[发明专利]具有集成控制装置的ISFET传感器

说明书

本发明涉及利用带有敏感层的场效应晶体管的传感器来测量液体介质中化学物质的装置领域。

本发明的目的在于提供一种用于测量溶液离子物质的传感器，包括至少一个ISFET晶体管和并联连接的MOSFET晶体管、它们共用的源极和漏极，该结构能够验证干燥环境中传感器的运行良好。本发明的目的还在于提供在这种溶液中测量离子物质的传感器的制造方法，所述方法包括在所述制造期间进行至少一次干燥验证测试。所涉及的离子物质可为存在在溶液中的化合物，或者为具生物来源的化合物的生化反应产物，在该情况下所述ISFET为BioFET。

已知在大规模生产整合有电组件的传感器系列的情况下，相关传感器性能可靠性和再生性的问题是关键性的。产品的成本问题同样是敏感的。更具体地，印刷电路上的组件组装可占传感器总价值的55％到85％。

实施多种技术以控制传感器的良好状态。然而，这些技术全部基于电测试且不适用于ISFET型化学和生物化学传感器的控制，这被用于以液体介质进行操作。

ISFET(即Ion Sensitive Field Effect Transistor，离子敏感场效应晶体管)传感器主要由离子敏感场效应晶体管构成。它是从常规晶体管衍生的，称为MOSFET(Métal Oxyde Silicium Field Effect Transistor，金属氧化物单晶硅场效应晶体管)。在MOSFET中，通过由绝缘层通道分隔的金属电极来实施栅极，通过由参考电极和对要分析电解质中离子物质的呈现敏感膜组成的系统来保证电栅功能，其由绝缘层通道分隔。例如通过溶质接触产生的化学反应，在覆盖ISFET的敏感层的位置处生成变化的电势，和所生成的信号被传送且可被测量、存储、或根据预定用途以另外的方式进行处理。可另外对膜进行功能化，以成为对给定的化学或生物化学物质是敏感的。在该情况下，通过电栅来检测敏感层，敏感层包含的化合物与导致pH值变化的所述化学或生物化学物质反应。将ENFET(Transistor à Effet de Champ Enzymatique，场效应晶体管酶)称为ISFET，ISFET的敏感膜被设置有通过聚合物固定化的酶的层，和更通常地，为BioFET，ISFET的敏感层与生物来源的化合物相反应。术语CHEMFET(化学场效应晶体管)还被用于以通常的方式指示适用于检测所有类型化合物(离子、分子、气体......)的场效应化学传感器。

本发明涉及功能化或未功能化的所有ISFET型组件。

推而广之，将ISFET传感器称为包括至少一个ISFET组件的整合电路(或电芯片)，至少一个ISFET组件被连接到金属配线上，以保证在ISFET位置处发生极化和电流传导。一个或多个ISFET可被联结到相同支承板上，称为PCB(即Printed Circuit Board，印刷电路板)，任选地伴有保证其它功能性的另外组件。各个组件被固定在PCB上，实施连接，然后封装该集成件，除了与溶质接触的栅极。带有连接的被固定和封装到PCB上的芯片接下来被连接在更复杂的测量仪器或装置中。

利用已知的微电子的集体制造技术，通过在硅片上实施ISFET组件来开始批量生产。在各个电路板上得到大量组件(在6、8或12英寸直径的电路板上通常有几个到几千个ISFET)。

对应于“硅份”处理过程的该制造其本身具有多个步骤。接下来通过切割电路板来分隔ISFET，分别转印到被连接和被封装的印刷电路上。尽管所有涉及护理和现代技术的先进性，可在每个步骤中产生制造缺陷，这个过程最终可产生极大浪费。即使工业处理的改善还有助于减小有缺陷芯片的合格率，技术和经济上的限制不允许具有100％良好功能性芯片的可能性。

在本文中，芯片制造商主要关注的是设置所得到ISFET芯片的控制部件。这种部件应该是简单、快速和完全可靠的。应该不仅能够识别有缺陷的芯片，还可将它们分捡出来，以仅将运行良好的芯片运送给客户(通常为包含这种传感器的仪器制造商)。另外应可批量和低成本地实施。

基于电气测试的不同控制方法一直沿用至今。

第一种方式包含通过在电路板上插入ISFET组件中的一些MOSFET组件来整体控制硅电路板。仅测试这些被合理安置在电路板上的测试组件，这给出了根据来自给定电路板的ISFET的可实现功能芯片的产量设计。然而，该方法不能够识别出电路板上有缺陷的组件，以可以在组装前排除。没有提供相关接续步骤的信息，甚至没有在组装后对有良好组件的产量指示和因此没有对每件(芯片单元)的价格指示。最后，质量差的批量几乎不能归因于制造者或包装者，这是进行追纠的潜在源头。