具有位于第一和第二衬底上的碳纳米管传感器的传感器装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月19日提交的第62/607,503号美国临时专利申请的权益。所述申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

本发明的各方面总体上涉及一种传感器，其位于第一衬底上且通过延伸穿过第一衬底的衬底通孔(tsv)可操作地连接到第二衬底，且更具体地，本发明的各方面涉及一种位于这种衬底上的碳纳米管装置。

背景技术：

引线键合是与衬底顶部的传感器等装置进行电接触的传统方法。通常使用封装来防止对易碎的引线键合造成机械损坏。对于必须暴露在环境中的装置，特别是传感器，封装必须覆盖引线键合，但不覆盖传感器区域，这通过注塑成型、环氧树脂微移液以及围堰填充方法很难可靠且大量地实现。基于设计考虑，或为了通过在每个晶片上安装更多的传感器来降低成本，可能需要较小的传感器尺寸。对于小型装置而言，几乎不可能进行带有裸露装置区域的引线键合和封装。另外，对于浸没在离子液体缓冲剂中的传感器，例如化学、电化学或生物传感器，必须将装置的任何电连接与缓冲剂绝缘，否则会发生离子传导，从而降低或丧失灵敏度。

如本文中所使用的，术语“衬底通孔”(tsv)是指引线键合的替代方法，并竖直穿过衬底本身提供装置连接，以焊接到衬底底部，从而连接到另一个电子装置，例如印刷电路板。

希望提供一种传感器，所述传感器安装于结合tsv使用的衬底上，以减少或克服现有技术中固有的一些或全部困难。鉴于某些实施例的以下公开内容和详细描述，本领域技术人员，即在此技术领域有知识或经验的人，将显而易见特定目标和优点。

技术实现要素：

根据第一方面，一种感测装置包含：第一衬底，其具有多个贯穿其中的tsv；以及第二衬底，其位于邻近第一衬底，其中tsv电连接到第二衬底。至少一个碳纳米管传感器位于第一衬底上。多个接触垫中的每一个位于第一衬底上并位于一个碳纳米管传感器上，使得每个接触垫电连接到一个tsv上以及一个碳纳米管传感器上，并使得一个碳纳米管传感器的一个端部嵌入接触垫中。

根据另一方面，一种形成感测装置的方法包含以下步骤：在第一衬底中形成多个tsv；在第一衬底上沉积至少一个碳纳米管传感器；在第一衬底上和一个碳纳米管传感器上形成一对接触垫，使得每个接触垫电连接到一个tsv并电连接到一个碳纳米管传感器，并使得一个碳纳米管传感器的一个端部嵌入每个接触垫中；将第一衬底放置于邻近一个第二衬底；并在tsv与第二衬底之间形成电连接。

根据其它方面，一种形成感测装置的方法包含以下步骤：在第一衬底中形成多个tsv；在第一衬底上沉积多个碳纳米管传感器；在第一衬底上和一个碳纳米管传感器上形成多对接触垫，使得每个接触垫电连接到一个tsv并电连接到一个碳纳米管传感器，并使得一个碳纳米管传感器的一个端部嵌入每个接触垫中；切割第一衬底以形成多个第一衬底，多个第一衬底中的每一个包含多个碳纳米管传感器、多个tsv和多个接触垫，将每个第一衬底放置成邻近一个第二衬底；并在tsv与第二衬底之间形成电连接。

根据某些实施例的以下详细公开内容、其附图以及根据权利要求书，将进一步理解在此处公开的这些和额外特征和优点。

附图说明

从结合附图进行的说明性实施例的以下详细描述将更全面地理解本发明的实施例的前述和其它特征和优点，在附图中：

图1是安装在第一和第二衬底上的感测装置的透视图。

图2是图1的感测装置的截面图。

图3是图1的感测装置的第一衬底的部分截面透视图。

图4是图1的感测装置的替代实施例的截面图。

图5是具有根据替代实施例的传感器阵列的衬底的平面图。

上文提及的附图不一定按比例绘制，应被理解为提供本发明的特定实施例的表示，且在本质上仅是概念性的并说明所涉及的原理。附图中描绘的感测装置的一些特征已经相对于其它特征放大或变形，以便于解释和理解。相同参考标号在图式中用于各种替代性实施例中展示的类似或相同部件和特征。本文所公开的结合tsv使用的传感器将具有部分地由预期应用和其使用环境确定的配置和部件。

具体实施方式

图1至2示出了代表性感测装置10，其可以用作暴露于包含待感测的材料的环境的传感器。感测装置10可以是气体传感器、化学传感器、电化学传感器、生物传感器或任何其它期望类型的传感器。可以将这样的传感器放置在诸如离子液体缓冲剂的缓冲溶液中，而对于通常形成这种传感器的一部分的电子部件而言，暴露于缓冲溶液会产生问题。尤其是将传感器放置在这种水溶液中会损害传感器工作所需的电连接。

感测装置10可以包含第一衬底12，传感器14可以位于第一衬底12上。在某些实施例中，第一衬底12可以是由硅、玻璃或其它合适的材料形成的晶片、平板、片或管芯。如下面更详细地讨论的，第一衬底12可以形成为较大的晶片、平板或片的一部分，较大的晶片、平板或片在形成之后被切成较小的片或丁。期望减小这种感测装置的尺寸以便从每个晶片、平板或片中生产出更多的管芯，从而提供可以在成本有效且自动化的制造过程中大量生产的可扩展感测装置。

在某些实施例中，传感器14可以是碳纳米管传感器，例如功能化的碳纳米管衬底。当目标分析物或多个目标分析物与功能化的碳纳米管衬底接触时，这种碳纳米管传感器可以检测电导的变化。根据一个方面，通过用碳纳米管涂覆晶片来产生碳纳米管晶片，以便产生导电的碳纳米管衬底。示例性方法包含旋涂沉积工艺或连续的浮动蒸发自组装(fesa)工艺。本领域技术人员将理解，可采用本领域技术人员已知的其它合适的方法来产生导电碳纳米管衬底。

在某些实施方案中，这种碳纳米管衬底包含半导体单壁碳纳米管(s-swcnt)。这种s-swcnt的特征在于高表面积和足以产生可扩展灵敏度的半导体属性。在某些实施例中，碳纳米管衬底可以是平面的。碳纳米管衬底可以是形成为生物传感器装置的碳纳米管半导体表面，所述生物传感器装置监测半导体材料表面上的电场电荷载流子。当生物分子相互作用的结合事件发生并与碳纳米管表面耦合时，纳米管上的载流子浓度可改变，从而改变电导率。当目标分析物结合到功能化的纳米管表面时，电流改变并被检测到。在某些实施例中，结合相互作用发生在德拜筛选长度内，以便检测相互作用。为了提高灵敏度，可使用小受体，如片段化抗体。

碳纳米管是本领域技术人员已知的且通常用于制造碳纳米管衬底的单壁碳纳米管。如本领域已知的，碳纳米管(cnt)是具有大致圆柱形的纳米结构的碳的同素异形体。通常，碳纳米管的特征在于具有给定长度的中空圆柱形结构，其壁由一个原子厚的称为石墨烯的碳片形成。通常，石墨烯片以特定和离散的(“手性的”)角度被轧制或以其它方式配置，并且轧制角度和半径的组合决定了纳米管属性，例如，单个纳米管外壳是金属或是半导体。纳米管分为单壁纳米管(swcnt)和多壁纳米管(mwcnt)。各个纳米管可自然地定向排列成由范德华力(更具体地，π堆积)固定在一起的“绳”。示例性单壁碳纳米管(swcnt)的直径为约1纳米，但是可更宽。根据一个方面，swcnt可表现出从零到约2ev的带隙，并且它们的电导率可表现出金属或半导体行为。单壁碳纳米管为本文所述的检测装置提供了示例性衬底。在2018年10月10日提交的题为“用于感测分子相互作用的基于碳纳米管的装置(carbonnanotube-baseddeviceforsensingmolecularinteraction)”的第16/155,955号美国申请中描述了示例性单壁碳纳米管及其制造方法的更详细描述，所述美国申请的全部公开内容以全文引用的方式并入本文中用于所有目的。us7,416,699、us6,528,020和us7,166,325中也描述了装置中使用的示例性碳纳米管，前述专利中的每一者在此以全文引用的方式并入本文中。

第一衬底12可以位于第二衬底18的第一侧16上或邻近于所述第一侧，例如印刷电路板(pcb)。栅极20可以位于衬底18的与第一侧16相对的第二侧22上。在某些实施例中，栅极20可以镀有au或pt。

可以在第一衬底12中形成衬底通孔(tsv)24，以便在传感器14与第二衬底18之间提供电连接，如下面更详细地描述的。在某些实施例中，tsv24可以通过焊料凸块26电连接到第二衬底18。

在使用碳纳米管时，在碳纳米管与碳纳米管连接到的金属元件之间产生的低接触电阻是有利的。这是由于碳纳米管通过检测碳纳米管的电阻变化来工作的这一事实。如果碳纳米管本身的电阻比金属与碳纳米管之间的接触电阻低得多，则由于感测得出的碳纳米管的电阻变化不会、或仅仅和几乎不改变整个传感器的电阻，因为整个传感器的电阻主要是接触电阻。因此，可以通过降低金属与碳纳米管之间的接触电阻来提高感测装置的功能性和灵敏度。

因此，为了保持低接触电阻，传感器14可以通过金属接触垫28电连接到tsv24。在某些实施例中，每个传感器14可以电连接到两个接触垫28，其中一个用作为传感器14的源极，且另一个用作为传感器14的漏极。

应当理解的是，当在含水环境中使用时，半导体碳纳米管可因吸收水和/或改变氧的转移而空穴掺杂或p掺杂。为了在结合p掺杂的半导体碳纳米管使用金属接触件时获得低电阻，必须使用高功函数金属。否则，将在结处形成金属半导体二极管，也称为肖特基二极管，这将大幅度地增加接触电阻。应当理解，包含cu和ag在内的通常用于某些tsv的典型可商购材料不适合结合碳纳米管使用时所需的低电阻接触。因此，用于形成接触垫28的合适金属包含ti、tin、pd、au和pt。

接触垫28可以沉积在第一衬底12上。金属在第一衬底12上的期望位置或期望图案中的这类沉积可通过使用金属沉积方法并结合本领域技术人员已知的如阴影掩模石印法或光刻法等石印方法来完成。

2018年10月10日提交的题为“用于感测分子相互作用的基于碳纳米管的装置(carbonnanotube-baseddeviceforsensingmolecularinteraction)”的第16/155,955号美国申请中描述了示例性光刻方法，所述美国申请的全部公开内容以全文引用的方式并入本文中用于所有目的。

应理解，为了在接触垫28与碳纳米管传感器14之间的连接处提供低接触电阻，接触垫28的金属必须围绕碳纳米管传感器的端部，使得碳纳米管的端部嵌入接触垫中。这样的配置在接触垫28与碳纳米管传感器14之间提供了良好的电接触。

为了将碳纳米管的端部嵌入接触垫的金属中，有利的是在第一衬底12上沉积纳米管之后，沉积用来形成接触垫28的金属。通过这样做，金属将完全围绕碳纳米管的端部，从而在金属沉积期间将碳纳米管的端部完全嵌入接触垫28的金属中。

可以在第一衬底12与第二衬底18之间的接合、接缝或界面处提供密封剂29，以帮助密封此界面并防止材料进入界面并损害其中的部件。例如，密封剂帮助保护感测装置10内的部件免受水溶液的有害成分的影响，在使用期间感测装置10可能会被放入水溶液中。

合适的密封剂包含例如环氧树脂、塑料和硅树脂。考虑到本公开的益处，其它合适的密封剂对于本领域技术人员将变得显而易见。密封剂29可以通过例如注塑成型、印刷、微量移液管分散放置在第一衬底12与第二衬底18之间的界面处的感测装置10上。在其它实施例中，可以将第一衬底12和第二衬底18一起浸入合适的密封剂中达一定深度，以使第一衬底12的顶部和传感器14不与密封剂接触。鉴于本公开的益处，将密封剂29放置于第一衬底12与第二衬底18之间的界面处的其它合适方法对于本领域技术人员将变得显而易见。

tsv24的实施例在图3中可见，并且可以由通孔或导电塞30形成，通孔或导电塞30位于完全延伸穿过第一衬底12的通孔或孔32内。在某些优选实施例中，孔32的直径在大约5μm与大约200μm之间，更优选在大约10μm与大约50μm之间，并且最优选在大约10μm与大约25μm之间。

导电塞30用于提供接触板28与第二衬底18之间的电连接。在某些实施例中，导电塞30可以由金属形成。示例性金属包含但不限于cu、镀au的cu、cu/al、镀au的cu/al、ag和镀au的ag。在其它实施例中，导电塞30可以由掺杂的多晶硅形成。考虑到本公开的益处，用于导电塞30的其它合适的材料对于本领域技术人员将变得显而易见。

在某些优选实施例中，导电塞30的直径在大约5μm与大约200μm之间，更优选在大约10μm与大约50μm之间，并且最优选在大约10μm与大约25μm之间。

在某些实施例中，绝缘衬垫34可以在孔32内位于导电塞30与第一衬底12之间。当多个tsv位于第一衬底12中时，衬垫34用于使tsv24的导电塞30与邻近的tsv绝缘。衬垫34例如可以由sio2或sin形成。考虑到本公开的益处，用于衬垫34的其它合适的材料对于本领域技术人员将变得显而易见。

在某些优选实施例中，衬垫34的厚度在大约0.2μm与大约2μm之间。

如本文中所使用的，术语“大约”是指在传感器的制造和使用领域中的合理的商业工程目标、成本、制造公差以及能力的限制范围内接近或约为特定值。类似地，本文所用的术语“基本上”是指在合理的商业工程目标、成本、制造公差和能力的限制范围内，大部分或几乎相同。

图4是具有在第一衬底12上的多个传感器14以及对应的接触垫28和tsv24的实施例的截面图。在某些实施例中，传感器14的阵列可以设置在第一衬底12上。如此处所示，相邻的传感器14可以共享位于其间的接触垫28，所述接触垫可以用作两个传感器14的公共漏极。在所示的实施例中，绝缘层36可以位于第一衬底12的顶表面或最上表面与接触垫28和传感器14之间。在某些实施例中，绝缘层36可以由例如sio2或sin形成。鉴于本公开的益处，用于绝缘层36的其它合适的材料对于本领域技术人员将变得显而易见。应当理解，绝缘层36可以由与衬垫34相同或不同的材料形成。

在某些实施例中，传感器14的多个阵列和相关联的部件可以在诸如第一衬底12的单个晶片上形成。例如，如图5所示，在晶片尺寸大小的第一衬底12上形成传感器14的四个3×2阵列以及相关联的接触垫28和tsv24。在形成阵列之后，可以沿着切割线38将如晶片尺寸大小的第一衬底12切割，从而形成多个管芯或第一衬底12，每个管芯包含传感器14阵列和相关联部件。

应当理解，可以在单个晶片、平板或片上形成任意数量的传感器和相关联部件，并且所述数量仅受传感器、接触垫、tsv和晶片、平板或片本身尺寸的限制。因此，应当理解，将多个传感器放置在同一衬底上能促进减小传感器和相关联部件的尺寸。可以制造的传感器、接触垫和tsv越小，在管芯上以及因此在晶片、平板或片上可以提供的感测装置就越多，这将提高感测装置的扩展性。

应当理解，电噪声将决定碳纳米管传感器的检测极限和灵敏度，如由信噪比所决定的。增加装置面积和增加装置电导率是增加信噪比的两种方法。通过修改接触垫的几何形状以增加传感器的电导率，接触垫可用于增加有效通道或传感器的电导率。用接触垫几何形状来增加通道电导率的示例在图5中示出。如此处所见，可以通过在接触垫28上设置延伸部40来增加接触垫28的表面积，增加接触垫28的表面积并由此增加传感器14的电导率。

如此处所示，延伸部40大致为l形或倒l形的构件，在第一衬底12上从接触垫28延伸出。在此可以看到相邻的接触垫28的延伸部40彼此嵌套。应当理解，延伸部40不必一定是l形或倒l形。

在所示的实施例中，具有在图5中看到的接触垫几何形状的传感器14的电导率比没有延伸部40的接触垫28的电导率大大约10倍，使得灵敏度和检测极限提高了3倍以上。

因此，可以理解的是，如本文所述的接触垫28的使用在传感器14与tsv24之间提供了电连接，可以减小接触电阻并增加传感器14的电导率。这使得信噪比和检测能力提高。

现在将描述形成具有碳纳米管传感器的装置的方法。如图3和4所示，在第一衬底12中形成一个或多个tsv24。如上所述，第一衬底12可以由例如硅或玻璃形成。通过形成完全延伸穿过第一衬底12的贯穿孔32来形成tsv24。

接着将绝缘衬垫34置于孔32内，然后在绝缘衬垫34的内部形成导电塞30。当多个tsv位于第一衬底12中时，衬垫34用于使tsv24的导电塞30与邻近的tsv绝缘。衬垫34可以由例如sio2或sin形成，而导电塞30可以由金属形成，例如cu、镀au的cu、cu/al、镀au的cu/a1、ag和镀au的ag、或掺杂的多晶硅。

已经在第一衬底12中形成一个或多个tsv24之后，可以将绝缘层36置于第一衬底12的顶部，如图4所示。绝缘层36可以由例如sio2或sin形成。

接着可以将作为传感器14的碳纳米管沉积在第一衬底14上，如上所述。形成tsv之后在第一衬底14上沉积碳纳米管14有利地消除了由于形成tsv对碳纳米管的任何可能的损坏。如果在碳纳米管沉积之后形成tsv，则用于形成tsv的高温和/或等离子体处理可能会损坏碳纳米管。

如上所述并在图1、2和4中所看到，在第一衬底12的顶部和传感器14上形成接触垫28。如上所述，并且在图5中所看到，可以通过在接触垫28上设置延伸部40来增加接触垫28的表面积，增加接触垫28的表面积并由此增加传感器14的电导率。

如果第一衬底12已经形成为具有多个传感器14以及相关联的接触垫28和tsv24，则可以将第一衬底12切成多个第一衬底12，每个第一衬底可以包含传感器14的阵列，如图5所看到的。在此示出的实施例中，多个第一衬底12中的每一个包含传感器14的3×2阵列。

然后，通过将tsv24连接到可以是pcb的第二衬底18，将第一衬底12连接到第二衬底18。在tsv24将接触到第二衬底18的位置处将焊料凸块26、焊膏或其它导电材料形式的焊料应用到第二衬底18。接着将第一衬底12安置在第二衬底18的第一表面16上，并且将感测装置10加热到焊料凸块26将流动的点，从而将tsv24连接到第二衬底18上的合适的接触点。

然后可以将密封剂29置于第一衬底12与第二衬底18之间的界面处的感测装置10上，如图2所示。密封剂29可以由例如环氧树脂、塑料或硅树脂形成。可以例如通过注塑成型、印刷以及微量移液管分散将密封剂29沉积在感测装置10上。

运用从本公开获得的知识，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可对所公开的设备和方法进行各种改变以获得这些和其它优点。因而，应理解，本文中所描述的特征易于被修改、更改、改变或替代。例如，明确地旨在以基本相同的方式执行基本相同的功能以实现相同的结果的那些元件和/或步骤的所有组合均在本发明的范围内。从一个描述的实施例到另一个实施例的元件替换也是完全预期和考虑的。本文中说明并描述的特定实施例仅出于说明性目的，而不限制如所附权利要求书中阐述的本发明。其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。应理解，前述描述仅是为了清晰起见而提供，并且仅仅是示范性的。本发明的精神和范围不限于以上实例，而是由所附权利要求书涵盖。上文所引用的所有公开和专利申请出于所有目的而以相同程度以全文引用的方式并入本文中，其引用程度如同每篇个别公开或专利申请被具体地且个别地指明以如此引用的方式并入一般。