专利名称：具有可替换样品收集芯片的化学品传感器的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种形成在半导体裸片中的化学品传感器。
背景技术：
相关领域说明化学品传感器被用在多种应用中。化学品传感器被用于医疗应用、工业应用、机动车应用、安全应用以及家庭应用中。化学品传感器的一些示例是血糖传感器、二氧化碳检测器、机动车废气排放监视器、氡检测器、一氧化碳检测器、爆炸物检测器以及大量各种其他应用。在过去，许多化学品传感器体积大型并且相对昂贵。某些化学品传感器被用在其中它们仅能一次性使用的应用中。这些一次性使用传感器通常被用于生物医疗应用。在每次使用之后更换整个化学品检测系统是非常昂贵的。这因此可能大大增加医疗诊断和治疗的成本。

发明内容
一个实施例是包括三个半导体裸片的化学品检测系统。该系统的化学品感测部分被形成在第一可替换半导体裸片上。化学品感测部分输出指示了待检测的化学品的存在的模拟信号。该系统进一步包括形成在第二半导体裸片中的模数转换器。该模数转换器接收模拟信号并且将其转换为数字信号。该系统进一步包括形成在第三半导体裸片中的微控制器。该微控制器从模数转换器接收数字信号并且计算待检测的化学品的浓度。该化学品传感器形成在与模数转换器和微控制器分离的半导体裸片上。当该化学品传感器安装在系统中时，第一半导体裸片电连接至第二半导体裸片的数字端，包括数字模拟转换器。在已使用了该化学品传感器之后，包括化学品传感器的第一半导体裸片从该系统移除。第一半导体裸片然后被替换为包括化学品传感器的另一半导体裸片。系统然后准备用于第二次使用。CMOS模数转换器和复杂的微控制器的制造可以是非常耗费成本的。因为模数转换器和微控制器形成在与包括化学品传感器的裸片相分离的划片(dice)上，所以包括化学品传感器的第一半导体裸片可以相对廉价地制造。在一个实施例中，信号放大器形成在具有模数转换器的第二半导体裸片中。信号放大器放大来自化学品传感器的模拟信号以使得模数转换器能做出可靠的转换。在一个实施例中，信号放大器是稳压器。当化学品传感器裸片安装在该系统中时，稳压器控制在化学品传感器的感测电极上的电压并且放大来自该化学品传感器的电流信号。模数转换器然后将经放大的模拟信号转换为数字信号。 在一个实施例中，模数转换器和微控制器形成在相同的半导体裸片中。
在备选实施例中，模数转换器和化学品传感器形成在相同的半导体裸片中。


图1是根据--个实施例的化学品感测系统的方框图。
图2是根据--个实施例的第一-半导体裸片的方框图。
图3是根据--个实施例的第二半导体裸片的方框图。
图4是根据--个实施例的第三半导体裸片的方框图。
图5是根据--个实施例的第一-半导体裸片的横截面。
图6是根据--个实施例的第二半导体裸片的横截面。
图7是根据--个实施例的第三半导体裸片的横截面。
图8图示了根据一个实施例的化学品检测系统。
图9是根据--个实施例的两个裸片化学品检测系统的方框图。
图10是根据又一实施例的两个裸片化学品检测系统的方框图
图11是根据又一实施例的两个裸片化学品检测系统的方框图
图12是根据_一个实施例的第-一半导体裸片的方框图。
图13是根据_一个实施例的化学品检测系统。
图14是根据_一个实施例的模I改转换器的示意图。
图15是根据_一个实施例的稳压器和化学品传感器的示意图。
具体实施例方式图1图示了化学品检测系统30。系统30包括第一半导体裸片32。化学品传感器34形成在第一半导体裸片32中。第一半导体裸片32电耦合至第二半导体裸片36。模数转换器形成在第二半导体裸片36中。第二半导体裸片36电耦合至第三半导体裸片40。微控制器42形成在第三半导体裸片40中。化学品传感器34被配置为感测选定的化学品的存在。化学品传感器34可以被制造为检测多种化学品中的一种或多种。对于医疗应用而言，化学品传感器34可以被设计为检测血液中的葡萄糖、血液中的胆固醇、血红蛋白、血液中各种气体、癌症标志物、电解质的存在、血液尿素氮(BUN)、血流中的毒品、DNA、RNA以及无数其他可能的化学品或化合物。对于工业应用而言，化学品传感器；34可以被设计为检测pH值、Pb、Hg、Cr、Cd、As、Sb、Be、氟化物、挥发性有机化合物(VOC)等。化学品传感器34可以被设计用于环境应用，诸如检测CO、NOx, Ra、H2S、HCN、C02、空气、水、CN、微生物等。对于机动车应用而言，化学品传感器；34可以被配置为检测机动车废气中的多种污染物，这些污染物可以包括CO、NOx, 0以及其他颗粒。化学品传感器34可以检测仅一种化学品或其可以使相互邻近的多个传感器在相同的裸片上以使用单个传感器来感测许多不同的化学品。化学品传感器34向第二半导体裸片36中的模数转换器38输出模拟信号。该模拟信号指示了待检测的选定的化学品的存在。在一个实施例中，该模拟信号根据化学品传感器34的邻近区域中的选定化学品的浓度而变化。模数转换器38将模拟信号转换为数字信号。模数转换器38然后向第三半导体裸片40中的微控制器42输出数字信号。微控制器42接收数字信号并且计算在化学品传感器34的邻近区域中的化学品的浓度的值。在一个实施例中，微控制器42将多个可能的数字信号数据值存储在存储器中，每个数据值与在化学品传感器34的邻近区域中的选定化学品的浓度的相应值相关。当微控制器42从模数转换器38接收数字信号时，微控制器42将该数字信号与存储在存储器中的数字信号值进行比较，并且根据存储在存储器中的浓度值估计选定化学品的浓度。在一个实施例中，微控制器42基于数字信号和表示环境状况的其他数据计算选定化学品的浓度值。例如，由化学品传感器34输出的模拟信号可能受到周围环境的温度或湿度的影响。微控制器42除了数字信号外还接收温度或湿度数据。微控制器42然后可以在计算选定化学品的浓度值时考虑湿度和温度数据。湿度和温度数据可以由也位于第一半导体裸片32中的湿度传感器和温度传感器来提供。在一个实施例中，系统30可以检测多种选定化学品。第一半导体裸片32为可替换半导体裸片。半导体裸片32可以易于从系统30移除并且由被配置为感测不同的选定化学品的第一半导体裸片替换。微控制器42被配置为计算多种不同化学品的浓度值。在一个实施例中，微控制器接收标识已被放入系统30中的化学品传感器34的种类的输入。可以从用户或从第一半导体裸片32的电子签名接收该输入。微控制器42从模数转换器38接收数字信号并且根据标识选定化学品的输入来计算浓度值。在一个实施例中，在系统30中安装多个第一半导体裸片32，这些裸片中的每个均包含不同类型化学品传感器34。每个裸片32向模数转换器38输出模拟信号，或向均在第二半导体裸片36上的相应的模数转换器38输出模拟信号。模数转换器38然后向微控制器42输出数字信号。每个数字信号均是来自各自化学品传感器的模拟信号的转换。微控制器42计算相应的选定化学品的浓度值。在一个实施例中，微控制器42将校准表存储在存储器中。存储在微控制器42中的校准表对在半导体裸片32中形成的化学品传感器34的类型是特定的。当微控制器42从模数转换器38接收数字信号时，微控制器42将数字信号与校准表进行比较，以作为计算选定化学品的浓度值中的一个步骤。微控制器42的存储器可以根据选定化学品而被编程有校准表。如果已经开发出更精确的校准表，则校准表可以被更新或替换。根据另一实施例，转换曲线或转换数据库存储在微控制器42的存储器中。转换曲线是数据点的简单系列，其中模拟信号的值表示χ轴，而感兴趣的化学品的浓度表示y轴。因此，当微控制器42从模数转换器38接收数字数据时，与转换曲线的简单比较输出选定化学品的相关浓度。对于某些类型的化学品感测电路而言，转换曲线(有时称为校准曲线)是有助于计算选定化学品浓度的优选工具。在其他情况中，全转换表、校准表是优选的。例如，在许多情况中，与感测到的化学品对应的数字数据的值可以仅是确定选定化学品浓度的数据点之一。其他环境状况可以被感测以便精确地确定浓度，其他环境状况例如湿度、温度、水分含量的PH以及其他因素。因此，在许多情况中，依赖于传感器的温度、传感器的湿度以及其他因素，转换表可以具有不同的用于转换的值。因此，转换表可以包括多个分立的表，每个表针对每个温度或温度范围，并且这也依赖于待感测的选定化学品并且依赖于感测是否根据温度变化。存在多种用于将表示选定化学品的存在的模拟信号转换成指示选定化学品浓度的数据值的已知技术。
在一个实施例中，化学品的浓度不如化学品的存在或化学品在选定阈值之上重要。例如，在某些实施例中，仅存在特定化学品例如一氧化碳、某些种类的血细胞就足以指示测试为与阴性相对的阳性。因此，在某些实施例中，化学品传感器将输出指示已经感测到化学品的存在的信号，并且对于特定产品的目的而言已经足够。因此，在该实施例中，输出信号是存在还是不存在选定化学品，而不是提供特定化学品的选定浓度。在其他实施例中，如果选定化学品在阈值之上，则输出信号。例如，可能期望知道在特定环境中的一氧化碳是否在选定的阈值水平之上。在该情况中，传感器将检测一氧化碳的存在，并且如果确定其低于选定阈值，则没有信号被输出。另一方面，如果一氧化碳的存在在选定阈值之上，则输出分立的信号，例如报警信号，以指示在局部环境中的一氧化碳已超过期望水平并且需要采取安全预警。因此，在该实施例中，与半导体裸片集成的化学品传感器是输出化学品在选定阈值之上的信号而不是提供特定化学品浓度的精确数字的阈值传感器。当然，微控制器42可以通过多种合适方法来计算或估算浓度值，或者选定化学品是否在选定阈值之上，鉴于本发明的公开这些方法彼此等价并且可以相互交换。图2图示了根据一个实施例的第一半导体裸片32。第一半导体裸片32包括化学品传感器34。化学品传感器34包括定位在第一半导体裸片32的顶表面附近的电极44。化学反应物46被定位成与电极44邻近。化学反应物46的种类依赖于化学品传感器34的具体应用。化学反应物被配置为与选定化学品进行反应。在一个实施例中，向电极44施加电压。模拟信号是来自电极44的电流信号。当选定化学品入射在化学反应物46上时，来自电极的电流增大。选定化学品的浓度越高，则从电极44输出的电流信号越大。这样，模拟电流信号指示在化学品传感器34的邻近区域中的选定化学品的浓度。在一个实施例中，第一半导体裸片被钝化材料覆盖。在第一半导体裸片32的制造期间，钝化材料被刻蚀以暴露电极44。电极44然后被覆盖在反应物46中。反应物46因此被暴露在空气或围绕第一半导体裸片32的其他环境中。这样，反应物46可以与在第一半导体裸片32的邻近区域中的选定化学品的浓度进行反应。在一个实施例中，反应物46是酶。反应物46也可以是细胞、抗体、DNA/RNA序列、定制的分子，或是与选定化学品反应或对其敏感的任何其他物质。尽管化学反应的转换产生电流或电压信号，可以使用其他种类的转换，包括光信号、频率信号、电容信号或任何其他合适信号。第一半导体裸片32也包括耦合至化学品传感器44的电接触48。电接触48允许第一半导体裸片32电连接至化学品检测系统30，并且具体地连接至第二半导体裸片36。模数转换器48可以通过电接触48从化学品传感器34接收模拟信号。电接触48可以包括接触焊垫、球栅阵列、针栅阵列、引线框或鉴于本申请的公开对于本领域技术人员明显的许多其他种类的连接。化学品传感器的具体制造的更详细描述可以参见共同待决美国专利申请号No. 13/016，086、No. 13/170，058，以及具有律师案号 No. 851663. 525,851663. 526 的美国专利申请，在此将这些申请以引用的方式全文并入。图3图示了根据一个实施例的第二半导体裸片36。第二半导体裸片包括模数转换器38、电接触52以及放大器M。根据一个实施例，放大器通过电接触52从化学品传感器；34接收模拟信号。在一个实施例中，从化学品传感器34接收到的模拟信号为非常弱的信号。化学品传感器34位于分立的半导体裸片32上，并且在化学品传感器34和模数转换器38之间存在信号衰减。此外，由于化学品传感器和模数转换器38之间相对远的距离，噪声可能被添加至该信号。这可能使得在模数转换器38处的模拟信号的信噪比不利地较低。低的信噪比可能使得模数转换器38给出模拟信号到数字信号的不精确转换。微控制器42继而可以提供选定化学品的不精确的浓度值。为了确保模数转换器38可以可靠地将模拟信号转换为数字信号，放大器50首先放大模拟信号。放大器50然后向模数转换器38提供经放大的模拟信号。这样，模数转换器38可以提供模拟信号至数字信号的精确转换。电接触52允许第一半导体裸片32与第二半导体裸片36之间的电连接。这允许化学品传感器34向放大器50提供模拟信号。在一个实施例中，放大器50也向化学品传感器34的电极44施加恒定电压。放大器50因此充当化学品传感器34的控制电路。当放大器50向电极44施加恒定电压时，放大器50也接收并且放大从电极44接收到的模拟电流信号。—个实施例中，放大器50是具有控制部分和放大部分这两者的稳压器。稳压器的控制部分控制电极44之间的电压。放大器50的放大部分接收模拟电流信号并且将其转换为模拟电压信号。放大器50然后向模数转换器观提供模拟电压信号。放大器50可以为稳压器之外的放大器。放大器50可以被实施为许多其他种类电路，鉴于本发明的公开，这对于本领域技术人员是明显的。电接触52也电连接模数转换器38至第三半导体裸片40的微控制器42。模数转换器38通过电接触52向微控制器42输出数字信号。电接触52可以包括接触焊垫、球栅阵列、针栅阵列、引线框的引线、或鉴于本发明的公开对于本领域技术人员是明显的许多其他种类连接。图4图示了第三半导体裸片40。半导体裸片40包括微控制器42和电接触55。第二半导体裸片36的模数转换器38向第三半导体裸片40中的微控制器42输出数字信号。微控制器42接收数字信号并且计算在化学品传感器34的邻近区域中的化学品的浓度值。微控制器由电接触55电连接至模数转换器38。电接触55可以包括接触焊垫、球栅阵列、针栅阵列、引线框的引线、或鉴于本发明的公开对于本领域技术人员是明显的许多其他种类连接。电接触55也可以连接第三半导体裸片40至电源。第一半导体划片32和第二半导体划片36可以通过电接触48、52和55从第三半导体裸片40接收电能。图5是第一半导体裸片32的横截面。化学品传感器34包括电极44和反应物46。反应物46在电极44的顶上。反应物46已通过在封装裸片32的模塑化合物中刻蚀的开口放置在电极44上。反应物46的顶表面被暴露于周围环境。当使用时，控制信号可以通过如前所述的电连接48而施加至电极44。来自化学品传感器34的模拟信号可以通过第一电连接48传递至第二半导体裸片36。电连接48被图示为球栅阵列的焊球。这种球栅阵列48可以以任何合适的方式实施。在一个实施例中，球栅阵列为嵌入式晶片级别球栅阵列(EWLB)。EWLB允许电连接从裸片32的顶部容易地重分布至裸片32的底部，并且反之亦然。也可以使用其他种类的电连接，例如引线框、针栅阵列、键合线、或鉴于本发明的公开对于本领域技术人员是明显的任何其他合适结构。图6和图7是第二半导体裸片36和第三半导体裸片40的相应的横截面。内部电路例如模数转换器38和微控制器42未被示出。半导体划片36、40被图示为包括电连接52和电连接M的经封装的裸片。电连接5254被图示为球栅阵列的焊球。这种球栅阵列5254可以以任何合适的方式实施。在一个实施例中，球栅阵列是嵌入式晶片级别球栅阵列(EffLB)。EWLB允许电连接容易地从裸片36或裸片40的顶部被重分布至裸片36或裸片40的底部，并且反之亦然。也可以使用其他种类的电连接，例如引线框、针栅阵列、键合线、或鉴于本发明的公开对于本领域技术人员是明显的任何其他合适结构。图8图示了根据一个实施例的化学品检测系统30。系统30包括外壳55。第一半导体划片32、第二半导体划片36和第三半导体划片40被安装在外壳55中。第一半导体裸片32由电连接48连接至第二半导体裸片36。在一个实施例中，电连接48将第一半导体裸片32连接至印刷电路板中的导电通路。该导电通路将第一半导体裸片32连接至第二半导体裸片36。第二半导体裸片36由电连接52连接至第三半导体裸片40。在一个实施例中，电连接52将第二半导体裸片36连接至印刷电路板中的导电通路。该导电通路将第二半导体裸片36连接至第三半导体裸片40。化学品传感器34在第一半导体裸片34顶上可见。电池56也安装在外壳55中。电池56向第二半导体裸片36和第三半导体裸片40这两者供电。在一个实施例中，电池56仅直接连接至第三半导体裸片40。第三半导体裸片然后通过电连接52向第二半导体裸片36供电。第二半导体裸片36向第一半导体裸片供电。在一个实施例中，电池56直接向所有三个半导体划片32、36、40供电。第三半导体裸片40连接至显示器58。第三半导体裸片40中的微控制器42计算选定化学品的浓度值并且将该值输出至显示器58。显示器58显示选定化学品的浓度值。显示器58可以是数字显示器、LCD屏、在纸上打印值的打印机、或用于显示浓度值的任何其他合适装置。在一个实施例中，系统30是血糖测量系统。第一半导体裸片32是可丢弃的半导体裸片。为了测试血糖浓度，血液样品被放置在第一半导体裸片32上的放置在化学品传感器34的反应物46上。化学品传感器34、模数转换器38、微控制器42然后可以如上述操作以计算或估计血液样品中的葡萄糖的浓度值。显示器58显示血液中的葡萄糖的浓度值。此后，系统30可以用于执行另一血糖测试。外壳55被设计为允许易于移除可替换的第一半导体裸片32。然后相同的替换第一半导体裸片32被安装在外壳55中。第二血液样品被放置在替换第一半导体裸片32上并且系统30再次输出血液中的葡萄糖的浓度值。替换裸片32并未被第一血液测试污染，并且系统30因此可以重复多次使用。每次重复使用，第一半导体裸片32均被新的第一半导体裸片32替换。因为第一半导体裸片32并未包含微控制器42的复杂电路或甚至未包含模数转换器38的不太复杂电路，所以第一半导体裸片32可以以相对廉价的方式制造。因此单个血糖检测系统30可以通过每当系统30使用时替换第一半导体裸片32来廉价地重复使用。尽管系统30的一个实施例是血糖测量系统，但是系统30可以被设计为检测如关于图1所述的多种其他选定化学品。在一个实施例中，系统30被设计为检测选定化学品的浓度是否在选定阈值之上。如果微控制器42确定该浓度在选定阈值之上，则然后显示器58可以简单地发出已超过阈值的警报。在一个实施例中，显示器58为当浓度在选定阈值之上时显示第一颜色的LED或一串LED。如果化学品的浓度低于预期阈值，则该LED或一串LED可以显示第二颜色。一个实施例中，显示器58包括扬声器，如果化学品的浓度在选定阈值之上，则该扬声器发出听得见的声音。尽管图8的系统30被描述为容纳在单个外壳55中，但是在一个实施例中，系统30的一个或多个部件在外壳阳的外部。在一个实施例中，显示器58在外壳55的外部。微控制器42可以连接至位于与化学品传感器34分立的房间或位置内的显示器58或计算机。在一个实施例中，显示器58是在不同房间内的计算机监视器或屏幕。在一个实施例中，第三半导体裸片40在远离第一半导体划片32和第二半导体划片36的分立位置。模数转换器38将数字信号发送至在分立房间中或位置处的第三半导体裸片40。微控制器42然后可以处理该数字信号并且向显示器58输出信号。显示器58可以在第一半导体裸片32的邻近区域内或与第三半导体裸片40 —起在分立的类似位置处。图9图示了根据一个实施例的化学品检测系统30。模数转换器38、放大器50和微控制器42均形成在第二半导体裸片36中。化学品传感器34形成在第一半导体裸片32中。化学品传感器34将模拟信号输出至第二半导体裸片36。模拟信号由放大器50放大并且被输出至模数转换器38。模数转换器38将模拟信号转换为数字信号。模数转换器38将数字信号输出至微控制器42。微控制器42如上所述计算或估算选定化学品的浓度值。放大、转换成数字以及值的计算均在单个半导体裸片36上执行。因为系统30可以被实施为两个划片而不是三个半导体划片，所以系统30的制造费用可以缩减。图10图示了根据一个实施例的化学品检测系统30。第一半导体裸片32包括化学品传感器34、放大器50和模数转换器38。这些部件的每个部件执行与上述基本上相同的功能。由化学品传感器34输出的模拟信号可能非常弱。如果模数转换器38在远离化学品传感器34的分立的半导体裸片上，则当模拟信号被模数转换器38接收时，该模拟信号可能被大大衰减。此外，如果模拟信号从一个半导体裸片发送至另一个，则可能向模拟信号中引入许多噪声。这使得信噪比降低，并且模数转换器38可以给出原始模拟信号的相对不精确的数字转换。使模数转换器38在与化学品传感器34相同的裸片上提供了使用非常小的样品尺寸得到精确的化学品感测的能力。一旦模拟信号被模数转换器38转换为数字信号，则数字信号基本不受噪声影响。利用数字信号，被传送的数据为1或0，并且因此可以在信号内容和噪声内容之间提供较大的区分。此外，数字信号可以承载大量校验位、奇偶位或其他种类的错误校验位。在8位信号中，这些位中的两个或三个可以用作错误纠正码位，从而使得即便在第一半导体裸片32和第二半导体裸片36之间的耦合中存在一些噪声，微控制器42也可以校验包含在每个字节中的错误纠正位并且纠正错误以确保接收的数据是发送的数据。跨数据的多个字节中提供大量错误纠正位的能力显著有利于在发送之前将数据转换为数字格式。此外，模数转换器38经常将具有存储器缓存，从而使得相同的数据可以被设置在时间上相互分离的分立的字节群组中，从而使得如果第一字节组遭受噪声之害，则被设置在不同时间处的具有相同数据的后续的第二字节组可以避免相同的噪声。此外，在时间上间隔的分立字节群组中重复发送相同数据允许微控制器42将各个数据组相互进行比较作为错误纠正码的一部分，以便确保微控制器42接收到正确的数据。因此，使模数转换器38具有小的缓存存储器，无论其是SRAM寄存器、移位寄存器或其他小存储器，相对于使所有部件在单个集成电路上，这都有利于实现如上所述的感测少量的待感测化学品的目的。如果化学品传感器34在与模数转换器38不同的裸片上，则模拟信号必须从第一裸片32上的传感器34传递至第二裸片36上的模数转换器38，以便将数据转换为数字信号。这要求在第一半导体划片32和第二半导体划片36之间具有某些类型的外部连接。为了在分立的电线上发送电信号，可能需要更大的信号以确保待沿电线传输的信号具有足够高的振幅。这可能要求待感测化学品更大的样品。此外，所有电连接均在信号中引入噪声，并且暴露的电线也易受来自多个源的噪声的影响。因此，这些连接非常易受到来自多个源的噪声的影响。信号必须显著大于噪声，以便具有高的信噪比。如果信号与系统中的噪声具有近似相同的振幅，则难于或几乎不可能在合适地将模拟信号转换为数字信号时将信号从噪声分离。使化学品传感器34在与模数转换器38相同的半导体裸片32上，其中两者的每个均位于相同的集成电路中，这提供了多个优点。第一优点在于模拟信号在转换之前必须经历的路径大大缩短。在本发明的情况下，从化学品传感器34至模数转换器38的信号通路近似为在裸片32之上的结构的垂直高度，这是非常短的信号通路。因此，信号通路非常短，通常在3000人至7000人的范围内。又一益处在于信号通路可以为非常低的电阻率的。例如，从化学品传感器至微计算机的电连接可以均制作成高度导电的铜互连，或在某些情况下为铝。因此，从化学品传感器34至模数转换器38的电连接将为低电阻率的金属并且因此非常低振幅的信号被以非常低的电阻从化学品传感器34承载至微控制器38。又一优点在于半导体裸片内部的信号层不像必须离开裸片的信号通路那样易受噪声的影响。在半导体裸片内，电连接由在绝缘体之上的金属沉积层来制造，并且因此噪声影响互连点的几率小。因为图10的模数转换器38和化学品传感器34形成在相同的裸片上，所以减小了模拟信号的衰减，并且提高了信噪比。这允许模拟信号到数字信号的更精确的转换。一旦模拟信号已被转换为信号，则数字信号就基本不受噪声的影响并且可以被更容易地输出至第二半导体裸片36上的微控制器42，而不会在数字信号中导入错误或不精确。利用更精确的数字信号，微控制器42可以计算选定化学品浓度的更精确的值。使化学品传感器34和模数转换器38在相同裸片上提高了具有非常少量待测化学品的装置的灵敏度。举例来说，现今用于糖尿病测试的血糖感测通常要求大小超过Iml的血滴。利用本发明的化学品传感器34在与模数转换器38相同的裸片32上，只不过是小片血滴的微微升(picoliter)的血液对于血糖采样来说是可接受的。类似地，可以感测非常少量的其他化学品，例如几原子的一氧化碳、水中浓度非常小的铅、以及其他具有低于万亿分之一浓度的化学品。例如，可以感测在环境中具有浓度在10_15至10_18范围内的化学品，这是因为一旦模拟信号被转换为数字信号，则其不受噪声的影响。用于形成模数转换器38的电路和工艺远没有形成微控制器42的电路和工艺复杂。制造模数转换器38所要求的工艺步骤比制造微控制器42少得多。模数转换器38可以使用比微控制器42少得多的掩模来形成。较少的掩模意味着较少的工艺步骤，包括耗费时间且昂贵的掩模对准步骤。因为模数转换器38远不如用于形成微控制器42的电路的复杂，所以仍然可以相对廉价地制造包括化学品传感器34和模数转换器38的第一半导体裸片32。包括化学品传感器34和模数转换器38的第一半导体裸片32是在化学品检测系统30中的廉价部件。这允许第一半导体裸片32为系统30的可替换部件而不必惊人地昂贵。这对于在其中化学品传感器34必须每次使用后被替换的系统而言是特别有利的。每次使用系统30之后，第一半导体裸片32可以被廉价地替换并且系统30可以重复使用。微控制器42的电路通常远比模数转换器38中的电路复杂。因此，仍然可以相对廉价地制造具有化学品传感器34和模数转换器38这两者的第一半导体裸片32。第一半导体裸片32可以是如上所述的系统30的可替换部件。图11图示了根据一个实施例的化学品检测系统30。放大器50和化学品传感器34被成在第一半导体裸片32中。模数转换器38和微控制器42形成在第二半导体裸片36中。部件的功能如前所述。图12图示了根据一个实施例的第一半导体裸片32。第一半导体裸片32包括化学品传感器34、湿度传感器59和热传感器60。由化学品传感器34输出的模拟信号可能不仅受选定化学品浓度的影响，而且还受湿度和温度的影响。因此这对于具有湿度和温度的测量以便更精确估计或计算选定化学品的浓度值而言是有利的。在这种实施例中，微控制器42不仅将从模数转换器38接收数字信号，而且还接收湿度和温度信号。因此当估算或计算选定化学品浓度值时，微控制器42可以包括湿度和温度数据。微控制器42可以参考存储在存储器中的校准曲线或校准表并且将存储器中存储的值与模数转换器38输出的数字信号的值进行比较。通过将数字湿度信号、数字化学品信号和数字热信号的值与存储在存储器中的值进行比较，微控制器42可以估计或计算选定化学品的浓度的更精确的值。依赖于传感器的温度、传感器的湿度和其他因素，转换表可以具有不同的转换值。因此，转换表可以包括多个分立的表，每个表对应于每个温度或温度范围，并且同时这也依赖于待感测的选定化学品并且依赖于感测是否根据温度变化。存在多种用于将表示选定化学品存在的模拟信号转换为指示选定化学品浓度的数据值的已知技术。图13图示了根据一个实施例的化学品检测系统30。系统30包括外壳55。外壳55容纳了第二半导体裸片36。第二半导体裸片36包括至少一个微控制器42 (未示出)。电池56耦合至第二半导体裸片36并且向第二半导体裸片36供电。外壳55包括用于接收第一半导体裸片32的裸片接收槽60。第一半导体裸片32包括化学品传感器34和用于与裸片接收槽60对接的电连接48。裸片接收槽60被设计为允许易于第一半导体裸片32的安装和移除。在一个实施例中，模数转换器也形成在第二半导体裸片38中。在一个实施例中，系统30是多次使用的化学品检测系统。因为第一半导体裸片32可以容易地安装并且容易地从系统30移除，所以系统30可以以廉价的方式用于执行多次化学品检测。例如，在一个实施例中，化学品检测系统30为用于机动车的废气检测系统。在一个实施例中，外壳55放置在机动车排气管中或排气管附近。具有被设计为检测选定化学品的化学品传感器34的第一半导体裸片32可以通过将第一半导体裸片32附接至裸片接收槽60而被安装在外壳55中。然后可以执行测试，在该测试中，化学品传感器34检测选定化学品。化学品传感器34如前所述输出模拟信号至模数转换器38。模数转换器38然后输出数字信号至微控制器42。微控制器42然后计算或估算在机动车废气中的选定化学品的浓度值。在一个实施例中，化学品传感器34被设计为检测废气中的二氧化碳。在一个实施例中，化学品传感器34被设计为检测机动车废气中的其他颗粒。
在微控制器42估计或计算废气中的选定化学品的浓度值之后，微控制器42可以将该值输出至显示器50 (未示出)。显示器50可以被附接到外壳55或者显示器可以在远程计算机显示屏上。显示器50可以采用许多形式。例如，显示器50可以为屏幕、选定化学品浓度值的纸打印结果、或用于显示浓度值的任何其他合适结构或方法。在已执行了测试之后，可以从外壳阳移除第一半导体裸片32，并且可以在外壳55中安装具有化学品传感器34的另一半导体裸片32。新安装的半导体裸片32可以包含被设计为检测不同的选定化学品的存在的化学品传感器34。这样，系统30可以用于执行多个连续的化学品测试。因为每个第一半导体裸片32并不包含微控制器42或其他复杂电路，所以每个半导体裸片32相对廉价地制造。这允许通过在每次测试后替换第一半导体裸片32而使用单个化学品检测系统30的廉价重复测试。在一个实施例中，外壳55包含多个裸片接收槽60，从而使得可以安装每个包含相应的化学品传感器34的多个第一半导体裸片32。相应的化学品传感器34的每个被设计为检测相应的选定化学品。这样，可以在单个测试进程中检测多种化学品。形成在第二半导体裸片36中的微控制器42可以被配置为与每个包含分立的半导体裸片32的多个裸片接收槽60对接。系统30然后可以用于同时测试机动车废气中的多种化学品。第二半导体裸片36可以包含单个模数转换器38或多个模数转换器38。单个模数转换器38或多个模数转换器38可以处理来自相应的第一半导体裸片的化学品传感器34的模拟信号。如前所述，模数转换器可以形成在第二半导体裸片36中或者每个第一半导体裸片32可以包含分立的模数转换器38。因为模数转换器38为相对简单的电路，所以其可以廉价地形成在第一半导体裸片32中。如果第一半导体裸片32包含模数转换器38，则第一半导体裸片32仍然可以相对廉价地制造。这样，利用了每个均包含化学品传感器34的可替换第一半导体裸片32的化学品检测系统30可以是进行多次化学品测试的廉价方式。在一个实施例中，每个第一半导体裸片32包括多个分立的化学品传感器34，每个化学品传感器34均被配置为检测不同的相应的选定化学品。这允许化学品检测系统30在利用安装在裸片接收槽60中的单个第一半导体裸片32时，同时地检测多种选定化学品。化学品检测系统30可以是除了检测机动车废气中的化学品之外的其他系统。如前所述，这种系统可以以多种方式实施，包括例如血糖测试系统、癌细胞测试系统的医疗测试、水污染测试系统、空气污染测试系统、氡检测系统和任何其他合适的化学品检测系统。图14是根据一个实施例的模数转换器。模数转换器包括比较器64a、64b、6k和64d。模数转换器38进一步包括串联连接的四个电阻R。比较器64a-d中的每个在其非反相输入端连接至模拟信号Vsense。模数转换器38包括四个比较器64a、64b、6k和64d，每个接收在相应的非反相节点上的中点电压。多个等值的电阻器R串联在参考电压Vsense和\之间。比较器64a、64b,64c和64d的反相输入端的每个连接至电阻器R的串联链上的相应的节点。比较器的输出的每个连接至数字输出编码器66。数字输出编码器具有两个输出Bi、B2，每个表示数字输出的相应的位。模数转换器38的每个比较器64a、64b、6k和64d将模拟电压Vsense与相应的参考电压进行比较。相应的参考电压是主参考电压Vref的分压。电阻R的链因此充当分压器以提供多个参考电压。每个比较器64a、64b、6k和64d将根据各个比较结果来输出高的或低值。数字输出B 1和B2由比较结果决定。具体地，数字输出编码器包括多个逻辑门，多个逻辑门被配置为接收比较器64a、64b、6k和64d的输出作为四个输入，并且被配置为相应地输出两个二进制输出Bl和B2。输出Bi、B2可以组合以产生二进制值00、01、10或11。输出B 1和B2由微控制器42的控制电路读取并且与存储器中的值进行比较。图13的模数转化器38仅图示了两位模数转换器。实际中，模数转换器38可以多于两位，例如8位或16位模数转换器。可以通过选择串联电阻R的合适值来选择不同的阈值差别。鉴于本发明的公开，对本领域技术人员而言许多变形是明显的。所有这些实施例均落入本公开的范围。图15图示了根据一个实施例的稳压器。稳压器50具有电流积分器68和控制放大器70。图13图示了化学品传感器34的电极44a、44b和44c。工作电极4 耦合至电流积分器的反相输入。控制放大器的反相输入连接至化学品传感器34的参考电极44b。控制放大器70的输出耦合至化学品传感器的反电极44c。电流积分器68输出表示选定化学品浓度的模拟信号。控制放大器70确保在电极44a、44b上的电压被保持在选定值处。上述各种实施例可以被组合以提供其他实施例。在此全文引用所有涉及本发明和/或列在申请数据表中的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开以做参考。如果需要，采用各种专利、申请和公开的概念以提供进一步其他实施例，则可以修改实施例的各个方面。鉴于上述详细说明，可以对实施例做出这些和其他变化。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限定至说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所被赋予的等价物的全部范围。因此，权利要求并不受本公开的限制。
权利要求
1.一种装置，包括支撑结构；裸片连接槽，其位于所述支撑结构中；第一半导体裸片，其耦合至所述裸片连接槽，所述裸片连接槽被配置为允许易于所述第一半导体裸片在所述裸片连接槽中的移除和安装；化学品传感器，其定位在所述第一半导体裸片中，所述化学品传感器被配置为输出指示选定的化学品的存在的模拟信号；第二半导体裸片，其位于所述支撑结构中并且被耦合至所述第一半导体裸片；模数转换器，其形成在所述第二半导体裸片中，所述模数转换器被配置为接收所述模拟信号并且将所述模拟信号转换为数字信号；第三半导体裸片，其位于所述支撑结构中并且被耦合至所述第二半导体裸片；以及微控制器，其形成在所述第三半导体裸片中，所述微控制器被配置为从所述模数转换器接收所述数字信号并且基于所述数字信号计算所述选定化学品的浓度值。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二半导体裸片包括信号放大器，所述信号放大器被配置为放大所述模拟信号并且将所述模拟信号输出至所述模数转换器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述信号放大器为稳压器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一半导体裸片包括湿度传感器，所述湿度传感器被配置为输出指示湿度的湿度信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述微控制器被配置为部分地基于所述湿度信号估算所述选定化学品的浓度。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括显示器，所述显示器耦合至所述微控制器并且被配置为显示所述选定化学品的所述浓度值。
7.一种方法，包括在支撑结构的裸片连接槽中安装第一半导体裸片；感测入射在形成于所述第一半导体裸片中的化学品传感器上的选定化学品的存在；从所述第一半导体裸片输出模拟信号至定位在所述支撑结构中的第二半导体裸片；在所述第二半导体裸片中将所述模拟信号转换为数字信号；基于所述数字信号计算所述选定化学品的浓度；从所述连接槽中移除所述第一半导体裸片；以及在所述裸片连接槽中安装其上具有化学品传感器的另一半导体裸片。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括，在将所述模拟信号转换为所述数字信号之前，放大所述模拟信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述模拟信号在所述第二半导体裸片中被放大。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述模拟信号在所述第一半导体裸片中被放大。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，计算所述选定化学品的浓度由微控制器执行。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述微控制器形成在所述第二半导体裸片中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述微控制器形成在第三半导体裸片中。
14.根据权利要求7所述的方法，包括在显示器上显示所述选定化学品的所述浓度值。
15.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在计算所述化学品的浓度之后将所述第一半导体裸片替换为替换半导体裸片，所述替换半导体裸片包括替换化学品传感器。
16.一种系统，包括第一半导体裸片；化学品传感器，其形成在所述第一半导体裸片中，所述化学品传感器被配置为输出指示选定化学品的存在的模拟信号；模数转换器，其耦合至所述化学品传感器并且被配置为将所述模拟信号转换为数字信号；第二半导体裸片，其耦合至所述第一半导体裸片；以及微控制器，其形成在所述第二半导体裸片中，所述微控制器被配置为接收所述数字信号并且基于所述数字信号估计所述化学品的浓度。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述模数转换器形成在所述第一半导体裸片中。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述模数转换器形成在所述第二半导体裸片中。
19.根据权利要求16所述的系统，包括放大器，所述放大器耦合至所述化学品传感器和所述模数转换器，所述放大器被配置为放大所述模拟信号并且输出所述模拟信号至所述模数转换器。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述放大器为稳压器。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述放大器形成在所述第一半导体裸片中。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述放大器形成在所述第二半导体裸片中。
全文摘要
本发明涉及具有可替换样品收集芯片的化学品传感器。一种化学品传感器被提供在第一半导体裸片上。稳压器被提供在第二半导体裸片上。模数转换器和微控制器被提供在第三半导体裸片上。第一裸片被配置为连接至第二裸片。第二裸片被配置为连接至第三裸片。化学品传感器检测周围环境中的化学品并且输出信号至模数转换器。模数转换器将该信号转换为数字信号并且输出该数字信号至微控制器。微控制器提供周围环境中的化学品浓度的测量。
文档编号G01N27/00GK102565137SQ20111046114
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2010年12月30日
发明者O·勒尼尔, S·彻里安 申请人:意法半导体有限公司