有配置为维持ISFET管芯压电电阻的基底或结合层的pH传感器

摘要

本发明公开了有配置为维持ISFET管芯压电电阻的基底或结合层的pH传感器。这里描述的实施例提供了配置用于在压力和温度范围上使用的pH传感器。pH传感器的ISFET管芯用结合层结合到pH传感器的基底，结合层设置在基底和ISFET管芯之间。跨压力和温度范围的压力和温度改变在pH传感器内生成环境力。此外，基底或结合层或二者在压力和温度范围上改变体积，并且基底或结合层或二者被配置使得体积改变引起抵消力，所述抵消力与环境力的至少一部分对立。抵消力被配置为在压力和温度范围上将ISFET管芯从漏极到源极的压电电阻的改变维持为小于0.5％。

说明书

关于联邦资助的研究或开发声明

本发明在美国海军研究局授予的合同号为N00014-10-1-0206的政府支持下 做出。政府对在发明中具有一定的权利。

背景技术

研究者使用传感器装置测量海洋中的pH水平。海洋中的pH水平与溶解在 海洋中的CO2的量有关。通过测量不同深度处海洋中的pH水平，研究者能够 监视全球变暖风险和海洋健康。一些pH传感器能够通过将离子敏感场效应晶体 管(ISFET)浸入海洋中测量这些水平。在海洋中，水温度和压力之间存在相反 关系。在接近表面处，温度高而压力低。在深海中，温度比较低但压力高。这 样宽的压力变化可能限制传统的pH传感器的准确度，这是由于在深海中相关联 的大的机械应力引起的测量误差。

发明内容

这里描述的实施例提供了配置用于在压力和温度范围上使用的pH传感器。 pH传感器包括基底和离子敏感场效应晶体管(ISFET)管芯。ISFET管芯包括 离子感测部分，其被配置为暴露于介质，使得其输出与介质的pH水平相关的信 号。ISFET管芯用结合层结合到基底，结合层设置在基底和ISFET管芯之间。 结合层包括设置于ISFET管芯和基底之间的至少一种成分的结合剂材料。跨压 力和温度范围的压力和温度改变在pH传感器内生成环境力。此外，基底或结合 层或二者在压力和温度范围上改变体积，并且结合层或基底或二者被配置使得 体积改变引起抵消力，所述抵消力与环境力的至少一部分对立。抵消力被配置 为在压力和温度范围上将ISFET管芯从漏极到源极的压电电阻的改变维持为小 于0.5％。

附图说明

图1是pH传感器的实施例的横截面视图，包括将ISFET管芯附着到基底 的结合层。

图2是图1的结合层的实施例的顶视图。

图3A-3D是图1的结合层的其他实施例的顶视图。

图4A和4B是图1的结合层的再其他实施例的顶视图，其中结合层使用单 种结合剂材料将基底附着到ISFET管芯。

图5A-5E是图1的结合层的又其他实施例的顶视图。

图6是图1的结合层的另一实施例的顶视图，其中结合层包括彼此不正交 的材料条带。

图7A-7F图示了图1的结合层中设置的结合剂材料条带的不同实施例。

图8是形成图1的pH传感器的方法的一个实施例的流程图。

图9A图示了从各向异性单晶体形式的固体形成基底层的实施例。

图9B图示了使用对齐的纤维合成物形成基底层的实施例。

图10是形成图1的pH传感器的方法的另一实施例的流程图。

图11是由图1的pH传感器实现的效果的数学模型的示例。

根据通常的实践，各描述的特征并未按比例绘制，而是绘制来强调与本描 述相关的特征。附图标记贯穿图和文本表示相似元件。

具体实施方式

图1是pH传感器2的示例的横截面视图。pH传感器2包括ISFET管芯10， 其具有离子感测部分12，离子感测部分12在其中制造来感测与其接触的介质的 pH。pH传感器2被配置为向介质(例如海水或海洋的水)暴露离子感测部分 12的至少一部分以测量其pH。ISFET管芯10具有通常为平面的结构，限定了 第一(主)表面，与第一表面相反的第二(主)表面，以及围绕介于第一表面 和第二表面之间的侧的一个或多个边缘。ISFET管芯10的第一表面具有形成在 其中制造的离子感测部分12。

ISFET管芯10安装到基底70，基底70为ISFET管芯10提供了机械支撑。 基底70通常为平面结构，具有第三(主)表面，与第三表面相反的第四(主) 表面，以及围绕介于第三表面和第四表面之间的侧一个或多个边缘。ISFET管 芯10的第二表面结合于基底70的第三表面。在一些示例中，基底70具有基本 上各向同性的机械性质，其中基底70在平行于平面结构限定的平面的所有方向 上的热膨胀系数(CTE)基本上是相同的。在这样的示例中，基底70可以为氧 化铝或氮化铝形成的陶瓷。在其他示例中，基底70在平行于平面结构限定的平 面的方向上具有各向异性(例如正交各向异性)的机械性质(见图9A-9B)。基 底70可以安装到头部40。在一些示例中，基底70安装到头部，其中层80设置 于基底70和头部40之间。在示例中，层80可以是环氧树脂形成的。在其他示 例中，基底70直接安装到头部40，而在基底70和头部40之间未设置层80。

基底70还限定了用于一个或多个电插针42的通孔。一个或多个导线14提 供了ISFET管芯10和在管芯10外部的电路之间的电连接。导线14还可以结合 到至少一个电插针42。在一个示例中，将导线14嵌入结合层20(以下讨论) 的结合剂材料内可以给一个或多个导线14提供对于温度和压力改变的增加的保 护。另外，在进一步示例中，导线14可以结合到一个或多个电插针42。可以围 绕介于导线14和至少一个电插针42之间的导线结合形成保护体43，保护体43 可以包括部分真空。

在示例中，pH传感器2还包括放置在ISFET管芯10周围的盖72。在一个 示例中，盖72包括与基底70同样的成分。在其他示例中，盖72可以包括与基 底70不同的材料。在一些示例中，基底70和盖72为ISFET管芯10提供了刚 性支撑以减少由于压力和温度改变引起的可重复的应变。在一些示例中，保护 层44可以形成在盖72和ISFET管芯10的部分上。在一个示例中，通过遮蔽结 合层20的结合剂材料以防由于暴露于盐水而造成的长期降级来保护pH传感器。 在示例中，当浸入盐水内时保护层44可以几乎是化学惰性的。

在图1所示的示例中，pH传感器2包括设置在基底70和盖72之间的一个 或多个区域内的熔块材料22，将基底70结合到盖72。pH传感器2还包括设置 在ISFET管芯10和基底70之间的结合层20。结合层20将基底70结合到ISFET 管芯10。在一些示例中，结合层20可以包括一种或多种成分的结合剂材料的一 个或多个条带。在一些示例中，结合层20可以包括结合剂材料的同质成分以将 基底70结合到ISFET管芯。在其他示例中，结合层20可以包括各向异性材料 的单种成分。在示例中，基底70可以使用阳极结合、共晶结合或粘合结合的技 术结合到ISFET管芯10。

传统pH传感器的准确度可能受到测量误差的限制，测量误差由与诸如深海 的使用环境相关联的机械应力和与使得传感器足够结实以在宽压力变化上操作 相关联的包装应力引起。这些误差可能由ISFET管芯10的各向异性压电电阻特 性引起。特别地，在ISFET管芯10上的机械应力可能改变传输通过ISFET管 芯10的电载体。

这里描述的主题提供了pH传感器2，其通过减少压力和温度在ISFET管芯 10上引起的机械应力减少了压电电阻pH传感器的误差。特别地，这里描述的 pH传感器通过以下方式维持ISFET管芯从漏极到源极的压电电阻：引起在 ISFET管芯10上的依赖于压力和温度的力，并且抵消在ISFET管芯10上的其 他压力和温度引起的机械力的至少一部分。该抵消依赖压力和温度的力由在介 于ISFET管芯10和结合层20或基底70的任一或两者之间的至少一个方向的热 膨胀系数(CTE)的差异或弹性模数的差异或泊松比的差异引起；且在这里也 称为“CTE失配效应”。

转到图11，在图11中示出了在压力和温度范围上的CTE失配效应的数学 模型。在如图11所示的示例中，状态1和状态2分别表示ISFET管芯在温度 T₁和T₂的压电电阻。如图11所示，CTE失配效应用于减少在压力和温度范围 上从漏极到源极的压电电阻的改变。理想地，在压力和温度范围内的任意两个 压力和温度之间的压电电阻改变为零，如图11所示(状态1≈状态2)；然而， 实际上将很可能存在压电电阻的一些改变。在状态1，ISFET管芯10在初始温 度T₁具有初始压电电阻系数矩阵π₁。在状态1，初始应力矢量σ₁是在状态1的 压力和温度下在ISFET管芯上生成的应力。应力σ₁取决于ISFET管芯10的弹 性模数E₁、泊松比PR₁和应变ε₁。应变ε₁取决于热膨胀系数CTE₁。在图11所 示的示例中，ISFET管芯10的压电电阻系数π随压力和温度的改变而改变。

如图11所示，在T₂，ISFET管芯的压电电阻取决于压电电阻系数矩阵π₂和应力矢量σ₂。应力矢量σ₂是环境应力σ_2a和抵消应力σ_2b造成的净应力。在 ISFET管芯10上生成环境应力σ_2a归因于环境中的压力和温度变化。压电电阻 系数π₂和环境应力σ_2a将造成ISFET管芯10在状态2的压电电阻，该压电电阻 与其在状态1的压电电阻不同。为了维持在两个不同温度下ISFET管芯10从漏 极到源极的压电电阻，可以在ISFET管芯10上生成抵消应力σ_2b，其至少与环 境应力σ_2a的一部分对立。得到的净应力矢量σ₂在值上更接近于初始应力矩阵 σ₁。

该抵消应力σ_2b可以通过裁剪结合层20或基底70的任一或两者来生成。特 别地，结合层20或基底70或两者的随温度改变的体积改变被用于引起在ISFET 管芯10上的抵消应力σ_2b，其维持从漏极到源极的压电电阻。抵消应力σ_2b可以 由ISFET管芯10上的弹性模数(E2)的有效大小和方向依赖性、泊松比(PR₂) 的有效大小和方向依赖性，或热膨胀系数(CTE₂)的有效大小和方向依赖性而 导致。在一些实施例中，在CTE失配效应后的ISFET管芯10的压电电阻敏感 性可以减少到它的初始压电电阻敏感性的十分之一。例如，在具有1-2％压电电 阻的ISFET管芯内，电阻中归因于从漏极到源极的压电电阻ΔR/R的相对百分 比改变在压力和温度范围上可以维持在0.1-0.2％内。在示例中，从漏极到源极 的压电电阻的改变可以维持为小于0.5％。

获取CTE失配效应的一种方式为通过选择各向异性材料的成分，该选择通 过引起不同方向上的不同大小的力来响应压力和温度的改变(见图9-10)。通过 体积的改变获取这样的效应，该体积的改变归因于关于ISFET管芯10的基底 70或结合层20中任一个或两者的热膨胀/收缩。在一些示例中，各向异性材料 用于构造基底70。基底70被定向，以使得在不同压力和温度下基底70在热膨 胀/收缩期间引起的力在将抵消ISFET管芯10上的其他机械力的方向发生。在 参考图9-10描述的实施例的一些实现中，结合层20包括同质的结合剂材料的成 分。在示例中，基底70是正交各向异性的。在其他示例中，结合层20由各向 异性结合剂材料组成，使得它通过在不同方向上引起不同大小的力以抵消ISFET 管芯10上的其他机械力来响应压力和温度的改变。在进一步的示例中，结合剂 材料具有正交各向异性的机械性质。

在各向异性配置的进一步实施例中，当基底70或结合层20具有的一个方 向上的CTE与其第二方向上的CTE不同，使得在不同压力和温度下由基底70 或结合层20引起的力抵消了ISFET管芯10上的其他机械力时，获得了CTE失 配效应。基底70或结合层20的体积取决于其CTE而改变。在一些示例中，基 底70或结合层20的弹性模数在变化的压力和温度下在所有方向恒定。在一些 示例中，基底70或结合层20的泊松比在变化的压力和温度下在所有方向恒定。

在各向异性配置的再另一实施例中，当基底70或结合层20在一个方向上 具有的弹性模数与其第二方向上的弹性模数不同，使得在不同压力和温度下由 基底70或结合层20引起的力抵消了ISFET管芯10上的其他机械力时，获得了 CTE失配效应。基底70或结合层20的体积取决于其弹性模数而改变。在一些 示例中，基底70或结合层20的CTE在变化的压力和温度下在所有方向恒定。 在一些示例中，基底70或结合层20的泊松比在变化的压力和温度下在所有方 向恒定。

在各向异性配置的又另一实施例中，当基底70或结合层20在一个方向上 具有的泊松比与其第二方向上的泊松比不同，使得在不同压力和温度下由基底 70或结合层20引起的力抵消了ISFET管芯10上的其他机械力时，获得了CTE 失配效应。基底70或结合层20的体积取决于其泊松比而改变。在一些示例中， 基底70或结合层20的弹性模数在变化的压力和温度下在所有方向恒定。在一 些示例中，基底70或结合层20的CTE在变化的压力和温度下在所有方向恒定。

获取CTE失配效应的另一方式为通过基于结合层20的CTE选择结合层20 的材料，并将该材料的一个或多个条带按图案设置在基底70和ISFET管芯10 之间(见图2-8)。一个或多个条带的定向可以被选择，以使得材料在热改变期 间引起的力在将抵消ISFET管芯10上的其他机械力的方向发生。在参考图2-8 描述的实施例的一些实现中，基底70具有各向同性的机械性质。基底70可以 由诸如氧化铝或氮化铝的陶瓷组成。

在示例中，一个或多个条带的定向被选择以获取ISFET管芯10的双轴加载。 特别地，CTE失配效应可以引起正交应变，该正交应变由于结合层20和ISFET 管芯的一种或多种材料的CTE失配而生成。有利的双轴力可以通过使用设置在 传感器管芯和它的安装基底之间的两种不同成分的玻璃熔块或结合剂来引起。 这些成分可以基于它们的热膨胀系数(CTE)选择，使得在不同的温度下两种 材料引起不同的热应变进入管芯以产生双轴加载条件。

图2是图示结合层20的示例性布局的实施例的顶视图，结合层20设置在 ISFET管芯10的第二表面上(如图1所示)。结合层20包括结合剂材料的一个 或多个条带，其按图案设置在ISFET管芯10的第二表面和基底70的第三表面 之间。在该示例中，第二表面(且因此作为整体的ISFET10)具有总体矩形的 形状，第一成分的结合剂材料的第一条带206设置在平行于ISFET管芯10的长 边207a的方向上。如图2所示，第二成分的结合剂材料的多个第二条带208设 置为与条带206正交且平行于ISFET管芯10的短边207b。在该示例中，第一 条带206比第二条带208长，第二条带208相对较短并且设置在第一条带206 的任一侧。第一和第二结合剂材料之一或两者可以由玻璃熔块组成。其他结合 剂材料也可以用于第一条带或第二条带。用于第二条带208的结合剂材料的第 二成分具有的热膨胀系数(CTE)不同于用于第一条带206的结合剂材料的第 一成分的CTE。因此，在不同温度下两种结合剂材料将引起不同的热机械力到 ISFET管芯10上。由于第一条带206与第二条带208相比定向在不同方向(例 如正交)，由条带206、208引起的组合的力将比在一个方向上更大，这将获得 CTE失配效应。

如图2所示，实施例还可以包括沿着ISFET管芯10的周界207设置的结合 剂材料的周界区段209。在该示例中，周界区段209被设置以提供边缘支撑和密 封。然而，在另一示例中，具有不同的CTE的两种不同的结合剂材料的条带可 以沿着周界被设置，使得引起到ISFET管芯上的热机械力比在一个方向上的大， 并且获得CTE失配效应(见图5D)。进一步地，在如图2所示的示例中，在周 界区段209中设置的结合剂材料具有的CTE与用于第一条带206或第二条带208 的结合剂材料不同。然而，如图3A-3D中的以下示例所示，周界区段的结合剂 材料可以具有与第一条带206或第二条带208的结合剂材料之一相同的成分。

图3A-3D图示了结合层20的各种示例，结合层20沿着ISFET管芯10的 周界使用结合剂材料的不同成分。图3A图示的示例为结合层20包括没有周界 区段的图案。在图3B中，用于第一条带316的结合剂材料的成分具有不同于用 于第二条带319的结合剂材料的成分的CTE。在周界区段319中使用的结合剂 材料的成分与用于条带316或条带318的结合剂材料的成分不具有相同的CTE。 在图3C中，用于沿着ISFET管芯10的周界的周界区段329的结合剂材料的成 分具有与用于第一条带326的成分相同的CTE，但是与用于第二条带328的成 分不具有相同的CTE。在图3D中，用于周界区段339的结合剂材料的成分具 有与用于第二条带338的结合剂材料的成分相同的CTE，但是与用于第一条带 336的成分不具有相同的CTE。在另一示例中，如果结合剂材料的第三成分用 于附加的条带以获得CTE失配效应，应理解周界区段可以使用结合剂材料的第 三成分来设置。

图4A-4B为设置在基底70和ISFET管芯10(图1中示出)之间的结合层 20的实施例，其中结合层20包括仅一种成分的结合剂材料的一个或多个条带。 在图4A所示的示例中，一成分的结合剂材料的条带406设置成平行于ISFET 管芯10(图1中示出)的边缘407a。不使用第二结合剂。为了支撑ISFET管芯 10，惰性材料402被沉积在结合层20的其余部分。惰性材料402不会施加任何 CTE力到ISFET管芯10上，但是可能通过摩擦在管芯上生成有限的剪应力。 如图4B所示，实施例可以包括一成分的结合剂材料的多个条带416和惰性材料 412，多个条带416设置成垂直于ISFET管芯10的边缘417a，惰性材料412沉 积在结合层20的其余部分。在该示例中，ISFET管芯10被惰性材料412支撑， 但是可能通过摩擦在ISFET管芯10上生成有限的剪应力。在图4A和4B所示 的实施例中，CTE失配效应通过以下方式来获得：对一成分的结合剂材料的一 个或多个条带定向，以使得由结合剂材料引起的力与ISFET管芯10上的其他机 械力相抵消。应理解，在其他示例中，结合剂材料和惰性材料可以按与图4A和 图4B中示出的图案不同的图案来配置以获得CTE失配效应。

图5A-5E是结合层20的不同实施例，其图示了使用具有不同CTE的结合 剂材料的成分形成各种图案，使得在不同温度下结合剂材料将引起不同的热机 械力到ISFET管芯10中以获得CTE失配效应。例如，在图5A中，使用可以 包括但是不限于玻璃熔块的成分的结合剂材料来设置第一条带506。多个第二条 带508设置在与第一条带506正交的方向。用于设置多个第二条带508的结合 剂材料的成分的CTE不同于用于设置第一条带506的结合剂材料的成分的 CTE。在不同的温度下，由条带508和506引起的组合的力将比在一个方向上 的大，并且将获得CTE失配效应。

在图5B中，多个第一条带516被设置在ISFET管芯10的边缘517a和517b 的对角线的方向。多个第二条带518被设置在与多个第一条带516正交的方向 (也是边缘517a和517b的对角线但是相反的方向)。用于设置多个第二条带518 的结合剂材料的第二成分具有与用于形成多个第一条带516的结合剂材料的第 一成分不同的CTE，它们在不同温度下引起不同的热机械力到ISFET管芯10 中以便获得CTE失配效应。在图5C所示的另一示例中，单个条带526被设置 在ISFET管芯10的边缘527a和527b的对角线的方向。第二成分的结合剂材料 的两个条带528-1和528-2设置成与条带526正交，结合剂材料的第二成分具有 与用于设置单个条带526的结合剂材料的第一成分不同的CTE。

结合层20的另一实施例示出在图5D中。在该示例中，CTE失配效应可以 通过沿着周界设置两种不同的结合剂材料的条带来获得。如图5D所示，条带 536-1和536-2使用结合剂材料的第一成分设置。条带538-1和538-2使用第二 成分的结合剂材料来设置。用于设置条带538-1和538-2的结合剂材料的第一成 分不同于用于设置条带536-1和536-2的结合剂材料的第二成分。条带536-1和 536-2正交于条带538-1和538-2。在不同温度下，条带536-1和536-2将引起与 条带538-1和538-2不同的热机械力到ISFET管芯10中，从而产生双轴加载条 件以获得CTE失配效应。

图5E图示了结合层20的实施例。在该示例中，第一条带546设置成锯齿 状。第二条带548设置成相反方向的锯齿状。在示例中，第一条带546的拐角 产生直角。在示例中，第二条带548的拐角也产生直角。在进一步的示例中， 第一条带546和第二条带548可以彼此正交。用于设置第一条带546的结合剂 材料的第一成分具有与用于设置第二条带548的结合剂材料的第二成分不同的 CTE，使得产生双轴加载条件以获得CTE失配效应。

在一些示例中，甚至当条带设置成辐射状或轴向图案而不是设置成彼此正 交时(见图6)，CTE失配效应也可以获得。图6图示了这样的实施例，其中不 同成分的结合剂材料的条带可以不彼此正交。多个第一条带606用第一结合剂 材料设置，第一结合剂材料具有与用于设置多个第二条带608的第二结合剂材 料不同的CTE。第一条带606和第二条带608二者引起两个不同的热机械力到 ISFET管芯10中以产生双轴加载条件以便获得CTE失配效应。还可以存在按 辐射图案设置的第三结合剂材料的附加条带，其可以引起第三力到管芯上并产 生CTE失配效应，因为结合剂材料的不同成分的CTE不同。

图7A-7F图示了结合层20内设置的结合剂材料的条带的不同实施例。在本 公开中，结合剂材料的条带指的是具有窄且细长形状的结合剂材料。在一些示 例中，条带可以是线性条带，例如长线性矩形(图7A所示)或短矩形(图7B 所示)。在一些示例中，条带可以是非线性的。例如，条带可以为具有均匀宽度 的弧形(图7C所示)、螺旋形(图7D所示)或锯齿状(图7E所示)。在一些 示例中，条带可以是波形(图7F中所示的方波)。应理解，条带的定义不受图 7A到7F所示的示例的限制。

图8是用于制造pH传感器的方法800的一个实施例的流程图。如这里讨论 的，方法800参考图1-7所示的pH传感器的示例来描述。然而，方法800也可 以应用于pH传感器的其他传感器示例。在图8所示的示例中，方法800包括以 第一图案在基底上形成第一结合剂材料的一个或多个条带(802)。在框802中 形成的图案可以是在图2-6的结合层实施例中描述的图案。框802可以包括以在 上述实施例中没有描述的但获得CTE失配效应的图案来形成第一结合剂材料的 一个或多个条带。框802中的第一结合剂材料可以是玻璃熔块。

方法800还包括以第二图案在基底上形成第二材料(804)。框804中的形 成第二材料可以包括沉积惰性材料，或形成第二结合剂材料的一个或多个条带， 第二结合剂材料与框802内用于形成一个或多个条带的第一结合剂材料具有不 同的CTE。在一些示例中，框804内的第二结合剂材料可以为玻璃熔块。在进 一步的示例中，框804可以包括形成第二结合剂材料的一个或多个条带，其正 交于框802的第一结合剂材料的一个或多个条带。

方法800还包括将ISFET管芯放在基底上，使得第一结合剂材料和第二结 合剂材料设置在基底和ISFET管芯之间(806)。方法800还包括通过加热结合 剂材料将基底结合到ISFET管芯(808)。框808中的结合剂材料可以包括玻璃 熔块。在示例中，框808内的加热结合剂材料可以包括使用基于激光的玻璃熔 块固化技术来熔化玻璃熔块。

在一些示例中，结合剂材料的第一和第二成分可以为环氧树脂的两种不同 的化学成分。在其他示例中，结合剂材料的两种不同的成分可以由环氧树脂的 相同的化学成分开始，但是在环氧树脂中添加填充材料以形成结合剂材料的第 二成分，使得在第二成分中的环氧树脂的热机械性质改变，从而第二成分是非 同质的，并且获得了CTE失配效应。用于改变环氧树脂的成分的填充材料可以 是珠、球、纤维或其他小颗粒。在一些示例中，填充材料可以是玻璃制成的。 在其他示例中，不同材料可以用于填充材料。

在不同的配置中，CTE失配效应可以通过使用具有各向异性机械性质的基 底或结合层来获取。基底或结合层在不同的方向上具有不同的CTE或不同的弹 性模数或不同的泊松比，并且通过在不同方向上引起不同大小的力来响应温度 改变。在一些示例中，基底可以是正交各向异性的。在该配置的一些示例中， 设置在基底和ISFET管芯之间的结合剂材料可以是同质的。在一些示例中，结 合层可以具有正交各向异性机械性质。不同的力通过同质的结合剂传输进入 ISFET管芯中，从而产生双轴加载条件以获取CTE失配效应。

在一些示例中，基底70(图1所示)可以通过以下方式来构造：使单晶固 体材料片生长以使得固体材料具有单晶形式的各向异性的机械性质。在一些示 例中，基底70可以是正交各向异性的。在一些示例中，基底70可以从单晶硅、 单晶铝或单晶铜构造。在其他示例中，单晶形式的其他材料可以用于构造基底。 图9A是基底70的顶视图，其图示了力生成的方向和大小。如图9A所示，基 底70通过使各向异性的单晶固体材料片生长来制造。在不同温度下基底生成两 种不同大小的力。在该示例中，力904在y轴的方向生成，并且另一个力908 在x轴的方向生成，x轴与y轴正交。力904具有与力908不同的大小，因为图 9A中所示的各向异性单晶固体材料的CTE在与y方向相对的x方向上不同。 得到的不同的力将获得CTE失配效应。

在其他示例中，基底70或结合层20可以由对齐的纤维合成物构造。纤维 有意地对齐以产生具有各向异性机械性质的成分。在一些示例中，基底70可以 是正交各向异性的。在一些示例中，结合层20可以形成为具有正交各向异性的 机械性质。例如，基底70或结合层20可以由碳纤维和环氧树脂合成物形成， 其中碳纤维在环氧x脂中对齐。在一些示例中，对齐的纤维合成物可以由在环 氧树脂、树脂、热塑性基体或热固性基体中对齐的碳纤维、硼纤维、玻璃纤维 或石墨纤维形成。在其他示例中，对齐的纤维合成物可以是金属基体合成物， 其可以包括在铝金属中对齐的氧化铝纤维或碳化硅纤维。图9B图示了纤维对齐 以产生正交各向异性合成物的示例。在图示的示例中，合成物的优选方向为纤 维对齐的方向。在优选方向生成力918。为了获得CTE失配效应，生成与其优 选方向正交的力914以产生双轴加载条件。

图10为根据本说明书的制造pH传感器的方法1000的一个实施例的流程 图。如在这里讨论的，方法1000参考图1和9A-9B中示出的pH传感器的示例 进行描述。然而，方法1000也可以应用于本发明的其他传感器示例。在示例中， 如图10所示，方法1000包括将基底安装到头部(1002)。另外地，在一些示例 中，框1002中的将基底安装到头部可以包括通过以下方式来构造基底：使单晶 固体材料片生长，使得固体材料具有其单晶形式的各向异性的机械性质。该固 体材料可以包括单晶硅、单晶铝或单晶铜。在其他示例中，将基底安装到头部 上可以包括由具有各向异性的机械性质的对齐的纤维合成物来构造基底。

方法1000还包括在基底上形成结合层以将基底结合到ISFET管芯(1004)。 在示例中，结合层可以包括为玻璃熔块的结合剂材料的成分。方法1000还包括 将ISFET管芯放在基底上，使得结合层设置在基底和ISFET管芯之间(1006)。 方法1000还包括通过加热结合层将基底结合到ISFET管芯(1008)。

方法1000还包括配置结合层或基底中的任一个或两者以引起在ISFET管芯 上的抵消力，该抵消力与由于跨压力和温度范围的压力和温度改变而在ISFET 管芯上生成的环境力的至少一部分对立(1010)。最后，方法1000包括配置在 ISFET管芯上的抵消力，以维持ISFET管芯的从漏极到源极的压电电阻的改变 在压力和温度范围上小于0.5％(1012)。

示例实施例

示例1包括配置用于在压力和温度范围上使用的pH传感器，pH传感器包 括：基底；离子敏感场效应晶体管(ISFET)管芯，其包括响应pH的离子感测 部分，其中ISFET管芯结合到基底，其中ISFET管芯的离子感测部分被配置为 暴露于介质，并且其中离子感测部分输出与介质的pH水平相关的信号；结合层， 其设置在基底和ISFET管芯之间，结合层结合到基底和ISFET管芯，并且其中 结合层包括第一成分的结合剂材料；其中跨压力和温度范围的压力和温度改变 在pH传感器内生成环境力；并且其中结合层或基底中的至少一个在压力和温度 范围上改变体积，其中结合层或基底中的至少一个被配置使得体积改变引起抵 消力，所述抵消力与环境力的至少一部分对立，并且其中抵消力被配置为在压 力和温度范围上将ISFET管芯从漏极到源极的压电电阻的改变维持为小于 0.5％。

示例2包括示例1的pH传感器，其中结合层或基底中的至少一个具有各向 异性的机械性质。

示例3包括示例1或示例2的pH传感器，其中结合层或基底中的至少一个 具有正交各向异性的机械性质。

示例4包括示例1-3的任一示例的pH传感器，其中第一成分的结合剂材料 还包括玻璃熔块。

示例5包括示例1-4的任一示例的pH传感器，其中，结合层是同质的并且 基底被配置为跨压力和温度范围引起抵消力。

示例6包括示例1-4的任一示例的pH传感器，其中基底是各向同性的且结 合层被配置为跨压力和温度范围引起抵消力。

示例7包括示例1-6的任一示例的pH传感器，其中结合层或基底中的至少 一个具有在第一方向上的热膨胀系数(CTE)，其与在第二方向上的CTE不同， 使得跨压力和温度范围在不同方向上的CTE的差异生成抵消力。

示例8包括示例1-7的任一示例的pH传感器，其中结合层或基底中的至少 一个具有在一个方向上的弹性模数，在该方向上的弹性模数与其在第二方向上 的弹性模数不同，使得跨压力和温度范围在不同方向上的弹性模数的差异生成 抵消力。

示例9包括示例1-8的任一示例的pH传感器，其中结合层或基底中的至少 一个具有在一个方向上的泊松比，其与在第二方向上的泊松比不同，使得在压 力和温度范围内在不同方向上的泊松比的差异生成在ISFET管芯上的抵消力。

示例10包括示例1-9的pH传感器，其中基底还包括具有各向异性的机械 性质的单晶形式的固体材料片。

示例11包括示例10的pH传感器，其中单晶形式的固体材料还包括单晶铝、 单晶铜或单晶硅。

示例12包括示例1-9的pH传感器，其中结合层或基底中的至少一个还包 括具有各向异性的机械性质的对齐的纤维合成物。

示例13包括示例12的pH传感器，其中对齐的纤维合成物还包括在环氧树 脂、树脂、热塑性基体或热固性基体中的碳纤维、硼纤维、玻璃纤维或石墨纤 维。

示例14包括示例12的pH传感器，其中对齐的纤维合成物还包括金属基体 合成物，其中金属基体合成物包括在铝金属内对齐的碳化硅纤维或氧化铝纤维。

示例15包括示例1-12的任一示例的pH传感器，其中ISFET管芯通过阳极 结合、共晶结合和粘合结合来结合到基底。

示例16包括示例1的pH传感器，其中结合层还包括第一成分的结合剂材 料的一个或多个条带，其以第一图案设置在基底和ISFET管芯之间；其中结合 层还包括设置在基底和ISFET管芯之间的第二材料；并且其中由以第一图案设 置在基底和ISFET管芯之间的第一成分的结合剂材料的一个或多个条带在 ISFET管芯上生成的第一抵消力在与由第二材料在ISFET管芯上生成的第二抵 消力不同的方向上，使得第一抵消力和第二抵消力引起ISFET管芯上的抵消力。

示例17包括示例16的pH传感器，其中第二材料还包括第二成分的结合剂 材料的一个或多个条带，其以第二图案设置在基底和ISFET管芯之间，其中第 二成分的热膨胀系数(CTE)与结合剂材料的第一成分的CTE不同。

示例18包括示例1-18的任一示例的pH传感器，其中基底包括基础基底和 在基础基底上形成的盖，pH传感器还包括：在ISFET管芯的外表面的至少一部 分和盖基底的至少一部分上形成的保护层；机械耦合到保护层的罩构件，其中 罩构件容纳ISFET管芯和基底，且其中罩构件限定了接近离子感测部分的开口； 头部，其中基底被安装到头部；参考电极，其提供了参考电压；以及至少一个 电插针，其通过导线耦合到ISFET管芯。

示例19包括制造在压力和温度范围上使用的pH传感器的方法，该方法包 括：将基底安装到头部；在基底上形成结合层以将基底结合到ISFET管芯；将 ISFET管芯放在基底上，使得结合层设置在基底和ISFET管芯之间；通过加热 结合层将基底结合到ISFET管芯；配置结合层或基底中的至少一个以引起抵消 力，该抵消力与由于跨压力和温度范围的压力和温度改变而在ISFET管芯上生 成的环境力的至少一部分对立；以及配置抵消力以在压力和温度范围上将ISFET 管芯从漏极到源极的压电电阻的改变维持为小于0.5％。

示例20包括pH传感器，其包括：基底；离子敏感场效应晶体管(ISFET) 管芯，其包括配置为暴露于介质的离子感测部分，其中离子感测部分输出与介 质的pH水平相关的信号，其中ISFET管芯结合到基底；同质的玻璃熔块，其 中玻璃熔块设置在基底和ISFET管芯之间，将基底结合到ISFET管芯；并且其 中基底具有正交各向异性的机械性质，使得基底跨温度范围在管芯上引起双轴 加载力。