In einer alternativen Ausführungsform
bleibt die Gatefläche
unmaskiert, Jedes kondensierte Parylenpolymer an der Gatefläche wird
später
z. B. mit einem Laser verdampft. Andere Kondensationspolymere, Metalldepositionen,
Metalle, Legierungen, Gläser
oder Polymere können
ebenso zur Abdichtung des ISFET-Chips 54 und des Substrats 56 mit
dem Sensorgehäuse 100 verwendet
werden, um gewünschte
chemische Widerstandsfähigkeit,
strukturelle Unterstützung,
Isolierung, Oberflächenverbindung
und Dampfbarriereneigenschaften bereitzustellen.
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Die 3A–324C zeigen einen alternativen ISFET-Sensoraufbau 110 der
vorliegenden Erfindung, bei dem ein zweites Substrat 120 mit
dem ersten Substrat 56 glasverlötet ist, über die Rückseite des ISFET-Chips 54 hinweg,
um eine hermetische Dichtung um den Chip herum auszubilden. In den 3A–3C werden
dieselben Bezugszeichen verwendet, wie sie in den 2A–2E für dieselben oder ähnliche
Komponenten verwendet wurden. Wie in 3A gezeigt
ist, ist ein Ring von Lötglas 122 um einen
Umfang der Fläche 124 des
zweiten Substrats 120 herum aufgetragen. Das zweite Substrat 120 wird
dann über
dem ISFET-Chip 54 auf der Rückseite 68 des Substrats 56 angeordnet,
und das Lötglas 120 wird
erwärmt,
um das zweite Substrat 120 mit dem ersten Substrat 56 zu
verbinden. In einer alternativen Ausführungsform wird das Lötglas 122 zunächst mit dem
Substrat 56 verbunden und danach mit dem Substrat 120 verbunden.
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3B ist
eine perspektivische Explosionsansicht des ISFET-Sensoraufbaus 110 aus der Sicht der
Rückfläche 68 des
Substrats 56, der Vorderfläche 66 entgegengesetzt. 3C zeigt den ISFET-Sensoraufbau 110 in
einem zusammengebauten Zustand. Die Form, Materialien und Herstellung
des zweiten Substrats 120 können in derselben Weise variiert
werden, wie dieses unter Bezugnahme auf das Substrat 56 diskutiert
wurde. Die Lötglasdichtung zwischen
den Substraten 56 und 120 kann mit einem Kondensationspolymer,
Metalldepositionen, Metallen, Legierungen oder Polymeren ersetzt
sein, wie sie für
chemische Widerstandsfähigkeit,
strukturelle Unterstützung,
Isolierung, Oberflächenverbindung oder
Dampfbarriereneigenschaften gewünscht
werden, die für
eine spezielle Anwendung geeignet sein können.
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In den 4A und 4B sind die Kontaktierflächen 64a–64c elektrisch
mit den Substratkontaktierflächen 70a–70c mit
geschweißten
Befestigungen 130a–130c verbunden,
anstatt dass diese direkt mit Lot oder leitfähigem Klebstoff verbunden sind,
was es ermöglicht,
dass die Dichtung um die Substratöffnung 74 herum in
einem unterschiedlichen Zusammenbauschritt und in einer unterschiedlichen
Umgebung ausgebildet wird als die elektrischen Verbindungen. In
den 5A und 5B sind die Chipkontaktierflächen 64a–64c elektrisch
mit den Substratkontaktierflächen 70a–70c mit
geschweißten
Drähten 132a–132c verbunden.
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Die 6A und 6B sind Perspektivansichten eines
ISFET-Sensoraufbaus 140,
der die Dichtungsringe zeigt, nämlich
den Substratdichtungsring 76 an dem Substrat 56 und
den entsprechenden ISFET-Chip-Dichtungsring 142 an dem
ISFET-Chip 54. Der ISFET-Chip-Dichtungsring 142 ist über der
Ionen-sensitiven Membran 65 aufgetragen und umgibt den
ISFET-Gatebereich 60. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Dichtungsringe 76 und 142 Goldringe,
die während
des Zusammenbaus durch Thermodruckverbinden miteinander dicht verbunden
werden. Wie oben diskutiert wurde, können die Dichtungsringe 76 und 142 wie
gewünscht
andere Metalle oder Legierungen umfassen und können durch verschiedene Verfahren
miteinander verbunden sein. Zum Beispiel kann eine Goldzinn- oder Goldsilikonlötscheibe
zwischen die Dichtungsringe 76 und 142 eingesetzt
sein und danach erwärmt
werden, um die Ringe miteinander zu verbinden.
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6C ist
eine Querschnittsansicht des ISFET-Sensoraufbaus 140 aus
der Sicht entlang der Linien 6C-6C von 6B. Das Substrat 56 enthält die Öffnung 74 und
trägt den
Dichtungsring 76 und die Substratkontaktierfläche 70b.
Der ISFET-Chip 54 besitzt mehrere Schichten, einschließlich der
ISFET-Struktur selbst, einer Aluminiumoxidlonen-sensitiven Membran 65 und
einer Platinschicht 144. Die Platinschicht 144 ist über der
Ionen-sensitiven Membran 65 aufgetragen und besitzt eine Öffnung 146 im Gatebereich
des ISFET-Chips 54, die die Ionen-sensitive Membran der
Probenlösung
aussetzt, die die Substratöffnung 74 erreicht.
Der Dichtungsring 142 ist über der Platinschicht 144 aufgetragen.
Der Dichtungsring 76 ist mit dem Dichtungsring 142 durch eine
Thermodruck-Goldkontaktierung 148 verbunden. In ähnlicher
Weise sind die Kontaktierflächen 64a bis 64c (nur 64b ist
gezeigt) mit Substratkontaktierflächen 70a–70c (nur 70b ist
gezeigt) mittels einer Thermodruck-Goldkontaktierung 150 verbunden.
Die Kontaktierflächen 64a-64c und 70a–70c sind
bevorzugt aus Gold gebildet. Andere Dicht- und Kontaktiertechniken
können
jedoch verwendet werden, wie oben diskutiert worden ist. Jede Schicht
des ISFET-Sensoraufbaus 140 wirkt als ein Adhäsionsförderer für die benachbarten
Schichten.
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7 ist
eine plane Draufsicht eines ISFET-Chips 160 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der die verschiedenen Schichten
aus dem den Chip bildenden Material einander überlagert sind. Der Chip 160 enthält eine
Source 162, ein Drain 164, ein Gate 166 und
eine Temperaturkompenssationsdiode 168. Das Gate 166 trennt
Source 162 und Drain 164. Eine Ionen-sensitive
Membran 170 bedeckt den Gatebereich des ISFET-Chips 160.
Die Platinschicht 172 bedeckt die Ionen-sensitive Membran 170,
außer
an einer Öffnung 174,
die das Gate 166 umgibt. Ein Goldring 176 wird
an der Platinschicht 172 um das Gate 166 herum
aufgetragen. Das Gate 166 hat eine im Wesentlichen sinusförmige oder
umgekehrt-S-förmige
Form, was die effektive Breite des Gates 166 über Source 162 und
Drain 164 hinweg erhöht.
Dies sorgt für
größere Stromtreiberfähigkeiten
für den
ISFET und daher für
eine gräßere Sensitivität für Änderungen
der lonenkonzentration der Probenlösung. Der ISFET-Chip 160 enthält ferner
eine Mehrzahl von Chip-Kontaktierflächen 180a–180e.
Die Kontaktierfläche 180a ist
elektrisch mit der Platinschicht 172 gekoppelt. Die Kontaktierfläche 180b ist
elektrisch mit der Source 162 und dem Halbleiterkörper der Source
und des Drains gekoppelt. Die Kontaktierflächen 180c und 180d sind
elektrisch mit der Temperaturkompensationsdiode 168 gekoppelt.
Die Kontaktierfläche 180e ist
mit dem Drain 164 elektrisch gekoppelt.
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Die 8A–8F zeigen einen ISFET-Sensoraufbau,
der einen radial symmetrischen, mehrfachen ISFET-Chip gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist. In 8A enthält der ISFET-Chip 200 mehrere
ISFETs 202a, 202b, 202c und 202d.
Der ISFET 202a enthält. Source 204a,
Gate 206a, Drain 208a, Chipsubstratleiter 210a und
Kontaktierflächen 212a, 214a und 216a.
Der ISFET 202b enthält
Source 204b, Gate 206b, Drain 208b, Substratleiter 210b und
Kontaktierflächen 212b, 214b und 216b.
Der ISFET 202c enthält
Source 204c, Gate 206c, Drain 208c, Substratleiter 210c und
Kontaktierflächen 212c, 214c und 216c.
Der ISFET 202d enthält
Source 204d, Gate 206d, Drain 208d, Substratleiter 210d und
Kontaktierflächen 212d, 214d und 2164.
Die Ionen-sensitive Membran 218 deckt das Gate, den Drain
und die Quellenbereiche der ISFETs 202a–202dab.
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8B ist
eine Perspektivansicht einer Rückfläche eines
Substrats 220 zur Anbringung des Mehrfach-ISFET-Chips 200,
der in 8A gezeigt ist.
Das Substrat 220 enthält
eine Substratöffnung 222,
einen Substratdichtungsring 224 und Substratkontaktierflächen 226a–226d, 228a–228d und 230a–230d zur
jeweiligen elektrischen Kopplung der Chipkontaktierflächen 212a–212d, 214a–214d und 216a–216d.
Die 8C zeigt den mit
dem Substrat 220 verbundenen Mehrfach-ISFET-Chip 200. 8D ist eine Perspektivansicht
des Mehrfach-ISFET-Chips 200 und des Substrats 220 aus
der Sicht einer Vorderfläche
des Substrats. Jeder Gatebereich 206a–206d ist der Probenlösung durch
die Substratöffnung 222 ausgesetzt.
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8E ist
eine Perspektivansicht, die die Befestigung des Mehrfach-ISFET-Chips 200 und
des Substrats 220 an einem distalen Ende 240 eines Sensorgehäuses oder
eines inneren Spindelkörpers 242 zeigt.
Das distale Ende 240 weist eine kreisförmige Öffnung 244 auf, die
das Substrat 220 aufnimmt. Eines oder mehrere Flachkabel 246 sind
mit Substratkontaktierflächen 226a–226d, 228a–228d und 230a-230d (in 8B gezeigte elektrisch gekoppelt
und erstrecken sich durch einen inneren Hohlraum 248 des
Sensorgehäuses 242.
Das Substrat 220 ist, wie in 8F gezeigt,
durch die Dichtverfahren innerhalb der Öffnung 244 abgedichtet,
die unter Bezugnahme auf die in 2A –2E gezeigte Ausführungsform
diskutiert worden sind.
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9A und 9B sind Perspektivansichten,
die gegenüberliegende
Flächen
eines ISFET-Sensoraufbaus 300 gemäß einer anderen alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen: Der ISFET- Sensoraufbau 300 enthält einen
ISFET-Chip 302, ein Substrat 304 und Metalloxidvaristoren (MOVs) 306 und 308.
Das Substrat 304 weist eine Vorderfläche 310, eine Rückfläche 312 und
eine Öffnung 314 auf.
Der ISFET-Chip 302 ist an der Rückfläche 312 des Substrats 304 derart
befestigt, dass sein Gatebereich durch die Öffnung 314 freiliegt.
Die Rückfläche 312 enthält Leiterbahnen 316.
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9C ist
eine plane Draufsicht auf den ISFET-Sensoraufbau 300. Der
ISFET-Chip 302 und die MOVs 306 und 308 sind
in Phantomdarstellung gezeigt. Ähnlich
zu der in 7 gezeigten
Ausführungsform
besitzt der ISFET-Chip 302 ein sinusförmiges Gate 320, das
durch die Öffnung 314 freiliegt. 9D ist ein Querschnitt des
Substrats 304 aus der Sicht entlang der Linie 9D-9D von 9C.
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9E ist
eine Planansicht von unten des ISFET-Sensoraufbaus 300. 9F ist eine Planansicht
von unten des Substrats 304, wobei MOVs 306 und 308 und
ISFET-Chip 302 entfernt sind. Kontaktierflächen 330 und 332 sind
mit der Temperaturkompensationsdiode auf dem ISFET-Chip 302 elektrisch gekoppelt.
Kontaktierflächen 334 und 336 sind
mit dem Drain und der Source des ISFET auf dem ISFET-Chip 302 elektrisch
gekoppelt. Kontaktierflächen 338 und 340 sind
mit dem MOV 306 elektrisch gekoppelt und Kontaktierflächen 342 und 344 sind mit
dem MOV 308 elektrisch gekoppelt. Kontaktierflächen 338 und 342 sind
mit einer Schutzvorrichtung 346 elektrisch gekoppelt, die
mit einem metallisierten Ring 348 elektrisch gekoppelt
ist, der sich um den Umfang des Substrats 304. herum erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Leiterbahnen und Kontaktierflächen auf dem Substrat 304 aus Gold
gebildet.
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10 ist
eine Perspektivansicht eines Sensorkörpers 360 zur Halterung
des in 9A–9F gezeigten ISFET-Sensoraufbaus 300.
Der Sensorkörper 360 ist
ein röhrenförmiger Körper, der
ein proximales Ende 362, ein distales Ende 364 und
ein Außenschraubengewinde 366 zur
Befestigung des Sensorkörpers
an einem Prozess aufweist. Der ISFET-Sensoraufbau 300 ist
innerhalb des distalen Endes 364 des Sensorkörpers 360 montiert
und ein Sensorkabel 368 ist am proximalen Ende 362 zur Verbindung
mit fern gelegenen Mess- oder Steuer/Regelschaltungen befestigt.
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11 ist
eine teilweise Querschnittsansicht des distalen Endes 364 des
Sensorkörpers 360.
Der Sensorkörper 360 besitzt
einen inneren Hohlraum 370, der einen inneren Spindelkörper 372 trägt. Der ISFET-Sensoraufbau 300 ist
innerhalb eines distalen Endes 374 des inneren Spindelkörpers 372 angebracht.
Der ISFET-Sensoraufbau 300 ist der Probenlösung an
dem distalen Ende 374 ausgesetzt. Ein Referenzelektrolyt 376 ist
innerhalb des internen Hohlraums 370 enthalten. Ein Gummi-O-Ring 378 bildet
eine Dichtung zwischen dem inneren Spindelkörper 372 und dem Sensorkörper 360,
um den inneren Hohlraum 370 gegenüber der Probenlösung abzudichten.
Die Wände
des Sensorkörpers 360 sind für Ionen
durchlässig,
um eine kleine Menge ionischer Verbindung zwischen der Probenlösung und dem
Referenzelektrolyt 376 zu ermöglichen.
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Der innere Spindelkörper 372 enthält eine spiralförmige Verbindung 382 entlang
seines Außendurchmessers,
die einen langen Weg bereitstellt, um das Hindurchtreten von giftigen
Ionen von der Probenlösung
zu dem inneren Hohlraum 374 zu begrenzen. Die Struktur
und Funktionsweise der spiralförmigen
Verbindung 382 und der für Ionen durchlässigen Wände des
Sensorkörpers 360 sind
detaillierter in der US-Anmeldung Nr. 08/685 794 beschrieben, eingereicht
am 24. Juli 1996 und betitelt "COMPOSITE
CHANNEL JUNCTION",
die hiermit durch Bezugnahme eingeführt wird.
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12 ist
eine detailliertere Querschnittsansicht des Sensorkörpers 360.
Der ISFET 300 ist mit einer Vorverstärkerdruckleiterplatte 390 mit
Drahtleitungen elektrisch verbunden, die sich durch ein inneres
Lumen des Spindelkörpers 372 erstrecken.
Eine Referenzelektrode 392 erstreckt sich von der Leiterplatte 390 zu
einem inneren Hohlraum und befindet sich in Kontakt mit dem innerhalb
des Hohlraums enthaltenen Referenzelektrolyt 376.
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Ergebnis
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Der ISFET-Sensor der vorliegenden
Erfindung enthält
einen ISFET-Chip, der an der Rückseite eines
Substrats angebracht ist, welches ein undurchlässiges, abrasionsfestes Material über den
gesamten ISFET-Chip hinweg außer
im Gatebereich bereitstellt. Dies begrenzt Schaden von der Lösung an
einem dünnen
Materialband, das den Gatebereich gegenüber dem Rest des ISFET-Chips
abdichtet. Da das Dichtungsmaterial zwischen dem ISFET-Chip und
dem Substrat angeordnet ist, ist das Dichtungsmaterial durch das
Substrat gut unterstützt,
so dass es sich nicht von der Oberfläche des ISFET-Chips abheben
kann. Daher kann lediglich Lösung,
die durch Permeation durch und Schaden an der kleinen Dichtungsrandfläche zum
Chip durchdringt, den Chip angreifen. Da die Ionen-sensitive Fläche des
ISFET-Chips direkt mit dem Substrat verbunden ist, liegen weiterhin
die entsprechenden Chipkontaktierflächen an den Substratkontaktierflächen an.
Im Ergebnis ist es nicht länger
erforderlich, dass Drähte
durch das Epoxidharz schleifenförmig
verlegt sind, um die elektrischen Verbindungen herzustellen. Dies
reduziert wesentlich die Anfälligkeit
für Wärmeausdehnungsbruch.
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Der ISFET-Sensor der vorliegenden
Erfindung enthält
eine Thermodruck-Goldkontaktierung um
den Gatebereich herum, zwischen dem ISFET-Chip und dem Substrat,
die eine stabile, korrosionsbeständige
Feuchtigkeitsbarrierendichtung bereitstellt. Der Goldring könnte durch
andere Metalle ersetzt sein, wie in alternativen Ausführungsformen gewünscht. Weiterhin
sorgt die Anordnung des Substrats über dem ISFET-Chip für eine intrinsische
Abschirmung gegenbüer
der abrasiven Wirkung der Probenlösung, die entlang der dünnen Ionen-sensitiven
Membran im Gatebereich strömt.
Diese Vorteile verlängern
die Betriebslebensdauer des ISFETs außerordentlich.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden
ist, erkennen der Fachleute, dass Veränderungen in der Form und im
Detail gemacht werden können,
ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden
Ansprüchen
definiert ist.