CN101147056A - 电导率传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种接触型电导率传感器(40，68)包括设置在基片(20，50)的远端表面(24，54)上的多个电极(30，66)。基片(20)包括多个通孔(22，52)，通过该多个通孔(22，52)实现与电极(30，66)的电互连。电导率传感器(40，68)可采用两个或四个电极(30，66)，并且可具有设置在远端表面(24，54)上的温度检测元件(80)。电极(30，66)可图案化或否则使用半导体处理技术的沉积化。

Description

电导率传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电导率传感器及其制造方法。

背景技术

在本领域中电导率测量传感器是公知的，并用于测量例如液体或在液体中悬浮的扩散固体等流体的电导率(conductivity)。电导率传感器常用于研究溶液中的电解质的特性，例如分解度、化学成分的形成、和水解等特性。流体的电导率还被用于测量广泛的其它不同参数，例如饮用水中的污染物的量和工业过程中化学浓度的测量等。在许多物理环境中，这些应用会带来电导率的恶化。

电导率的单位是Siemens/cm，其与较老的单位mhos/cm等同。电导率测量覆盖从小于lx10^-7S/cm的纯净水到数值超过1S/cm的浓缩溶液的广大范围的溶液电导率。

一种电导率测量技术包括用导电性电极接触溶液。例如，一种接触导电率测量技术采用一种具有两个与电解溶液接触的金属或石墨电极的传感器。通过电导率分析器，交流电(alternating current，AC)电压被施加到电极，导致在电极之间流通的AC电流被用于确定电导系数(conductance)。接触型电导率传感器通常采用两个或有时四个接触电极，这些电极与样品溶液物理地接触。在四个电极的接触传感器中，四个电极暴露于样品溶液，并且电流通过一对电极。然后，测量另一对电极之间的电压变化。根据电流和电压，计算液体的电导率。传统上，通过将导电棒(由不锈钢、钛、石墨等制成)插入塑料管中、然后沿导电棒的长度用环氧化物密封这些导电棒，从而制造具有两个或四个电极的传感器等接触型电导率传感器。然后，塑料管的一端的横截面被用于将电极暴露到样品溶液。图1A是对应于现有技术的四个电极的接触型电导率传感器10的示意图。传感器10连接到适当的电导率分析器12。传感器10的远端14将导电棒18的远端16暴露于靠近远端14设置的样品溶液。图1B是显示导电棒18的远端16的传感器10的仰视图。

近来，通过使用半导体等平面制造技术来制造例如两个或四个电极的电导率传感等接触型电导率传感器。通过薄/厚膜技术等适当的处理技术将电极沉积在无源硅片(passivated silicon wafer)上。利用这种半导体处理技术制造的电导率传感器能够被大规模制造，导致这种传感器的尺寸减小、成本降低。然而，半导体基电导率传感器的尺寸的减小产生了其它制造困难。利用低成本半导体基制造技术的半导体基接触型电导率传感器设计对该技术领域具有进一步的好处。

发明内容

一种接触型电导率传感器，包括设置在基片的远端表面(distalsurface)上的多个电极。基片包括多个通孔，通过该多个通孔实现了与电极的电互连(electrical interconnection)。电导率传感器能采用两个或四个电极，并且可具有设置在远端表面上的温度检测元件。电极可被图案化或否则使用半导体处理技术来沉积。

附图说明

图1A是对应于现有技术的四个电极的接触电导率检测系统的示意图；

图1B是四个电极的接触型电导率传感器的仰视图；

图2A是本发明的具有特定优点的实施例的基片的立体图；

图2B是图2A所示的基片的剖视图；

图2C是对应于本发明实施例的、具有多个填充有金属的通孔的基片的剖视图；

图2D是对应于本发明实施例的、具有在金属填充的通孔上沉积的电极的图2C所示的传感器的剖视图；

图2E是在制造的中间阶段期间对应于本发明实施例的电导率传感器的剖视图；

图2F是对应于本发明实施例的接触型电导率传感器的示意图；

图3A是本发明的具有优点的实施例的基片的立体图；

图3B是图3A所示的、显示通孔的基片的剖视图；

图3C是在制造的中间阶段期间电导率传感器的剖视图；

图3D是在制造的中间阶段期间电导率传感器的剖视图；

图3E是对应于本发明实施例的接触型电导率传感器的剖视图；

图4A是对应于本发明实施例的电导率传感器的仰视图；

图4B是对应于本发明实施例的四个电极的接触电导率传感器的仰视图；

图4C是对应于本发明实施例的接触型电导率传感器的仰视图。

具体实施方式

图2A是本发明的实施例的特别有用的基片的立体图。基片20表示成圆盘的形式，但是可采用任何适当的形式。然而，通常为了便于半导体处理技术和制造方法，基片20相对地平坦和薄。基片20可由适于半导体处理技术和制造方法的任何材料形成。例如，基片20可由适当的陶瓷、玻璃或它们的组合物形成。与金属导体相比，基片20基本上是非导电的和无机的。基片20材料的适当例子包括硅、氧化锆(zirconium oxide)、氧化铝、耐热玻璃或任何其它适用材料。根据本发明的实施例，基片20包括一些通孔或孔22。每个通孔22从流体接触的远端表面24延伸到内部的近处表面26。

图2B是基片20的剖视图。图2B显示从远端的、样品接触表面24延伸到近处表面26的的孔或通孔22。可利用任何适当的技术来形成通孔22，包括湿法蚀刻和/或干法蚀刻等半导体处理技术，例如电抗铁蚀刻(reactive ion etching，RIE)。此外，能够使用机械/激光打孔等其它适当的技术来产生通孔。

图2C是基片20的剖视图，其中通孔22被填充有导电金属。每个通孔22至少部分地被填充有导电金属28，导电金属28从表面24到表面26延伸通过通孔的整个长度。通过使用形成密封的适当技术，导电金属28被直接结合到通孔22的内部直径表面(diameter surface)。在一个示例中，可使用电子束真空沉积(electron-beam vacuum deposition)来沉积金属。然而，也可使用将材料转印到半导体材料上的其它半导体处理，例如物理蒸镀(physical vapor deposition，PVD)、电化学沉积(electrochemicaldeposition，ECD)、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)和原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)。尽管图2C显示通孔22被金属28完全地填充，但是，可以想到的是可使靠近通孔的内部直径的通孔的一部分填充有金属，其余部分(金属的内部直径)可稍后用任何适当的无机密封材料来填充。因此，通过22中的金属28的沉积产生了在远端表面24和近处表面26之间延伸的金属化通孔，因而在两个表面之间沿通孔产生电通路。金属化通孔可具有完全地填充通孔的金属28，或仅部分地填充通孔的金属28，只要金属28从表面24延伸到表面26。如果金属28部分地填充通孔22，那么玻璃粉等适当的密封剂可用于在通孔22中产生最终的密封。

图2D是基片20的示意图，基片20具有沉积在近处的并与金属28接触的电极30。电极30可由任何适当的化学防腐的导体形成。这种适当的材料包括铂和金，但不限于此。由于具有金属28的沉积，通过使用任何适当的薄或厚膜技术可实现电极30的沉积。例子包括物理蒸镀、电化学沉积、分子束外延和原子层沉积等适当的沉积处理。此外，可简单地以薄片形式提供电极材料，然后选择性地去除以便产生电极。适当的半导体去除处理包括湿法蚀刻或干法蚀刻等蚀刻处理。

图2E显示基片20，该基片20具有沉积在近处的并与通孔22中的金属28接触的电极30。此外，图2E显示在近处表面26或靠近近处表面26处电连接到金属28的近端的金属过渡层(metal transition layer)32。过渡层32便于随后的插脚或电线等电连接器的连接。选择的用于过渡层32的材料可以与金属28、和/或随后要被连接的插脚或导体相同。此外，过渡层32也可是能够有效地连接到金属28和互连的任何适当的合金，或金属的组合物。

图2F是对应于本发明实施例的半导体基接触型电导率传感器的剖视图。传感器40包括基片20，基片20具有被导电金属28填充的多个通孔22。传感器40包括电极30，电极30靠近基片20的远端表面24沉积，电极30适用于使得电流通过溶液以便测量溶液的电导率。插脚34电连接到过渡层32。插脚34因此电连接到电极30。传感器40的设计提供一种无机电导率传感器，其中远端表面与近处表面26之间密封，优选的是，与样品溶液接触的每个电极相对于传感器40具有所公开的电互连(electrical interconnect)。而且，其它电气特征，例如测量样品溶液的温度的温度传感器同样优选地通过被金属填充的基片20的通孔而电互连。

图3A是基片50的立体图，基片50具有从远端表面54延伸到近处表面56的通孔52。图3B是基片50的剖视图。图3A和3B显示的基片与图2A和2B所示基片20基本等同，事实上，它们可以相同。然而，为了更好地说明其它实施例，基片用参考数字50表示。图3C显示具有多个过渡环58的基片50，过渡环58在远端表面54上围绕通孔52设置。优选地，过渡环58呈圆环形，并具有与通孔52的内部直径大致相同的内部直径。每个过渡环58的外周的形状可变化。

图3D显示延伸通过通孔52的多个插脚60，插脚60具有与过渡环58接触的插头64的表面62。在插脚64和过渡环58之间产生铜焊或焊接等适当的电连接，不仅在插脚64和过渡环58之间产生电连接，而且还在远端表面54和近处表面56之间形成密封。一旦插脚60适当地连接到基片50上，电极66被沉积在其上并电连接到插脚60。电极66能够以任何适当形状形成。

图3E显示具有多个插脚60的半导体基接触型电导率传感器68，多个插脚60延伸通过基片52并在电极66和连接到插脚60的电路之间产生电连接。在接触型半导体基传感器的远端表面上的电极的实际形状和构造可显著地变化。图4A显示一种第一对电极70邻近第二对电极72设置的布置。图4B还显示另一种示意性的电极构造。第一对电极74大致围绕第二对电极76设置。与两个电极的电导率传感器相比，在四个电极的电导率传感器中多对电极的使用具有一些优点。然而，请注意，本发明的实施例同样可应用于两个电极的传感器和四个电极的传感器。此外，与样品溶液接触的电极的沉积和/或构造用的半导体处理技术的应用允许显著地改进电极图和形状。例如，图4B显著地具有比图4A更高的几何复杂性，从图4A的仰视图看，图4A与现有技术的四个电极的传感器相似。

所公知的是许多溶液的电导率实际上是随溶液温度变化的。因此，一些电导率传感器包括温度传感器以便表示样品溶液的温度。对应于本发明的另一实施例，在电导率的远端表面或近处表面上设置有温度检测元件80。元件80能够由具有电特性的电阻等任何材料构成，这些材料随温度变化，并可采用沉积等半导体处理技术。一个特定的适当金属是铂。进一步地，优选地，也使用如上所述的金属填充的通孔来实现与传感器的远端表面上的温度检测元件的电互连。

基片可额外地安装在舱或棒中以便完成传感器装配，或者基片可嵌入或附接到任何其它适当壳体。而且，半导体处理技术的使用允许将潜在地要定位在同一基片上的各种其它器件作为用于半导体传感器的器件。因此，可适当地包括额外的传感器和/或电子器件。

尽管已经参考优选实施例说明了本发明，但是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行形式上和细节上的变化，这对本领域的熟练技术人员而言是显而易见的。

Claims (19)

1.一种流体电导率传感器，包括：

无机基片，其具有远端的、流体接触表面和近处表面，基片限定从远端表面延伸到流体接触表面的多个通孔，其中每个通孔包含从远端表面延伸到近处表面的金属；

多个电极，其设置在远端表面上；和

多个电互连，其延伸超过近处表面，其中每个电互连通过相应的通孔电连接到电极。

2.根据权利要求1的电导率传感器，其中基片由从硅、氧化铝、氧化锆和玻璃构成的组中选择出的材料构造成。

3.根据权利要求1的电导率传感器，其中每个电极是金。

4.根据权利要求1的电导率传感器，其中还包括温度传感器。

5.根据权利要求4的电导率传感器，其中温度传感器包括设置在远端表面和近处表面中的一个上的温度检测元件，并且其中温度检测元件通过基片中的金属化通孔电连接到多个电互连。

6.根据权利要求1的电导率传感器，其中电导率传感器包括四个电极和至少四个金属化通孔。

7.根据权利要求1的电导率传感器，其中多个电极被图案化在远端表面上。

8.根据权利要求7的电导率传感器，其中多个电极中的每个延伸超过相应的通孔的外部直径。

9.根据权利要求1的电导率传感器，其中金属被直接结合到基片上。

10.根据权利要求9的电导率传感器，其中所述结合是无机结合。

11.根据权利要求1的电导率传感器，其中每个电互连是插脚形式的。

12.根据权利要求11的电导率传感器，其中还包括过渡材料，该过渡材料连接到邻近近处表面的每个金属化的通孔，和其中每个插脚连接到过渡材料。

13.一种流体电导率传感器，包括：

无机基片，其具有远端的、流体接触表面和近处表面，基片限定从远端表面延伸到流体接触表面的多个通孔；

多个电极，其设置在远端表面上；和

多个电互连，每个电互连通过相应的通孔连接到相应的电极。

14.根据权利要求13的电导率传感器，其中还包括多个过渡环，多个过渡环围绕靠近远端表面的每个通孔设置，并且其中每个电互连连接到相应的过渡环。

15.根据权利要求14的电导率传感器，其中每个电互连是插脚。

16.根据权利要求15的电导率传感器，其中每个插脚通过铜焊连接到相应的过渡环。

17.根据权利要求15的电导率传感器，其中每个插脚通过焊接连接到相应的过渡环。

18.一种构成接触型电导率传感器的方法，该方法包括步骤：

提供具有远端表面和近处表面的基片；

产生从远端表面到近处表面通过基片的多个通孔；

在从远端表面延伸到近处表面的每个通孔中沉积导电金属；

在远端表面上产生多个电极，其中每个电极电连接到相应的金属化通孔；和

将电互连连接到每个金属化通孔。

19.根据权利要求18的方法，其中产生多个电极的步骤包括采用至少一种半导体处理技术。

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