CN111094962A - 具有晶片水平堆叠和贯穿玻璃通孔(tgv)互联件的玻璃电化学传感器 - Google Patents

Abstract

描述了一种形成玻璃电化学传感器的方法。在一些实施方式中，方法可以包括：在电极基材中形成多个电气贯穿玻璃通孔(TGV)；用电极材料填充所述多个电气TGV中的每一个；在电极基材中形成多个接触TGV；用导电材料填充所述多个接触TGV中的每一个；对导电材料进行图案化处理，将电气TGV与接触TGV相连；在第一玻璃层中形成腔体；以及将第一玻璃层的第一侧与电极基材粘结。

Description

具有晶片水平堆叠和贯穿玻璃通孔(TGV)互联件的玻璃电化 学传感器

相关专利申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119，要求2017年04月28日提交的美国临时申请系列第62/491,408号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景技术

开发手机、平板、汽车、健康护理产品和许多消费者产品中的移动式低成本传感器是全球科技大趋势，其吸引了大量投资来为许多现有传感器技术开发小型化低成本设计。诸如加速计、陀螺仪、麦克风、照相机和光传感器之类的传感器每个月以数千万个单位进行制造，它们的形状因子与移动装置和消费者电子产品相兼容。生产的这些传感器通常仅具有数个平方毫米的尺寸，并且通常是非常低成本的。手机和其他个人移动电子产品正驱使这个市场和将传感器整合到许多新产品和现有产品中，例如：家庭电器、可穿戴健康检测器和工业设备。这种连接的传感器部署是被称作“物联网”(IoT)的全球大趋势。

电化学传感器是化学传感器的重要子集。这些装置可用于对宽范围的化学品(从有毒气体到生物化合物)进行感应。这些装置通过监测含电解质的单元中的电极之间的导电率、电势或电流变化工作。通常来说，电化学传感器具有工作电极、对电极和参比电极，它们全都浸入电解质中。

发明内容

本公开涉及形成玻璃电化学传感器的方法。在一些实施方式中，方法可以包括：在电极基材中形成多个电气贯穿玻璃通孔(electrical through glass vias)(TGV)；用电极材料填充所述多个电气TGV中的每一个；用导电材料形成多个接触TGV；对导电材料进行图案化处理，将电气TGV与接触TGV相连；在第一玻璃板中形成腔体；以及将第一玻璃板的第一侧与电极基材粘结。

在一些实施方式中，方法还可以包括将第一玻璃板的第二侧与第二玻璃板粘结。在一些实施方式中，第二玻璃板可以是实心的，使得第一玻璃板中的腔体被三侧上的玻璃密封。

在一些实施方式中，将第一玻璃板与电极基材粘结以及将第一玻璃板与第二玻璃板粘结可以包括使用粘合剂、玻璃玻璃料、热粘结(例如激光密封)或其组合中的至少一种来粘结第一玻璃板、电极基材和第二玻璃板。

在一些实施方式中，方法还可以包括：将经过粘结的第一玻璃板和第二玻璃板连接到印刷电路板，所述印刷电路板构造成检测电极之间的导电率、电势或电流的变化，表明进入第一玻璃板中的腔体的气体的可检测浓度。

在一些实施方式中，所述多个电气TGV可以绕着电极基材的中心布置，以及所述多个接触TGV可以绕着电极基材的周界布置。

在一些实施方式中，形成所述多个电气TGV和形成所述多个接触TGV中的至少一种可以包括：用激光形成所述多个TGV，以及用酸蚀刻限定所述多个TGV。

在一些实施方式中，第一玻璃板和第二玻璃板中的至少一个可以包括玻璃晶片。

在一些实施方式中，电极材料可以包括贵金属，其可以包括铂、金或其组合中的一种。

在一些实施方式中，导电材料可以包括任意铜、金、铝、导电聚合物或其组合。

在一些实施方式中，用导电材料填充所述多个接触TGV中的每一个可以包括用任意如下方式填充电气TGV：糊料填充、电镀、物理气相沉积(PVD)(其可以包括：喷溅、热蒸发和电子束蒸发和激光烧蚀)、化学气相沉积、原子层沉积或其组合。

在一些实施方式中，第一玻璃板可以包括任意如下这些：

石英、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、碱性硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、碱性铝硼硅酸盐玻璃、熔凝二氧化硅玻璃或其任意组合。

本公开还涉及玻璃电化学传感器，其具有电极基材层和包含腔体的第一玻璃板层。在一些实施方式中，电极基材层可以粘结到第一玻璃板层的第一侧。在一些实施方式中，电极基材层可以包括多个电气贯穿玻璃通孔(TGV)，以及可以用电极材料填充所述多个电气TGV。

在一些实施方式中，电化学传感器还可以包括施加到电极基材层的表面的导电材料再分布层(RDL)。

在一些实施方式中，电极基材层还可以包括多个接触TGV，以及可以用导电材料填充所述多个接触TGV。在一些实施方式中，导电材料可以经过图案化处理从而使得电气TGV与接触TGV相连。

在一些实施方式中，所述多个电气TGV可以绕着电极基材层的中心布置，以及所述多个接触TGV可以绕着电极基材层的周界布置。

在一些实施方式中，玻璃电化学传感器还可以包括第二玻璃板层。在一些实施方式中，第二玻璃板层可以粘结到第一玻璃板层的第二侧，以及第二玻璃板层可以是实心的，从而使得第一玻璃板中的腔体可以至少在底部、所有侧面和一部分的顶部被玻璃密封。

在一些实施方式中，可以通过粘合剂、玻璃玻璃料、激光密封或其组合中的至少一种，将第二玻璃板层粘结到第一玻璃板层。

在一些实施方式中，经过粘结的第一玻璃板层和第二玻璃板层可以连接到印刷电路板，所述印刷电路板构造成检测电极之间的导电率、电势或电流的变化，表明进入第一玻璃板层中的腔体的气体的可检测浓度。

本公开还涉及包含如上文所述的玻璃电化学传感器的电子装置。

提供一个或多个代表性实施方式来阐述所揭示的主题的各种特征、特性和优点。在玻璃电化学传感器的上下文中提供了实施方式。但是，应理解的是，许多概念可用于各种其他设定、情形和构造。例如，一个实施方式的特征、特性、优点等可以单独使用，或者可以以相互各种组合和子组合的方式使用。

提供概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。概述和背景技术并不旨在标识所揭示的主题的关键概念或基本概念，它们也不应该用于束缚或限制权利要求的范围。例如，不应该基于所述主题是否包含概述中所记录的任意或全部范围和/或解决背景技术中所记录的任意问题来限制权利要求的范围。

附图说明

结合附图揭示了优选实施方式和其他实施方式，其中：

图1是常规电化学传感器的元件的一个例子的横截面图；

图2是示例性的基于玻璃的电化学传感器的横截面图；

图3是用于形成具有晶片水平堆叠和贯穿玻璃通孔(TGV)互联件的玻璃电化学传感器的示例性方法；

图4是用于形成具有晶片水平堆叠和TGV互联件的玻璃电化学传感器的替代示例性方法；

图5是用于形成具有晶片水平堆叠和TGV互联件的玻璃电化学传感器的替代示例性方法；

图6是具有晶片水平堆叠和TGV互联件的示例性玻璃电化学传感器的俯视图；

图7是具有晶片水平堆叠和TGV互联件的示例性玻璃电化学传感器的分解图；

图8是具有晶片水平堆叠和TGV互联件的示例性玻璃电化学传感器的透视图；

图9是用于晶片水平加工和形成三层堆叠的示例性方法；

图10a和10b显示基于4个电极玻璃的电化学传感器的示例性TGV布置布局；图10a显示具有裸晶(die)水平布局的示例性TGV布置，以及图10b显示每个晶片具有692个裸晶的示例性TGV布置；

图11是示例性玻璃电化学传感器中的流体孔和TGV的代表性图像；

图12是具有八边形孔隙的插入晶片布局的代表性图像；

图13的流程图显示用于形成具有晶片水平堆叠的玻璃电化学传感器的示例性方法；以及

图14显示适合执行本文系统和方法的示例性电脑系统的框图。

具体实施方式

本系统包括用于化学和生物化学传感系统(包括但不以任何方式限于用于移动消费者电子应用的空气质量传感器)的基于玻璃的电化学单元。较小的装置能够结合到IOT应用中，例如：智能手机、可穿戴物、汽车、家庭安全监测和电器等。这些装置的小型化使得使用玻璃作为材料是诱人的选项，因为其具有化学耐久性、尺寸容忍性、与硅匹配的热膨胀系数(CTE)、温度稳定性和低的气体渗透性。

本公开涉及形成玻璃的化学传感器的方法。图1显示传统电化学传感器100的基础原件的横截面图。如图1所示，常规电化学传感器100可以包括：毛细管扩散屏障105、疏水性隔膜110、工作或感应电极115、参比电极120、对电极125和电解质130。这种常规电化学传感器100通常封装在聚合物中。

根据常规电化学传感器100的一个实施方式，疏水性隔膜110或者可透气隔膜用于覆盖传感器的电极并且控制到达电极表面的气体分子的量。可透气隔膜可以由任意数量的特氟龙隔膜制造，取决于所需应用，其具有各种孔隙度。在一个实施方式中，疏水性隔膜110还防止了液体电解质泄漏或者传感器过快地干燥。

电解质130有助于电池反应并且携带离子电荷高效地穿过电极。此外，电解质与参比电极形成稳定的参比电势，并且与用于传感器中的材料会是相容的。电解质的过早蒸发会导致过早的信号衰退。电解质可以基于目标气体的化学反应性进行选择，并且可以包括但不以任何方式限于无机酸或有机电解质。

工作或感应电极115由经催化的材料形成，其可以在长时间段上进行半电池反应。通常来说，电极由贵金属(例如，铂或金)制造，并且经过催化从而与气体分子进行有效反应。取决于传感器的设计，所有三个电极(115、120、125)可以由不同材料制造以完成电池反应。

在运行中，气体可以通过毛细管扩散屏障105进入常规电化学传感器100，在那里，气体可以与感应或工作电极115接触。然后，常规电化学传感器100可以通过在感应电极115处对气体进行氧化或还原并测量所得到的电流，来测量气体浓度。在对电极125，发生同样的反应或者相反的反应，例如，如果感应电极115是氧化，则对电极125是还原。(未示出的)外部电路维持常规电化学传感器100上的感应电极115与对电极125之间的电压以及感应电极115与参比电极120之间的电压。

不同于通常封装在聚合物中的图1所示的常规电化学传感器100，本文的示例性系统和方法提供了小型化的玻璃电化学单元。根据这个示例性方法，使用精密激光技术来形成高通量兼容贯穿玻璃通孔(TGV)(本文也称作孔(via))以及玻璃晶片中的具有严格尺寸容差的较大结构玻璃腔体。可以通过例如国际专利申请号PCT/US2014/070459、美国专利第9,278,886号以及(3)美国专利第9,321,680号所教导的方法来形成孔，这些文献中所有公开的内容全都通过引用结合入本文。形成的孔可以延伸穿过玻璃层，从一个表面到另一个表面。形成从玻璃层的第一表面延伸到玻璃层的另一个表面的孔实现了半导体的嵌入，从而有助于腔体内的合适电极的导电率同时提供了到达腔体外侧表面的电线。这种示例性工艺实现了组件的小型化、降低了它们的成本并且有助于将它们用于移动应用或IoT应用中。此外，如下文详述，本示例性系统和方法提供了强化的温度稳定性、化学耐久性、容易的表面改性和功能化，并且可以整合到晶片规格加工中。

图2的横截面图显示根据本公开的小型化的基于玻璃的电化学传感器200的示例性高水平设计。在所示的例子中，腔体215容纳在玻璃制品中，具有孔隙205以促进气体传输进入腔体215中。电解质230和电极210位于腔体215中。图2显示电极210在腔体215中的可能位置，但是并不旨在限于所采用的电极210的位置或数量。相反地，图2显示电连接可以是如何形成的，以促进电极210与玻璃制品外侧之间的电连接。电极210的设计和布置可以取决于所需的基于玻璃的电化学传感器200的特性和灵敏度发生变化。但是，如图2所示，在玻璃制品的腔体215上布置电极存在对于贯穿玻璃通孔(TGV)的需求，以使得玻璃/金属界面最小化，从而使得电解质的泄漏最小化。

图3-5显示其中形成有孔的玻璃片的横截面图。图3-5显示在玻璃片中形成所需的贯穿玻璃通孔的各种方法。虽然图3-5所示的玻璃片303、403、503是单层玻璃，但是玻璃片可以是任意数量的结构，包括但不以任何方式限于结合或粘结到一起的数片玻璃的层叠体。层叠体可以在玻璃片之间包含一层或多层中间层，包括但不限于：聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚碳酸酯、吸声PVB、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、热塑性聚氨酯(TPU)、离聚物、热塑性材料，或其组合。

图3是在基于玻璃的电化学传感器的上层中形成所需的贯穿玻璃通孔的示例性方法300。如所示，使用从玻璃层的第一表面延伸到玻璃层的第二表面的贯穿玻璃通孔(TGV)有助于玻璃传感器的顶表面或底表面与电极之间的连接，同时使得玻璃/金属界面最小化，从而使得电解质230发生泄漏的可能性最小化。根据示例性方法300，作为电极基材的玻璃片300可以经过图案化处理以形成多个TGV(步骤a)。在一些例子中，可以采用激光系统在玻璃片中形成TGV。根据下文所述的一个实施方式，形成的TGV中的一些的尺寸和位置可以是起到电极TGV 305的作用，而其他一些的尺寸和位置可以是起到接触TGV 310的作用。如图3所示，电极TGV 305的直径小于接触TGV 310。但是，接触TGV 310与电极TGV 305之间的相对尺寸可以发生变化。取决于所得到的经过图案化处理的玻璃的目标用途，可以在玻璃上形成示例性接触TGV 310和电极TGV 305中的一种或多种。如本文所示，为了用作电化学传感器，形成了至少两个电极TGV 305和至少两个接触TGV 310，以实现用于感应和对电极。

如图3所示，一旦玻璃片303经过图案化处理具有至少2个电极TGV 305和至少2个接触TGV 310，所述多个电极TGV 305可以通过至少部分填充电极材料320来进行金属化。虽然本文所述的是至少部分填充电极材料320，但是也可以使用其他方法来对电极TGV进行金属化，包括但不以任何方式限于：保形金属涂覆来提供传导路径，然后用聚合物填充材料对孔进行气密密封。如本文所用，术语“电极材料”指的是用于在本文的基于玻璃的电化学传感器中形成电极的材料。电极材料320通常是耐腐蚀性且抗氧化材料，其可以在用作电极的同时维持与玻璃层的气密密封。电极材料320可以由贵金属(包括但不以任何方式限于铂、金或其组合)制造(步骤b)。在腐蚀和氧化较不敏感或者传感器的使用寿命较短的其他实施方式中，可以使用其他金属(例如铜或者金属组合)来形成电极材料。此外，如果所得到的基于玻璃的电化学传感器用于生物应用的话，则传感器可以由自组装单层(SAM)或者在金属电极上具有粘结功能的材料制造。

一旦电极TGV 305经过金属化或者任意其他方式气密密封，所述多个接触TGB 310至少部分填充导电材料325。导电材料325可以包括：铜、金、铝、银、铂、锡、铅、导电聚合物，或其组合(步骤c)。可以添加铜或者另一种导电材料来形成电极TGV 305中的材料与接触TGV 310中的材料之间的连接桥330(步骤d)，其后续会连接到印刷电路板(PCB)或者其他加工界面。根据一个实施方式，添加用于形成连接桥330的材料可以包括但不以任何方式限于：铜、金、铝、银、铂、锡、铅、导电聚合物，或其组合。可以形成穿过玻璃片的孔315，以限定用于小型化的基于玻璃的电化学传感器200的气体感应端口(步骤e)。在一些例子中，孔315的直径可以是约400μm或者约300μm或者约200μm或者约100μm或更小，包括其间的所有范围；在其他例子中，孔315的直径可以是一些其他合适的尺寸。根据一个示例性实施方式，孔315的尺寸使得电解质230经由毛细管作用维持在小型化的基于玻璃的电化学传感器200的腔体215中。或者，可以通过与孔315相邻的(未示出的)疏水性或可透气隔膜将电解质维持在腔体中。一旦形成并经过金属化，玻璃片后续可以粘结到其中具有腔体的一个或多个下部玻璃板，如图7和8所示，从而形成基于玻璃的电化学传感器200，然后可以将其电连接到PCB或者其他加工界面。

在如图4所示的另一个实施方式中，可以使用用于形成基于玻璃的电化学传感器的替代方法400，其中，相比于图3的方法，需要较少的贵金属来形成传感器。根据图4所示的示例性方法400，作为电极基材的玻璃片403可以经过图案化处理以形成多个TGV(步骤a)，类似于图3所示的方法。在一些例子中，可以采用激光系统在玻璃片403中形成TGV。可以通过如下方式形成TGV：对玻璃片403上的局部区域进行激光烧蚀或者激光破坏加工，之后如果需要的话，任选地对所述局部区域进行蚀刻，以去除被烧蚀或被破坏材料以形成TGV。形成的TGV中的一些可以是电极TGV 405，而其他可以是接触TGV 410。一旦经过图案化处理，所述多个电极TGV 405至少部分填充电极材料420。电极材料420通常是耐腐蚀性且抗氧化材料，其可以在用作电极的同时维持与玻璃层的气密密封。电极材料420可以由贵金属(包括但不以任何方式限于铂、银、金或其组合)制造(步骤b)。

如图4所示，相比于图3的方法，在每个电极孔405中沉积了较少的电极材料。在所述的用电极材料420至少部分填充电极TGV 405之后，所述多个电极TGV 405的剩余体积以及所述多个接触TGB 410至少部分填充导电材料422、425，例如：铜、金、铝、银、铂、锡、铅、导电聚合物，或其组合(步骤c)。然后，可以添加铜或另一种导电材料来形成电极TGV 405中的材料与接触TGV 410中的材料之间的连接桥430(步骤d)。根据一个实施方式，添加用于形成连接桥430的材料可以包括但不以任何方式限于：铜、金、铝、银、铂、锡、铅、导电聚合物，或其组合。此外，虽然本方法描述成在分开的步骤中至少部分填充所述多个电极TGV 405和所述多个接触TGV 410，以及用导电材料422、425形成连接桥430，但是，可以在单个步骤中，用相同或不同的材料，来进行电极TGV 405和所述多个接触TGV 410的部分填充以及形成连接桥430。

可以形成穿过玻璃片的孔415，以限定用于小型化的基于玻璃的电化学传感器200的气体感应端口(步骤e)。在一些例子中，孔415的直径可以是约400μm或者约300μm或者约200μm或者约100μm或更小，包括其间的所有范围；在其他例子中，孔415的直径可以是一些其他合适的尺寸。玻璃片403后续可以结合到其中具有腔体的一个或多个下部玻璃板，从而形成基于玻璃的电化学传感器200，然后可以将其电连接到PCB或者其他加工界面。

图5是使用TGV在玻璃基材上形成电极，然后可以将其用于形成基于玻璃的电化学传感器的另一个替代方法500的例子。根据图5所示的方法500，作为电极基材的玻璃片503可以经过图案化处理以形成多个TGV(步骤a)。在一些例子中，可以如上文所述采用激光系统和可适用的方法在玻璃片503中形成TGV。在所示的实施方式中，TGV可以包括电极TGV505。一旦形成，所述多个电极TGV 505至少部分填充导电材料525(例如，铜、金、铝、导电聚合物，或其组合)的塞子(步骤b)。在一些实施方式中，电极孔TGV可以至少部分填充导电金属(通常是铜或银)，它们通过如下方式沉积：无电镀覆或者电镀，或者物理气相沉积(PVD)(其可以包括：喷溅、热蒸发和电子束蒸发)，以及激光烧蚀方法，或者其可以是通过丝网印刷、手术刀或喷墨印刷方法沉积的导电糊料。导电糊料包括金属糊料，其主要含有金属(例如，铜、铂或银)，以及焊料玻璃、粘合剂和有机溶剂。或者，糊料可以包含低熔融焊料，例如：Sn-Pb、Sn-Ag-Cu或Sn-Sb。或者，也可以使用金属(通常是Ag或Cu)填充的聚合物糊料。然后，可以通过化学和机械力的任意组合对孔进行平坦化处理，使得表面光滑。此外，可以添加铜或者一些其他导电材料以形成玻璃片503的第一侧上的电极TGV 505中的材料与电极材料520(例如，可以沉积在玻璃片503的第二侧上的铂)之间的连接桥530，如上文所述(步骤c)。在形成电极材料的情况下，可以形成穿过玻璃片503的孔510(步骤d)。在一些例子中，孔510的直径可以是400μm或者约300μm或者约200μm或者约100μm或更小，包括其间的所有范围；在其他例子中，孔510的直径可以是一些其他合适的尺寸。后续可以将玻璃片503粘结到其中具有腔体的一个或多个下部玻璃板，从而形成基于玻璃的电化学传感器。

虽然在图3-5中将本文示例性系统和方法描述为在电化学传感器的顶部部分中形成电极和接触件，但是可以将任意数量的通过本文系统和方法实现的接入点和取向结合到电化学传感器中，包括玻璃片303、403、503上的电极和/或接触件的底部或侧面布置。

图6是根据一个实施方式的示例性的基于玻璃的电化学传感器板600的俯视图。如所示，基于玻璃的电化学传感器板600可以包括多个铂填充或者其他电极材料填充的电极TGV 605，以及多个铜填充或者其他导电材料填充的接触TGV 610。可以通过形成连接桥615的多个铜垫或铜迹线将所述多个电极TGV 605连接到所述多个接触TGV 610。构成连接桥615的所述多个铜垫或铜迹线形成再分布层(RDL)，用于使得连接性通往印刷电路板或者其他电路。可以将基于玻璃的电化学传感器板600粘结到其中具有腔体的下部玻璃板，从而形成基于玻璃的电化学传感器。可以根据上文在图3-5中具体描述的任意示例性方法来形成所示的电极TGV 605和接触TGV 610。

图7是根据一个示例性实施方式的基于玻璃的电化学传感器700的分解透视图。如所示，基于玻璃的电化学传感器700可以包括三层：基于玻璃的电化学传感器板710，其可以是图6所示的基于玻璃的电化学传感器板600的例子；其中具有腔体725的中间玻璃层720；以及底部玻璃层730。此外，如图7所示，基于玻璃的电化学传感器板710可以包括：多个电极TGV 715，其连接到形成在基于玻璃的电化学传感器板710的下侧上的多个电极718，以及多个接触TGV 705，它们可以是图6所示的电极TGV 605和接触TGV 610的例子。所述三层710、720、730中的每一层可以粘结到一起以形成基于玻璃的电化学传感器700，并且形成在每一层中的接触TGV 705可以连接从而将信号传输到底部玻璃层的下侧。为了方便解释的缘故，图7没有显示在电极TGV 715与接触TGV 705之间形成连接桥从而形成RDL的所述多个铜垫或铜迹线。

图8是根据一个示例性实施方式的基于玻璃的电化学传感器800的组装好的透视图。如所示，基于玻璃的电化学传感器800可以是如图7所示的基于玻璃的电化学传感器700的例子。同样地，出于示意性目的，没有显示电极TGV 815与接触TGV 805之间的所述多个铜垫或铜迹线。基于玻璃的电化学传感器800可以由三层形成，包括：传感器板810、其中具有腔体的中间玻璃层820以及底部玻璃层830。传感器板810可以包括多个电极TGV 815，其从传感器板的顶表面延伸到形成在传感器板810的下侧上的多个电极818，在那里它们暴露于形成在中间玻璃层820中的腔体(未示出)。此外，传感器板810可以包括接触TGV 805，其从传感器板810的顶表面延伸穿过中间玻璃层820并到达底部玻璃层830的底表面，然后在那里，它们可以与PCB或者其他加工界面附连。

在替代实施方式中，不同于在顶部传感器板810中放置多个经过填充的电极孔和接触孔，作为替代，孔可以形成在底部玻璃层830上。这种构造会消除对于接触TGV 805的需求。在这种替代实施方式中，会向底部玻璃层的下侧施加RDL。然后，向顶部传感器板810添加气体端口840，以实现气体进入腔体并与底部玻璃层中的所述多个电极孔接触。虽然图7和8描述了从3层分开的玻璃层形成基于玻璃的电化学传感器800，但是如果底部层是其中形成有合适腔体的单层玻璃层的话，示例性的基于玻璃的电化学传感器800可以由2层分开的玻璃层形成，所述腔体可以通过如下方式形成：对顶部传感器板810上的局部区域进行激光烧蚀或激光破坏加工，之后如果需要的话，任选地对所述局部区域进行蚀刻，以去除被烧蚀或被破坏的材料以形成TGV。

图9所示是用于形成三层堆叠的晶片水平加工方法900的例子。如图9所示，可以将玻璃盖905、玻璃插入层910和底部玻璃层915粘结到一起以形成密封堆叠920。在一些例子中，可以采用粘合剂(如果化学品是化学相容的话)、玻璃玻璃料或者通过激光密封完成粘结。如上文所述，取决于传感器设计，可以在玻璃盖905、玻璃插入层910和/或底部玻璃层915的任何一个中，形成电极TGV和接触TGV，并进行至少部分填充和/或完全金属化。一旦形成了密封堆叠(包括形成电极和电接触)，如果采用晶片水平加工方法形成的话，玻璃盖905会含有多个裸晶传感器布局，包括：电极材料320、420、520(其可以形成在电极中)，导电材料325、425、525(其可以形成在接触中)，以及连接桥330、430、530，用于形成多个玻璃传感器；玻璃插入层910会具有多个对应的腔体；以及底部玻璃层会完成现组装好的基于玻璃的电化学传感器200中的每一个的腔体215。一旦组装好，组装好的基于玻璃的电传感器中的每一个可以从密封堆叠920切割或冲压出来并电连接到印刷电路板(PCB)或其他加工界面，然后用于电子装置。示例性电子装置包括但不以任何方式限于：智能手机、可穿戴物、汽车、家庭安全监测、TSA监测装置、排放传感器、机舱空气质量传感器、室内空气质量传感器和标准电器等。

图10a和10b显示用于四电极的基于玻璃的电化学传感器的示例性TGV布置。更具体来说，图10a显示电化学传感器的裸晶水平布局1000-a。如图10a所示，裸晶水平布局包括多个接触TGV 1010、电极TGV 1005和气体端口1015。图10b显示晶片布局1000-b，每个晶片1030具有6102个裸晶水平布局1000-a。如图10b所示，本文示例性系统和方法实现了高体积的基于玻璃的电化学传感器的快速生产。具体来说，使用激光加工形成TGV的玻璃晶片的一个优势在于，能够向制造工艺应用晶片水平加工，从而降低成本和增加制造能力。

图11是气体端口1105和多个TGV 1110(其采用激光加工之后通过酸蚀刻过程形成在晶片中，如上文所述)的图像1100。如图11的图像所示，形成的气体端口1105的直径约400微米，以及形成的所述多个TGV 1110中每一个的直径约50微米。虽然形成的气体端口1105的直径约400微米而形成的TGV 1110的直径约50微米，但是本文示例性方法可以用来在玻璃晶片中形成通孔(via)和孔(hole)，范围是从用于激光烧蚀或激光破坏加工的激光直径到一厘米或更大。

图12显示用本文所述的激光加工和酸蚀刻方法加工以形成多个TGV 1210的玻璃晶片1200。玻璃晶片1200可以被称作玻璃插入层910，具有多个口袋，形成贯穿晶片作为TGV或者仅形成部分穿过玻璃晶片1200，其图案化在玻璃插入层910的表面上起到组装好的传感器中的腔体的作用。这个层可以用于形成基于玻璃的电传感器的腔体部分，例如图7的725所示，然后可以将其与上部层和下部层结合(如上文所述)，从而形成基于玻璃的电化学传感器。

图13是根据本公开的一些实施方式，用于形成基于玻璃的电化学传感器200的示例性方法1300。如所示，方法1300可以包括：形成多个贯穿玻璃通孔(TGV)305、405、505，用于在会作为电极基材的玻璃片303、403、503中形成多个电极，如上文所述(步骤1305)。一旦形成电极TGV 305、405、505，所述多个电极TGV中的每一个可以填充电极材料320、420、520(步骤1310)。此外，可以在玻璃片303、403、503中形成多个接触TGV 310、410、510，以促进基于玻璃的电化学传感器200与PCB或其他加工界面之间的电接触(步骤1315)。可以在导电材料上进行额外图案化处理(patterning)，以形成连接了电极TGV 305、405、505中的材料与接触TGV 310、410、510的连接桥330、430、530(步骤1320)。一旦完成图案化处理和使得电极TGV 305、405、505与布置在接触TGV 310、410、510中的材料电接触，可以在玻璃基材中形成至少一个孔315、415、510(步骤1325)。当形成了含电极的玻璃基材，根据一个示例性实施方式，可以将第二玻璃板与含电极的第一玻璃基材粘结(步骤1330)。如上文所述，如果第二玻璃板包括除了会与电极基材或第一玻璃基材的地方之外的其他所有地方都密封的孔口，则可以将单个玻璃板粘结到电极基材以完成基于玻璃的电传感器。但是，如果第二玻璃板具有一个或多个通孔，可以使用第三玻璃板来密封通孔并限定基于玻璃的电传感器的腔体。

一旦将包含电极的第一玻璃板粘结到适当的玻璃板，可以从密封堆叠分离每个所得到的基于玻璃的电传感器，可以将电解质插入室中，以及然后可以将基于玻璃的电传感器电连接到印刷电路板(PCB)或者其他加工界面，以及然后与更大的装置组装，包括但不以任何方式限于：智能手机、可穿戴物、汽车、家庭安全监测和电器等。

图14显示适合执行本文示例性的基于玻璃的电传感器1460的电脑系统1400的框图。所示的电脑系统1400可以是上文所述的装置中的一个例子，例如：智能手机、可穿戴物、汽车、家庭安全监测或者其他电器。虽然详细描述了多个组件，但是本文示例性的基于玻璃的电传感器1460可以整合到任意数量的电脑系统中，所述电脑系统包括图14中具体的所有元件、一些元件或者没有包括图14中的元件。具体来说，本文的基于玻璃的电传感器1460可以连接到片上系统(SOC)装置，其中，传感器的功能与芯片上的其他组件相关联而不是通过总线或者其他系统。

如图14所示，电脑系统1400包括：总线1402，其使得电脑系统1400的主要子系统互连的，所述子系统是例如中央处理器1404、系统存储器1406(通常为RAM，但也可能包括ROM或者闪存RAM等)、输入/输出控制器1408、经由音频输出接口1412的外部音频设备(例如扬声器系统1410)、操作成接收磁盘，存储卡或芯片1434的外部设备(例如磁盘、卡或芯片单元1432)；通过显示适配器1416的显示屏1414；串行端口1418和鼠标1420；键盘1422(与键盘控制器1424接口)；多个USB装置1426(与USB控制器1428接口)；存储接口1430；主机总线适配器(HBA)接口卡1436A，其操作成与光纤通道网络1438连接；主机总线适配器(HBA)接口卡1436B，其操作成连接到SCSI总线1440；以及操作成接收光盘1444的光盘驱动器1442。还包括鼠标1446(或者经由串行端口1418连接到总线1402的其他点击装置)，网络调制解调器1448(经由串行端口1418连接到总线1402)以及网络接口1450(直接连接到总线1402)。

总线1402实现了中央处理器1404与系统存储器1406(其可以包括只读存储器(ROM)或闪存(都未示出)或者随机存取存储器(RAM)(未示出))之间的数据通讯，如上文所述。RAM通常是装载操作系统和应用程序的主要存储器。ROM或闪存可以含有基本输入输出系统(BIOS)(其控制基本硬件运行，例如，与周围组件或装置的交互)等其他代码。通常，驻留在电脑系统1400上的应用存储在非临时性计算机可读介质上并通过其进行访问，例如硬盘驱动器(例如，固定磁盘驱动器1452)，光盘驱动器(例如，光盘驱动器1442)或其他存储介质。此外，应用可以是电信号的形式，当经由网络调制解调器1448或网络接口1450访问时，其可以是根据应用和数据通信技术进行调制解调。

与电脑系统1400的其他存储接口一样，存储接口1430可以连接到用于存储和/或检索信息的标准计算机可读介质，例如固定磁盘驱动器1452。固定磁盘驱动器1452可以是电脑系统1400的一部分，或者可以是分开的并且通过其他接口系统访问。网络调制解调器1448可以经由电话链路提供到远程服务器的直接连接，或者经由互联网服务提供商(ISP)提供到互联网的直接连接。网络接口1450可以经由直接网络链路提供到远程服务器的直接连接，或者经由POP(网络服务点)提供到互联网的直接连接。网络接口1450可以采用无线技术提供此类连接，包括：数字蜂窝电话连接、蜂窝数字分组数据(CDPD)连接或者数字卫星数据连接等。

如图14所示，基于玻璃的电化学传感器1460可以整合到电脑系统1400中。当电化学传感器检测到化学品的化学水平或编程水平时，可以通过总线将信号传输到中央处理器1404，然后其可以访问系统存储器1406上的指令，所述指令规定了中央处理器1404后续要执行何种操作(如果存在的话)。

可以以类似的方式连接许多其他装置或者子系统(未示出)(例如，文件扫描器、数字照相机等)。相反地，不一定需要存在图14所示的所有装置来实践本文系统和方法。可以以与图14所示不同的方式使得装置和子系统互联。电脑系统1400的至少一部分(例如，图14所示)的操作是本领域已知的，并且没有在本申请中详细讨论。用于执行本公开的代码可以储存在非临时性计算机可读取介质中，例如以下一种或多种：系统存储器1406，磁盘、存储卡或芯片1434；固定磁盘驱动器1452；或者光盘1444。电脑系统1400上提供的操作系统可以是

或者其他已知的操作系统。

应理解的是，可能仅在一个实施方式中描述了一些组件、特征和/或构造，但是这些相同的组件、特征和/或构造可以应用于或者用于许多其他实施方式或者与许多其他实施方式联用，并且应被认为可适用于所述其他实施方式，除非另有明确说明或者此类组件、特征和/或构造在技术上无法用于所述其他实施方式。因此，各种实施方式的组件、特征和/或构造可以以任意方式组合，并且通过该声明明确考虑和公开了此类组合。

权利要求中所陈述的术语应当通过参考广泛使用的一般词典和/或相关技术词典中的相关条目，本领域技术人员通常理解的含义等来确定它们的普通和惯用含义，并且要理解的是，权利要求书的术语具有这些来源中的任何一个或其组合所赋予的最广泛的含义(例如，两个或多个相关的词典条目应该被组合以提供条目组合的最广泛含义等)，仅受以下例外的约束：(a)如果一个术语的使用方式比其普通和习惯含义更广泛，则该术语应赋予其普通和习惯含义加上额外的扩展含义，或(b)如果术语已明确定义通过如下方式进行了陈述具有不同含义，所述术语是“如本文件中使用的术语应该表示”或类似语言(例如，“这个术语的意思是”，“这个术语定义为”、“出于本公开的目的，这个术语应该表示”等)。

对具体例子的引用，使用“即”，使用用语“本发明”等并不意味着引用例外(b)或以其他方式限制所述权利要求术语的范围。除了适用例外情况(b)的情况外，本文件中所含的任何内容均不应视为放弃权利要求或对权利要求范围的否认。

权利要求中所陈述的主题不与本文件中所示的任何实施方式、特征或特征的组合共同延伸，并且不应被解释为与其共同延伸。即使在本文件中说明和描述了特征的单个实施方式或者特征的组合时，也是如此。因此，所附权利要求书应该鉴于现有技术和权利要求书术语的含义给出它们最宽泛的解释。

空间或方向术语，例如“左”、“右”、“前”、“后”等涉及其在附图中所示的主题。但是，要理解的是，所述的主题可假定具有各种替代取向，因此，此类术语不应解读为限制性的。

冠词，例如“该”、“一个”和“一种”可以表述单数或复数。此外，用词“或”的使用当没有先行的“任一”(或者表明“或”是明确表示排除性的其他类似用于，例如，x或y中的仅一个)应该解读为包含性的(例如，“x或y”表示x或y中的一个或两个)。

术语“和/或”也应解读为包含性的(例如，“x和/或y”表示x或y中的一个或两个)。在“和/或”或者“或”用于一组三个或更多个项目的情形时，应该将组理解为仅包含一个项目，包含全部项目一起，或者项目的任意组合或数量。此外，用于说明书和权利要求书的术语，例如：具有、有、包含了和包括了应解读为与术语包括和包含相同含义。

除非另有说明，否则(除了权利要求书之外)说明书中的表示尺寸、物理特性等的所有数字或表述也应理解为在所有情况下用术语“约”修饰。最低限度，并且不试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围，说明书或权利要求中所陈述的用术语“约”修饰的每个数值参数应至少根据所述有效数字的数量并应用一般的四舍五入技术进行解读。

将所有揭示的范围理解为包含并提供对陈述了任何和所有子范围或由每个范围所包含的任何和所有单个值的权利要求的支持。例如，应该将陈述的1至10的范围视作包含并提供对陈述了介于和/或包含最小值1和最大值10之间的任何和所有子范围或个别值的支持；也就是说，所有的子范围开始于最小值1或更大和终止于最大值10或更小(例如，5.5至10，2.34至3.56等)，或者1至10的任意值(例如，3、5.8、9.9994等)。

所有公开的数值应被理解为在任一方向上从0-100％变化，因此为陈述了此类值的权利要求或者可由此类值形成的任何和所有范围或子范围提供支持。例如，陈述的数值8应理解为从0到16变化(在任一方向上为100％)并且为陈述该范围本身的权利要求(例如，0到16)，范围内的任何子范围(例如，2到12.5)或者该范围内的任何单个值(例如，15.2)提供支持。

流程图和流程图中的框图显示了根据本实施方式的各种实施方式的系统、方法和产品的可行实践的建筑、功能和操作。

应注意的是，框图和/或流程图说明中的每个框，以及框图和/或流程图说明中的框的组合可以由执行指定功能或行为的基于硬件的专用系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读取介质中，其可以引导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式发挥作用，使得存储在计算机可读取存储介质中的指令产生包括指令装置的制造产品，所述指令装置实现流程图和/或框图中框或多个框的指定功能/行为。

这个文件中所描述的技术可以通过由一个或多个处理器执行一个或多个计算机程序来实践。计算机程序包括储存在非临时性有形计算机可读取介质上的计算机可读取指令。计算机程序还可以包括储存的数据。非临时性有形计算机可读取介质的非限制性例子是非易失性存储器、磁性存储器和光学存储器。

本文件中存在的操作不必然与任何特定设备相关。各种通用目的的系统也可以根据本文件中的教导使用程序，或者可以证明构造更专用的设备来执行所需的方法步骤是方便的。这些各种系统所需的结构及其等价变化形式对于本领域技术人员会是显而易见的。此外，本公开没有参照任何特定编程语言进行描述。要理解的是，可以使用各种编程语言来实践本文件所描述的本公开的教导，并且任何涉及具体语言是为了为本文示例性系统和方法提供可行和最佳模式。

提供实施方式的上述描述是为了阐述和说明目的。并不旨在对本公开进行穷举或限制。特定实施方式的个体元素或特征通常不限于该特定实施方式，相反地，当适用时，是可互换的并且可以用于选定实施方式中，即使没有具体显示或描述出来。同样也可以以多种方式变化。此类变化不应视作背离本公开，并且所有此类变化都旨在包括在本公开的范围内。

Claims (38)

1.一种形成玻璃电化学传感器的方法，其包括：

在玻璃基材中形成多个贯穿玻璃通孔(TGV)；

在玻璃基材的底表面上形成与TGV中的至少一个相邻的电极；以及

将电极与玻璃基材的顶表面通过所述TGV中的至少一个电连接。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括：

在第一玻璃层中形成腔体；以及

将第一玻璃层的第一侧与基材的底表面粘结，使得电极位于腔体中。

3.如权利要求2所述的方法，其还包括：

将第一玻璃层的第二侧与第二玻璃层粘结；

其中，第二玻璃层是实心的，使得第一玻璃层中的腔体在除了被玻璃基材限定的侧面之外都被密封。

4.如权利要求3所述的方法，其中，将第一玻璃层粘结到玻璃基材以及将第一玻璃层粘结到第二玻璃层包括：

采用粘合剂、玻璃玻璃料或激光密封中的至少一种，来粘结第一玻璃层、玻璃基材和第二玻璃层。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其还包括将玻璃电化学传感器连接到印刷电路板，所述印刷电路板构造成检测进入第一玻璃层中的腔体的气体的浓度。

6.如权利要求1所述的方法，其还包括在玻璃基材中形成感应端口孔隙。

7.如权利要求1所述的方法，其中，将电极与玻璃基材的顶表面通过所述TGV中的至少一个电连接还包括在所述TGV中的至少一个中沉积导电材料。

8.如权利要求7所述的方法，其中，导电材料包括：铜、金、铝、银、铂、锡、铅、导电聚合物，或其组合。

9.如权利要求7所述的方法，其还包括在所述TGV中的至少一个中沉积电极材料。

10.如权利要求9所述的方法，其中，电极材料包括贵金属。

11.如权利要求1所述的方法，其特征，在玻璃基材中形成多个TGV还包括用激光形成所述多个TGV。

12.如权利要求11所述的方法，其中，用激光形成所述多个TGV包括对局部区域进行激光烧蚀加工或激光破坏加工，之后对所述局部区域进行蚀刻。

13.如权利要求2所述的方法，其中，当第一玻璃层与基材的底表面粘结时，形成在玻璃基材中的所述多个TGV中的至少一个的位置是在第一玻璃层中的腔体的外侧。

14.如权利要求13所述的方法，其还包括：

当第一玻璃层与基材的底表面粘结时，在第一玻璃层中，在腔体的外侧形成至少一个接触TGV，所述接触TGV构造成与玻璃基材中形成的位置是在腔体外侧的所述多个TGV中的所述至少一个对齐；

当第二玻璃层与第一玻璃层粘结时，在第二玻璃层中形成至少一个接触TGV，所述接触TGV构造成对第一玻璃层中的所述至少一个接触TGV对齐；以及

当第一玻璃层与基材的底表面粘结时，在第一玻璃层中的所述至少一个接触TGV中，在第二玻璃层中的所述至少一个接触TGV中，以及在玻璃基材中形成的位于腔体外侧的所述多个TGV的所述至少一个中，沉积导电材料；

其中，导电材料使得玻璃基材的顶表面与第二玻璃层的底表面电连接。

15.如权利要求14所述的方法，其还包括：当第一玻璃层与基材的底表面粘结时，在电连接到电极的TVG的所述至少一个与导电材料之间形成连接桥，所述导电材料沉积在第一玻璃层中的所述至少一个接触TGV中，沉积在第二玻璃层中的所述至少一个接触TGV中，以及沉积在玻璃基材中形成的位置在腔体外侧的所述多个TGV的所述至少一个中。

16.如权利要求2所述的方法，其还包括用电解质填充腔体。

17.如权利要求1所述的方法，其还包括：

在玻璃基材的底表面上形成至少两个电极；

其中，在玻璃基材中形成多个贯穿玻璃通孔(TGV)包括：

形成至少两个电气TGV，所述至少两个电气TGV中的每一个对应于且电连接到所述至少两个电极上；

形成至少两个连接TGV；以及

在所述至少两个连接TGV中的每一个与所述至少两个电气TGV中的至少一个之间形成连接桥。

18.如权利要求3所述的方法，其中，玻璃基材、第一玻璃层和第二玻璃层中的至少一个包括玻璃晶片。

19.如权利要求7所述的方法，其中，在TGV的所述至少一个中沉积导电材料包括通过以下至少一种来沉积材料：糊料填充、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或者原子层沉积。

20.如权利要求1所述的方法，其中，玻璃基材包括以下至少一种：

石英、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、碱性硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、碱性铝硼硅酸盐玻璃或者熔凝二氧化硅玻璃。

21.一种玻璃电化学传感器，其包括：

包含多个贯穿玻璃通孔(TGV)的玻璃基材，其中，所述多个TGV至少部分填充了电极材料；

沉积在玻璃基材的底表面上与TGV中的至少一个相邻的电极；以及

包含腔体的第一玻璃层；

其中，玻璃基材的底表面与第一玻璃层的第一侧粘结，使得电极位于腔体中。

22.如权利要求21所述的玻璃电化学传感器，其还包括：

布置在玻璃基材的底表面上的至少两个电极；

其中，所述多个TGV中的至少两个是电气TGV，其包含电连接到所述至少两个电极的导电材料。

23.如权利要求22所述的玻璃电化学传感器，其中，玻璃基材还包括：

含导电材料的多个接触TGV；以及

使得电气TGV中的导电材料与接触TGV中的导电材料电连接的多个连接桥。

24.如权利要求23所述的玻璃电化学传感器，其中：

所述多个电气TGV的位置是围绕玻璃基材的中心；以及

所述多个接触TGV的位置是围绕玻璃基材的周界。

25.如权利要求21所述的玻璃电化学传感器，其还包括：

第二玻璃层，其中：

第二玻璃层与第一玻璃层的第二侧粘结；以及

第二玻璃层是实心的，使得第一玻璃层中的腔体在除了被玻璃基材限定的侧面之外的所有侧面都被玻璃密封。

26.如权利要求25所述的玻璃电化学传感器，其中，采用粘合剂、玻璃玻璃料或激光密封中的至少一种，将第二玻璃层与第一玻璃层粘结。

27.如权利要求26所述的玻璃电化学传感器，其中，粘结的第一玻璃层和第二玻璃层连接到印刷电路板，所述印刷电路板构造成检测进入第一玻璃层中的腔体的气体浓度。

28.如权利要求21所述的玻璃电化学传感器，其中，玻璃基材包括以下至少一种：

石英、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、碱性硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、碱性铝硼硅酸盐玻璃或者熔凝二氧化硅玻璃。

29.一种电子装置，其包括如权利要求21-28中任一项所述的玻璃电化学传感器。

30.一种形成玻璃电化学传感器的方法，其包括：

在玻璃基材的底表面上形成至少两个电极；

形成至少两个电气TGV，所述至少两个电气TGV中的每一个对应于且电连接到所述至少两个电极中的一个；

形成至少两个连接TGV；

在所述至少两个连接TGV中的每一个与所述至少两个电气TGV中的至少一个之间形成连接桥；

在玻璃基材中形成感应端口孔隙；

提供在其中形成有孔隙的第一玻璃层；以及

将第一玻璃层的第一侧与基材的底表面粘结，使得电极位于腔体中。

31.如权利要求30所述的方法，其还包括：

采用粘合剂、玻璃玻璃料或激光密封中的至少一种，将第一玻璃层的第二侧粘结到第二玻璃层；

其中，第二玻璃层是实心的，使得第一玻璃层中的腔体在除了被玻璃基材限定的侧面之外都被密封。

32.如权利要求30至31中任一项所述的方法，其还包括将玻璃电化学传感器连接到印刷电路板，所述印刷电路板构造成检测进入第一玻璃层中的腔体的气体的浓度。

33.如权利要求30所述的方法，其中，将所述至少两个电气TGV电连接到所述至少两个电极包括在所述至少两个电气TGV中沉积导电材料。

34.如权利要求33所述的方法，其中，导电材料包括：铜、金、铝、银、铂、锡、铅、导电聚合物，或其组合。

35.如权利要求33所述的方法，其还包括在所述至少两个电气TGV中沉积电极材料。

36.如权利要求35所述的方法，其中，电极材料包括贵金属。

37.如权利要求30所述的方法，其中，形成所述至少两个电气TGV和所述至少两个连接TGV还包括用激光形成所述多个TGV。

38.如权利要求37所述的方法，其中，用激光形成所述至少两个电气TGV和所述至少两个连接TGV包括：对局部区域进行激光烧蚀加工或激光破坏加工，之后对所述局部区域进行蚀刻。

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