專利名稱：：光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)的制作方法光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：本發(fā)明的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體光電效應(yīng)，光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的工作原理，電化學(xué)測(cè)試技術(shù)。1、工作原理簡(jiǎn)介光電型生化量半導(dǎo)體傳感器是一種以半導(dǎo)體器件光電轉(zhuǎn)換機(jī)制為基礎(chǔ)的生化敏感器件。被測(cè)生化響應(yīng)過程通過對(duì)半導(dǎo)體表面(或體內(nèi))空間電荷區(qū)電場(chǎng)的調(diào)制，與光電轉(zhuǎn)換機(jī)制相耦合，從而使輸出信號(hào)與被測(cè)生化量相關(guān)。首先，光電轉(zhuǎn)換機(jī)制是指半導(dǎo)體材料在特定光源照射下，產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)；擴(kuò)散至空間電荷區(qū)的光生電子空穴對(duì)，受該區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)的作用，在空間電荷區(qū)兩側(cè)累積，形成對(duì)空間電荷區(qū)的充電效應(yīng)；當(dāng)光照停止時(shí)，積累在空間電荷區(qū)的光生空穴/電子，通過復(fù)合等方式被空間電荷區(qū)釋放，形成放電效應(yīng)。當(dāng)用光強(qiáng)被調(diào)制的交變光源照射半導(dǎo)體器件時(shí)，將形成交變的輸出信號(hào)，稱之光電流或光電壓。在光源等其它條件都不變的情況下，該信號(hào)由空間電荷區(qū)電場(chǎng)決定。其次，空間電荷區(qū)主要有表面和體內(nèi)兩種，表面空間電荷區(qū)主要存在于具有“絕緣層-半導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)的器件之中，例體內(nèi)如光尋址電位傳感器(LightAddressablePotensiometricSensor,LAPS)[1]；體內(nèi)空間電荷區(qū)主要存在于PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)等結(jié)構(gòu)中，例如基于埋溝電荷耦合器件(BCXD)的光激發(fā)場(chǎng)尋址半導(dǎo)體傳感器[2]、以及近期出現(xiàn)的基于CdSe/ZnS納米顆粒的pH傳感器[3]?？臻g電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與器件的材料、外加偏置電壓、傳感器敏感區(qū)域的表面電荷量有關(guān)。最后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)生化量的測(cè)量，特定的生化量敏感膜固定于空間電荷區(qū)的某一側(cè)，敏感膜與被測(cè)生化量反應(yīng)前后，將產(chǎn)生表面電荷量或電勢(shì)的變化，在外加偏置電壓一定的情況下，形成對(duì)空間電荷區(qū)電場(chǎng)的調(diào)制；在光源也一定的情況下，反應(yīng)前后空間電荷區(qū)電場(chǎng)的變化，將引起輸出信號(hào)的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生化量的測(cè)量。2、常用測(cè)試系統(tǒng)圖1為光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的常用二電極或三電極測(cè)試體系，包括參比電極1、光電型生化量半導(dǎo)體傳感器芯片2(又稱工作電極，或研究電極)、輔助電極3(又稱對(duì)電極)，該電極體系與測(cè)控設(shè)備4構(gòu)成檢測(cè)回路，光源5可從工作電極2的正面(與被測(cè)溶液6的接觸面)或背面兩個(gè)方向照射。常用的工作方式有恒壓模式或恒流模式[4’5]，近期又出現(xiàn)了恒相位模式[6]。其中參比電極1為測(cè)量提供穩(wěn)定的偏置電壓，需具有穩(wěn)定的、已知的電極電位，常采用Ag/Agcl電極、甘汞電極等；輔助電極3用來通過電流，應(yīng)具有較大的表面積，常采用鉬黑電極，對(duì)于二電極體系，可不使用。恒電壓模式是指，保持參比電極1的電位保持不變，測(cè)量傳感器芯片2的光電流變化；恒電流模式是指，保持傳感器芯片2的光電流保持不變，測(cè)量參比電極1的電位變化；恒相位模式是指，保持光電流與光源5之間的相位差保持不變，測(cè)量參比電極1的電位變化。從現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道來看，無論那種工作方式，傳感器芯片2、參比電極1、輔助電極3(對(duì)于二電極體系，可不使用)、光源5、被測(cè)溶液6所構(gòu)成的測(cè)試電極體系7基本保持不變。3、本發(fā)明的提出以LAPS為代表的光電型生化量半導(dǎo)體傳感器，在PH值圖像傳感M、細(xì)胞監(jiān)測(cè)/檢測(cè)[7’8]，電子鼻[9]、電子舌_等領(lǐng)域中的研究，顯示出此類器件在生化及其相關(guān)領(lǐng)域中具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。但作為半導(dǎo)體器件，此類敏感器件與基于金屬絲或細(xì)金屬棒的傳統(tǒng)電化學(xué)電極不同，為將其納入液態(tài)環(huán)境中的電極體系，同時(shí)又要滿足光照、以及傳感器正常電氣連接的要求，器件的封裝設(shè)計(jì)是將光電型生化量半導(dǎo)體傳感器推向市場(chǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，有關(guān)于光電型生化量半導(dǎo)體傳感器封裝設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)或?qū)＠缦?)"LAPSCard^-Anovelchipcard-basedlight-addressablepotentiometricsensor,SensorsandActuatorsB118:33(2006)2)BIOSENSORANDBIOSENSORMEASURINGDEVICEANDMETHOD，國(guó)際公幵號(hào)W02005/075979A13)“Al1-in-one，，solid-statedevicebasedonalight-addressablepotentiometricsensorplatform，SensorsandActuators，B117:472(2006)4)Developmentofahandheld16channelpen-typeLAPSforelectrochemicalsensing，SensorsandActuators，B108:808-814(2005)5)Portablelight-addressablepotentiometricsensor(LAPS)formultisensorapplications[J].SensorsandActuators，B95:352(2003)其中，1)、2)為卡片式封裝結(jié)構(gòu)，3)、4)、5)為筆式封裝結(jié)構(gòu)。筆式封裝，具有便攜的優(yōu)點(diǎn)，但光源及部分測(cè)控電路被固定于封裝體內(nèi)，整體體積較大，且只能采用背面照射的方式；使用時(shí)需要將其插入被測(cè)溶液中，適用于被測(cè)溶液量較多的情況。卡片式封裝結(jié)構(gòu)中，只考慮了作為工作電極的半導(dǎo)體傳感器芯片2，未涉及測(cè)試電極體系7中的其它部分。為滿足光電型生化量半導(dǎo)體傳感器不同工作方式、光照方式、多種測(cè)量環(huán)境的要求，提出了光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)，這一發(fā)明專利。
發(fā)明內(nèi)容光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)，屬于半導(dǎo)體生化傳感器中器件封裝領(lǐng)域。本發(fā)明以機(jī)械加工、電路板制作、以及注塑工藝為技術(shù)基礎(chǔ)，提出了可滿足光電型生化量傳感器對(duì)光照、電氣連接、液態(tài)環(huán)境工作三方面要求的封裝設(shè)計(jì)。光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)，包括芯片基座、電路板、儲(chǔ)液裝置，緊固套環(huán)四部分，依次為傳感器芯片插接器、導(dǎo)電通孔、中部平臺(tái)、電極固定穿孔、可延展支架、電路板、背面/正面光源插孔，光通道、進(jìn)液/出液通孔、儲(chǔ)液腔、緊固套環(huán)卡、接觸窗口，其特征是電路板與芯片基座的中部平臺(tái)底面絕緣粘接，電路板的粘接方式為排線插接器及單孔插接器均開孔方向朝下，每個(gè)導(dǎo)電通孔的兩端均分別與傳感器芯片插接器和電路板內(nèi)的Cu布線層電氣相連，光通道貫穿于芯片基座，上端開口于敏感探頭，下端與背面光源插孔相連，中部平臺(tái)是芯片基座的凸出部分，可延展支架設(shè)置于中部平臺(tái)側(cè)面，延展方式為抽拉式，分別在芯片基座的中部平臺(tái)和儲(chǔ)液裝置上部各設(shè)置兩個(gè)電極固定穿孔，緊固套環(huán)可由儲(chǔ)液裝置的上部套入，并與儲(chǔ)液裝置底部的緊固套環(huán)卡掛接，緊固套環(huán)的下端內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)壁螺紋，芯片基座的敏感探頭的外壁設(shè)有外壁螺紋，二者可以螺紋方式連接。圖2、圖3、圖4、圖5為本發(fā)明提出的光電型生化量半導(dǎo)體傳感器的封裝設(shè)計(jì)。利用敏感探頭9內(nèi)部的導(dǎo)電通孔，將傳感器芯片2的電信號(hào)轉(zhuǎn)移至中部平臺(tái)14底部，使其遠(yuǎn)離被測(cè)液態(tài)環(huán)境；分別在芯片基座底部和儲(chǔ)液裝置的頂部，設(shè)置了背面光源插孔16-B、正面光源插孔16-F，滿足背面光照和正面光照的要求。下面將從電氣連接、光照方式、封裝體形狀等方面，對(duì)本發(fā)明設(shè)計(jì)進(jìn)行說明1)為保證測(cè)試電極體系與外部測(cè)控設(shè)備間的正常電氣連接，需對(duì)電極及相關(guān)引線進(jìn)行布局。首先，半導(dǎo)體傳感器通常具有多個(gè)敏感單元，因此傳感器芯片2通常具有多個(gè)引腳，若采用傳統(tǒng)電化學(xué)電極中普通導(dǎo)線的連接方式，容易產(chǎn)生較大的噪聲、信號(hào)干擾或衰減，也不便于操作。為此本發(fā)明設(shè)計(jì)利用現(xiàn)代電路板制作技術(shù)，在敏感探頭9的上表面設(shè)置了傳感器芯片插接器10，其布局和數(shù)量可根據(jù)傳感器芯片2的引腳規(guī)格靈活設(shè)計(jì)，傳感器芯片插接器10底部均與導(dǎo)電通孔11電氣相連。其次，中部平臺(tái)14的下表面與電路板33背面絕緣粘結(jié)，電路板33由電路板基板18、單孔插接器19、Cu布線層20、排線插接器21、焊接孔34、背面光源插孔的預(yù)留穿孔16_1構(gòu)成。其中，焊接孔34的焊點(diǎn)、排線插接器21和單孔插接器19均設(shè)在電路板的正面，焊接孔34實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電通孔11與Cu布線層20電氣相連，每個(gè)單孔插接器19、排線插接器21也均與Cu布線層20電氣相連。排線插接器21中孔的數(shù)量，可根據(jù)實(shí)際情況確定。最后，傳感器芯片2插接在傳感器芯片插接器10上，參比電極1、輔助電極3的外接端子插接在單孔插接器9上，柔性排線31—端插接在排線插接器21上，另一端與測(cè)控設(shè)備4的電氣連接。2)分別在芯片基座8下部和儲(chǔ)液裝置30頂部，設(shè)有光源固定位置背面光源插孔16-B、正面光源插孔16-F。(外壁螺紋17用于光源5的緊固)。芯片基座8內(nèi)部還設(shè)計(jì)了光通道12，光通道12上端開口于敏感探頭9，下端與背面光源插孔16-B連通。光通道的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)傳感器芯片2的要求，靈活設(shè)計(jì)。如只需一個(gè)光源，則光通道16可設(shè)計(jì)為一個(gè)單一通道；如需要光源陣列，則光通道16可設(shè)計(jì)為陣列形式；如需要對(duì)光源進(jìn)行聚焦，或?qū)Ⅻc(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為平行光束，還可在光通道內(nèi)設(shè)置光學(xué)元件；等等。3)儲(chǔ)液裝置30與芯片基座8的連接儲(chǔ)液裝置30下部設(shè)有接觸窗口25，其內(nèi)徑由傳感器芯片2決定，敏感探頭9與接觸窗口25對(duì)準(zhǔn)，且其間設(shè)有彈性密封膠圈26，以緊固套環(huán)28加固。緊固套環(huán)28的上部?jī)?nèi)徑應(yīng)大于儲(chǔ)液裝置30上部圓柱的外徑，且小于儲(chǔ)液裝置30底部套環(huán)卡24外徑，緊固套環(huán)28下部?jī)?nèi)徑大于儲(chǔ)液裝置30底部套環(huán)卡24外徑，且等于敏感探頭9外徑。緊固套環(huán)28由儲(chǔ)液裝置30上部套入后，二者掛接；緊固套環(huán)28下部?jī)?nèi)壁設(shè)有內(nèi)壁螺紋29可與敏感探頭9下部的外壁螺紋17以螺紋方式連接；在螺紋咬合、旋轉(zhuǎn)過程中，彈性密封膠圈26逐步壓緊、壓實(shí)，起到了防止儲(chǔ)液腔22中液體流出的作用。4)芯片基座9具有凸出的平臺(tái)——中部平臺(tái)14，中部平臺(tái)14設(shè)有抽拉式可延展支架15，可為測(cè)試系統(tǒng)提供有效的支撐，避免當(dāng)敏感探頭9插入被測(cè)溶液時(shí)，液態(tài)測(cè)量環(huán)境對(duì)中部平臺(tái)14下表面的電氣連接部分造成影響。5)電極的機(jī)械固定，中部平臺(tái)14、儲(chǔ)液裝置30頂部，分別設(shè)有電極固定穿孔13-1、13-2，用于參比電極1、輔助電極3的機(jī)械固定。6)芯片基座8的制備，導(dǎo)電通孔11具有很高的深寬比，一般通孔填充技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，為此以注塑工藝、電路板制作和機(jī)械加工為技術(shù)基礎(chǔ)，為芯片基座8提供如下制備方案第一步，采用注塑工藝制作帶有導(dǎo)電通孔11、光通道12的芯片基座毛坯32；第二步，按照芯片基座8的設(shè)計(jì)對(duì)芯片基座毛坯32進(jìn)行機(jī)械加工，與此同時(shí)，制作電路板33；第三步，將背面光源插孔16-B從電路板33的背面光源插孔的預(yù)留穿孔16_1中穿過，導(dǎo)電通孔11穿過焊接孔34并焊接在焊點(diǎn)上，將中部平臺(tái)14底部與電路板33背面絕緣粘結(jié)。7)材料及元配件的選擇芯片基座8、儲(chǔ)液裝置30的主體材料應(yīng)選擇絕緣、防潮、避光、惰性強(qiáng)、且易于加工成形的材料，如聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂等；傳感器芯片插接器10、排線插接器21、柔性排線31等電氣連接器件，應(yīng)選擇具有抗電磁干擾性能的元件；彈性密封膠圈26，應(yīng)選擇彈性好、惰性強(qiáng)、絕緣、防潮類材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1)傳感器芯片、參比電極、輔助電極的電氣連接，以及光照通路，被集成于本發(fā)明所提出的封裝體內(nèi)，構(gòu)成光電型生化量半導(dǎo)體傳感器所需測(cè)試電極體系，所需電路圖形采用印制技術(shù)制作在芯片基座底部下表面，利用凸出的中部平臺(tái)和可延展支架，在電氣連接的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與被測(cè)液態(tài)環(huán)境的隔離；最后，采用柔性排線連接方式，實(shí)現(xiàn)電極體系內(nèi)控制信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)與測(cè)控設(shè)備的連接，有利于提高信號(hào)傳輸能力、減少噪聲、提高抗干擾性能。2)本發(fā)明所提出的封裝設(shè)計(jì)，可滿足正面和背面兩種光照方式。對(duì)比卡式LAPS和筆式LAPS，前者還需其它裝置才能正常使用，后者則只能滿足背面光照的要求。本發(fā)明所提出的設(shè)計(jì)方案不僅解決了光照方式、電氣連接等的問題，而且具有較好的獨(dú)立性。3)傳感器芯片、參比電極、輔助電極、以及光源，采用插接、螺紋緊固的方式與封裝體相連，這不同于筆式LAPS。優(yōu)點(diǎn)在于，可靈活地更換器件、改變光照方式和使用方法，封裝體也可反復(fù)多次使用，有利于降低成本。圖1為光電型生化量半導(dǎo)體傳感器測(cè)試系統(tǒng)。圖2為芯片基座整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為中部平臺(tái)底面的電路板示意圖。圖4為儲(chǔ)液裝置結(jié)構(gòu)及彈性密封膠圈示意圖。圖5為緊固套環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為使用方法一示意圖。圖7為使用方法二示意圖。圖8為芯片基座毛坯示意圖。其中1參比電極；2工作電極；3輔助電極；4測(cè)控設(shè)備；5光源；6被測(cè)溶液；7測(cè)試電極體系；8芯片基座；9敏感探頭；10傳感器芯片插接器；11導(dǎo)電通孔；12光通道；13-1芯片基座上的電極固定穿孔；13-2儲(chǔ)液裝置上的電極固定穿孔；14中部平臺(tái)；15可延展支架；16-B背面光源插孔；16-F正面光源插孔；16-1背面光源插孔的預(yù)留穿孔；17外壁螺紋；18電路板基板；19單孔插接器；20=Cu布線層；21排線插接器；22儲(chǔ)液腔；23進(jìn)液通孔；24套環(huán)卡；25接觸窗口；26彈性密封膠圈；27出液通孔；28緊固套環(huán)；29內(nèi)壁螺紋；30儲(chǔ)液裝置；31柔性排線；32芯片基座毛坯；33電路板；34焊接孔。具體實(shí)施方式實(shí)施例1為本封裝設(shè)計(jì)提供兩種使用方法使用方法一被測(cè)溶液量充足時(shí)，可單獨(dú)使用芯片基座8。將傳感器芯片2插接在敏感探頭9表面的傳感器芯片插接器10內(nèi)，并使用環(huán)氧樹脂類防水、絕緣材料填充縫隙，參比電極1、輔助電極3固定在芯片基座上的電極固定穿孔13-1內(nèi)、光源5固定在背面光源插孔16-B內(nèi)，最后將組裝好的芯片基座8倒置在被測(cè)溶液6中。使用方法二被測(cè)溶液量較少時(shí)，可將芯片基座8、儲(chǔ)液裝置30組裝使用。首先將將傳感器芯片2插接在敏感探頭9表面的傳感器芯片插接器10內(nèi)，并使用環(huán)氧樹脂類防水、絕緣材料填充縫隙；然后利用緊固套環(huán)28將芯片基座8與儲(chǔ)液裝置30、彈性密封膠圈26，形成密閉的測(cè)試環(huán)境；參比電極1、輔助電極3固定在儲(chǔ)液裝置上的電極固定穿孔13-2內(nèi)；光源5既可固定在正面光源插孔16-F內(nèi)，也可固定在背面光源插孔16-B內(nèi)。參考文獻(xiàn)[1]D.G.Hafeman,J.W.Parce,H.Μ.Mcconnel1.Lightaddressablepotentionmetricse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