集成式化學傳感器芯片的制作方法
【專利說明】集成式化學傳感器芯片發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種集成式化學傳感器芯片，尤其是一種氣體傳感器芯片，并且涉及一種用于采用集成式化學傳感器芯片進行測量的方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]金屬氧化物化學傳感器是基于如下概念:氣態(tài)分析物與金屬氧化物敏感層在敏感層的升高溫度下發(fā)生反應(yīng)，該溫度處于大于100°攝氏度的范圍內(nèi)，并且尤其是處于250°攝氏度和350°攝氏度之間。作為催化反應(yīng)的結(jié)果，敏感層的電導率可能改變，這種改變可以被測量。因此，由于分析物的化學性質(zhì)在敏感層的高溫下被轉(zhuǎn)換為電阻，這種化學傳感器也被指示為高溫化學電阻器。
[0004]化學傳感器可以是氣體傳感器，用于檢測氣體中的一種或多種物質(zhì)，并且尤其是圍繞諸如可移動電話或平板計算機之類的便攜式多用途電子設(shè)備的空氣中的物質(zhì)。因此，在可能感興趣進行鑒別的樣品應(yīng)用中，如果這種空氣可能包含分析物，則化學傳感器被調(diào)諧以進行檢測。具體的應(yīng)用可以包括有毒氣體的檢測、乙醇、硫化物或使用者呼吸中的其它組分的檢測，或者其它物質(zhì)的檢測。
[0005]同樣已知的是將這種化學傳感器設(shè)置在便攜式電子設(shè)備例如諸如移動電話的殼體內(nèi)。在殼體中可以設(shè)置一個用于將化學傳感器暴露到待分析流體的開口。
[0006]被視為特殊問題的是使這種便攜式電子設(shè)備的多任務(wù)CPU適用于化學傳感器的特定控制需求?？赡芊浅＠щy的是為CPU提供指令以維持化學傳感器的操作的控制的同時，該同一 CPU被分配任務(wù)以控制核心功能，諸如數(shù)據(jù)和語音通信。準備用于測量的化學傳感器以及實際測量所需的步驟典型地以幾秒鐘的時間量程發(fā)生。然而，便攜式電子設(shè)備中的處理單元經(jīng)常不適合于維持過程控制超過一秒鐘的持續(xù)時間。
[0007]根據(jù)以上內(nèi)容，因此被視為本發(fā)明的一個目的的是改進化學傳感器以及用于操作化學傳感器的方法，所述化學傳感器尤其適合于安裝到便攜式多用途電子設(shè)備的殼體內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種集成式化學傳感器芯片，包括公共基片上的或者集成在公共基片內(nèi)的化學敏感層，用于加熱所述敏感層的加熱器，用于儲存測量例程的存儲器，所述測量例程包括限定隨時間變化的加熱過程的指令以及限定一個或多個測量時間點的指令，用于接收所述測量例程的觸發(fā)并且用于提供所述測量例程的結(jié)果的1/0接口，以及主機(engine)，所述主機用于響應(yīng)于所述測量例程的觸發(fā)、根據(jù)所述測量例程的指令控制所述加熱器并且測量所述敏感層的電阻。
[0009]也被稱為傳感器芯片的所述集成式化學傳感器芯片優(yōu)選地包括半導體基片并且優(yōu)選硅基片，以及其上用于集成電路的層，諸如絕緣層和/或金屬層。也被稱為敏感層的所述化學敏感層，被設(shè)置在所述層或所述基片上或者被集成在所述層或所述基片內(nèi)。注意術(shù)語“設(shè)置在基片上”應(yīng)包括直接設(shè)置在基片的表面上以及間接設(shè)置在基片上，在中間有一個或多個層。所述敏感層對于例如傳感器芯片可能被暴露于其中的氣體中的一種或多種分析物(也被稱為物質(zhì)或化合物)敏感。在一種優(yōu)選的實施例中，所述敏感層包括氣態(tài)分析物在所述敏感層的升高溫度下與之發(fā)生反應(yīng)的金屬氧化物材料，所述升高溫度例如在大于100°攝氏度的范圍內(nèi)，并且尤其是處于250°攝氏度和350°攝氏度之間。作為催化反應(yīng)的結(jié)果，敏感層的電導率可以改變，該變化被測定。所述集成式化學傳感器芯片的應(yīng)用可以包括檢測有毒氣體、乙醇、硫化物或者使用者呼吸中的其它化合物中的一種或多種，或者檢測其它的物質(zhì)。
[0010]為了加熱敏感層，所述傳感器芯片包括加熱器，例如電阻加熱器，當施加電流時，所述加熱器產(chǎn)生熱。所述傳感器芯片還包括集成在芯片上的存儲器，所述芯片上存儲器優(yōu)選地為非易失存儲器，并且優(yōu)選地為至少可一次可編程的存儲器。在存儲器芯片中儲存了測量例程-該測量例程也被稱為分布曲線-包括限定隨時間變化的加熱過程的指令以及限定一個或多個測量時間點的指令。所述測量例程優(yōu)選以宏的形式被儲存在所述存儲器中。主機被設(shè)置在所述傳感器芯片中，用于控制所述加熱器，并且用于根據(jù)所述測量例程的指令測量所述敏感層的電阻。優(yōu)選地，所述主機被硬連線到所述集成式化學傳感器芯片中。而且優(yōu)選地，所述傳感器芯片包括系統(tǒng)控制器，被構(gòu)造成將儲存在存儲器中的所述測量例程的指令復制到所述主機的寄存器中以便執(zhí)行。
[0011]所述化學傳感器芯片的本質(zhì)可以要求隨時間變化的規(guī)定的加熱過程和規(guī)定的測量過程。進行測量典型地遠比限定一個加熱溫度和一個測量時間點復雜得多。當測量到期時，時間點典型地與加熱行為同步。為此優(yōu)選的是，加熱過程和測量時間點由相對于所述測量例程開始的絕對時戳來限定。優(yōu)選地，在測量例程中，用于加熱至一個限定溫度的加熱子過程結(jié)合用于在該特定的加熱子過程期間測量的相關(guān)時間點被編程。因此，分布曲線包括以時間為變量的加熱分布曲線或溫度分布曲線。加熱分布曲線可以指示例如在開環(huán)控制中隨時間要應(yīng)用的加熱功率，而溫度分布曲線可以指示將達到的敏感層的溫度或者敏感層被設(shè)置于其上的薄膜的溫度，其溫度可以由溫度傳感器測定，從而通過將測量的溫度與溫度分布曲線的實際值進行對比，加熱器可以在閉環(huán)中被控制。分布曲線還包括測量分布曲線，該曲線設(shè)定將進行測量的時間點。因此，測量例程依賴于被實時控制，并且可能需要相當長的控制期，例如以一秒或更多秒的數(shù)量級。該控制期服從于涉及的熱過程以及化學過程。導致加熱時間將被控制的熱過程依賴于薄膜的熱時間常數(shù)，加熱器優(yōu)選駐留在薄膜上或薄膜內(nèi)，但也可以受控制加熱功率并且驅(qū)動加熱器的電路影響。進行測量的時間點的定義依次可以由每個時間點通過用于進行測量的電路進行的測量(例如并行測量或連續(xù)測量)次數(shù)來限定，以便重新使用電路，-和/或由噪音要求例如低通濾波以消除噪音來限定。另外，所述測量例程優(yōu)選以非同步的模式被運行，優(yōu)選被中斷控制。
[0012]因此，提出了一種芯片方案，其優(yōu)選地被構(gòu)建為一種非同步的系統(tǒng)，其中主機中的過程引起系統(tǒng)控制器處的中斷。系統(tǒng)控制器-其不是微處理器-接受中斷并且調(diào)用主機中的另一個過程行為。因此，從分布曲線的視角來看是看不到內(nèi)部的過程。另一方面，分布曲線命令和內(nèi)部的芯片行為被同步，而無需外部的微處理器或軟件。
[0013]這依次給出如下優(yōu)勢:
[0014]所述系統(tǒng)被制作成容許處于不同時間常數(shù)的多個過程，即使對于當設(shè)計芯片時不是確切已知的時間常數(shù)，并且容許例如當測量例程以一個或多個宏的形式被編程時甚至不是確切已知的化學時間常數(shù)。這種化學時間常數(shù)，例如以反應(yīng)時間的方式，可以處于100ms至多秒的范圍內(nèi)，而薄膜的熱時間常數(shù)可以處于1ms至20ms的范圍內(nèi)。替代地，傳感器芯片的數(shù)字或模擬部分可以顯示納秒或微秒范圍內(nèi)的時間常數(shù)，例如數(shù)字延遲、RC延遲、時鐘等。
[0015]功率消耗足夠小，從而被芯片上系統(tǒng)控制器和主機調(diào)用的芯片的加熱保持微不足道，并且尤其是不影響芯片上信號處理，不影響薄膜的熱行為，并且不影響薄膜附近的化學反應(yīng)速率。另一方面，化學傳感器芯片的功率消耗小到足以使傳感器芯片適合移動應(yīng)用，并且尤其是適合現(xiàn)代通信設(shè)備，諸如智能電話等，即化學傳感器芯片的占用空間(footprint)。此外，不同的測量例程可以被儲存在存儲器內(nèi)，這使化學傳感器芯片靈活應(yīng)用于不同的使用情形。例如，測量分布曲線可以被儲存，其不同于加熱/溫度分布曲線、時間分辨率或者測量數(shù)中的至少一個。如果僅單個使用情形被實施，并且單個測量例程被儲存在存儲器中，可以減少芯片上存儲器的占用空間，在測量的數(shù)據(jù)量少并且能夠經(jīng)由I/O接口立即傳輸?shù)那闆r下，在無需設(shè)置存儲器以儲存中間測量結(jié)果時，所述占用空間甚至可以進一步減少。
[0016]I/O接口不僅可以被用于提供測量結(jié)果，而且用于接收測量例程的觸發(fā)。因此，當傳感器芯片被連接到例如便攜式電子設(shè)備的處理單元時，并且尤其是連接到非實時操作處理單元時，處理單元能夠經(jīng)由I/o接口觸發(fā)測量例程，并且傳感器芯片經(jīng)由該I/O接口將測量結(jié)果返回到處理