阅读说明：本技术 具有气密密封盖罩的植入式光学传感器 (Implantable optical sensor with hermetically sealed cover ) 是由 科恩拉德·范舒伦伯格 达纳·德尔贝克 保罗·卡迪尔 于 2018-03-30 设计创作，主要内容包括：植入式光学传感器包括光子集成电路,所述光子集成电路包括基板(2)以及与基板(2)集成的光学微结构(3)。光学微结构被定位成在基板(2)的表面(5)的一部分上形成暴露的光学相互作用区域(4)。通过晶片到晶片结合技术或另一种晶片级气密封装技术将盖罩(6)密封在与光学相互作用区域(4)相邻的基板(2)的一部分上。至少一个有源部件(8)位于密封腔(9)中,所述密封腔(9)形成在表面(5)与盖罩(6)之间。基板(2)包括至少一个光学馈通件(10),所述光学馈通件(10)是从密封腔(9)延伸到光学相互作用区域(4)的嵌入式波导。(The implantable optical sensor comprises a photonic integrated circuit comprising a substrate (2) and an optical microstructure (3) integrated with the substrate (2). The optical microstructures are positioned to form an exposed optical interaction region (4) on a portion of a surface (5) of the substrate (2). The cover (6) is sealed on a portion of the substrate (2) adjacent to the optical interaction region (4) by a wafer-to-wafer bonding technique or another wafer-level hermetic packaging technique. At least one active component (8) is located in a sealed cavity (9), the sealed cavity (9) being formed between the surface (5) and the cover (6). The substrate (2) comprises at least one optical feedthrough (10), the optical feedthrough (10) being an embedded waveguide extending from the sealed cavity (9) to the optical interaction region (4).)

具有气密密封盖罩的植入式光学传感器

技术领域

本发明涉及一种光学组件，例如，一种植入式光学传感器，包括基板以及与基板集成的光学微结构，光学微结构被定位成在基板表面的一部分上形成光学相互作用区域。在另一方面，本发明涉及一种制造光学组件的方法，所述方法包括提供具有光学微结构的基板，所述光学微结构形成光学相互作用区域。

背景技术

国际专利公开WO2016/137444公开了一种传感器和用于测量活体动物体内介质中的分析物的方法。传感器包括电感元件、电荷存储设备以及存储器。传感器使用从外部设备接收的电力进行由外部设备启动的分析物测量，并使用电感元件将分析物测量传送到外部设备。传感器完全密封在玻璃胶囊中。

美国专利公开US6,981,806B2公开了一种用于微气密封装光学设备的方法。方法包括在基板上形成微密封腔；在基板上提供传输光学波导；以及将光学设备密封在微密封腔内。与第一基板分开的盖子用于密封过程，或者微密封腔设置在盖子上并密封在第一表面上。光学设备可以位于腔内，用于与光学波导进行光功率传输。

US2004/0245425A1公开了一种混合电光设备，其具有限定用于诸如激光源、光电探测器二极管、LED之类的需要裸片的局部密封保护的光电部件的安装位置的部分。形成在基板上的平面光波电路(PLC)波导结构延伸到安装位置，以限定设备的光信号馈通件。至少一个电极与平面光波电路波导结构相关联，并且延伸所述安装位置以限定用于所述设备的电信号馈通件。环状结构连续地围绕所述安装位置，并且在其上焊接连续的盖构件以覆盖并气密密封安装位置。由于这种环形结构是金属圈，设备不适合于晶片规模生产。

现有技术中的一种用于保护光学组件的已知方法是使用例如钛盒。然而，此方法具有不是晶片规模工艺的缺点，并且每一设备需要单独处理，从而使得此方法成本高昂。如果需要在光学组件中进行光学测量，则需要预见馈通件，这并不是标准。另一种方法是使用聚对二甲苯-c涂层，但是不可能测试成功气密封装的设备。例如在电信和数据通信应用中使用的另一种方法是通过使用晶片级盖罩，其中馈通件通过晶片级盖制成。这些馈通件尤其在考虑到所需的长使用寿命时是薄弱点。

发明内容

本发明旨在提供一种光学组件，例如，植入式光学传感器，特别适合与恶劣环境光学相互作用。更具体地说，本发明旨在提供一种光学组件，其具有光学相互作用区域以暴露于流体，例如体液，以及由流体密封的相关的其他有源部件，以便具有可靠且安全的工作光学组件。此外，本发明旨在提供一种可以通过晶片规模工艺生产的光学组件。

根据本发明，提供了一种如上所述的光学组件，还包括在与光学相互作用区域相邻的基板的一部分上的盖罩。至少一个有源部件位于密封腔中，所述密封腔形成在表面与盖罩之间。基板包括从密封腔延伸到光学相互作用区域的至少一个光学馈通件。因此，出于与密封腔内的电子部件连通或连接的原因，不需要突出盖罩。这有效地屏蔽了电子部件，更具体地说，光学组件的电子部件在使用过程中不与流体接触，而不影响光学组件的光学特性及测量能力。此外，从密封腔中的有源部件到光学微结构(存在于基板上)和背面的光学通信是可能的。

通过晶片到晶片结合技术或另一种晶片级气密封装技术将盖罩气密密封到所述基板部分。所得到的设备的特征在于不存在如US2004/0245425A1中所述的任何金属圈或环状结构，以制备用于将盖罩密封到其上的基板，在盖罩与基板之间不存在焊接材料，即盖的底缘可以与基板的表面直接接触。此外，所得到的设备的特征在于在盖罩的底缘处没有凸缘，即用于将盖密封到基板上的技术不需要这种凸缘。

本发明的又一方面涉及一种制造如上所述的光学组件的方法，其中方法还包括在与光学相互作用区域相邻的表面上提供至少一个有源部件；以及在基板的一部分上提供盖罩，以形成密封腔，其中至少一个有源部位于所述密封腔中。此外，方法包括通过晶片到晶片结合技术或另一种晶片级气密封装技术将盖罩密封到基板；以及提供从密封腔延伸到光学相互作用区域的至少一个光学馈通件(即，没有突出盖)。由于方法使用与光学组件的其他元件的制造步骤兼容的技术，方法可以实现为高效且成本有效的制造方法。

附图说明

下面将参考附图更详细地论述本发明，其中：

图1示出了根据本发明第一实施方式的光学组件的示意性剖视图；

图2示出了根据本发明第二实施方式的光学组件的示意性剖视图；

图3示出了根据本发明另一实施方式的光学组件的示意性剖视图；

图4示出了根据本发明又一实施方式的光学组件的示意性顶视图；以及

图5示出了根据本发明又一实施方式的光学组件的示意性剖视图。

具体实施方式

具有作为可植入(或(部分)浸入的)光学传感器的预期用途的光学组件通常具有电子和/或光电部件形式的庞大部件。这些光学组件可包括在其操作期间需要电源的电子电路，并且此电路必须完全密封并防止任何湿气。当电路在操作期间暴露于光学组件的环境时，其功能可能受到液体或蒸汽形式的水的严重影响。金属线结合可能会失效，金属线可能会被腐蚀和损坏，与流体的相互作用将阻止部件的功能。根据本发明实施方式的光学组件的一些应用包括但不限于感测诸如血液或组织间液的体液和诸如发酵罐或石油化学罐的化学过程中的流体。这种光学组件通常具有传感表面与恶劣环境(例如腐蚀环境)的直接和/或长期相互作用。长期相互作用或甚至是恶劣环境的短期相互作用可以显着降低光学组件中的电子和光电部件的性能和功能。因此，作为光学组件的一部分的电子和光电部件需要被适当地封装以免直接暴露于这种不希望的环境。本发明的实施方式通过在一般意义上提供具有庞大的DC供电的光电部件的光学组件来解决这些问题，所述光学组件具有气密的光学(以及如果需要的电气)馈通件。主要问题是通过提供一种光学组件来解决的，所述光学组件具有光学相互作用区域与例如读出IC之间的光学(以及电气)馈通件，所述光学相互作用区域暴露于流体并且与(例如腐蚀性)流体直接接触，所述读出IC作为气密密封的光电设备的实施方式。需要激活电力的本发明光学组件实施方式的所有电子和光子部件都位于密封盖罩下方，以便实现可靠且安全的工作设备。

图1示出了根据本发明的光学组件1的第一实施方式的示意性剖视图。光学组件1包括基板2以及与基板2集成的光学微结构3。光学微结构3被定位(即，可以在基板2中完全或部分地嵌入、集成或图案化)以形成光学相互作用区域4。光学微结构3可包括多个集成光学组件中的一者或多者，例如集成波导、光栅、光子晶体、空腔、微环谐振器、耦合器、分路器、滤波器以及其他光学(可调)元件。光学微结构3可以是有源的或无源的。在图1所示的实施方式中，光学微结构3是基板2中的嵌入式波导。如在此实施方式中，光学组件1还包括位于与光学相互作用区域4相邻的基板2部分上的盖罩6，所述光学相互作用区域4密封在盖罩6与基板2的表面5之间。此外，存在至少一个有源部件8，所述有源部件8(例如，通过将有源部件固定或粘合到基板2的表面5上)连接到基板2。有源部件8例如是电子部件、光电部件或光学部件，例如信号处理器、光电探测器、光源、电池等。有源部件8位于形成在表面5与盖罩6之间的密封腔9中。替代实施方式使用用于盖罩6的合适材料，所述盖罩6可直接热密封到表面5。基板2还包括从密封腔9延伸到光学相互作用区域4的至少一个光学馈通件10。

光学微结构3可以光学连接到光学馈通件10，例如波导14和/或耦合器13，其中耦合器13例如用于耦接及去耦有源部件8的辐射。耦合器13的一个例子可以是片上垂直光栅耦合器13(VGC)。根据图1所示实施方式的光学组件1包括光学馈通件10，所述光学馈通件10允许从气密密封腔9内部到暴露的光学相互作用区域4和背面的光学通信。光学馈通件10可以布置成从光学组件1外部可光学地接近，例如，从基板2的顶面或从基板2的底面。在一个实施方式中，光学微结构3可以是连接到光学馈通件10的集成波导，所述集成波导例如是另一嵌入式波导。在此实施方式中，作为集成波导的光学微结构3可以是光学馈通件10的一部分，其被局部蚀刻开口以形成光学相互作用区域4。

在另一实施方式中，例如，如在此实施方式中所示，使用凸块下金属层12将至少一个有源部件8附接到基板2的表面5(的一部分)上，所述表面5位于密封腔9内。显然，例如，使用其他类型的混合集成技术将至少一个有源部件8以替代设置方式附接到表面5。

光学微结构3中，尽管大部分光被限制在引导层内(例如实现为波导)，但是小部分光(称为倏逝场)延伸到外部介质(例如，基板2材料和/或光学相互作用区域4)。随着距波导表面的距离增加，此倏逝场呈指数下降。倏逝场用于与环境相互作用，例如，光学捕获、传感、激发。在本发明的一个实施方式中，光学微结构3将(围绕)空气作为其上包层，光学相互作用区域4中的延伸倏逝场用于传感目的。在又一实施方式中，光学相互作用区域3是传感区域。光学微结构3可用作光学传感器，例如，作为倏逝场光学传感器。在另一实施方式中，光学微结构3可以替代地用于例如成像、光学相干断层扫描(OCT)或激光多普勒测速(LDV)应用。

在另一实施方式中，光学组件1是光子集成电路(PIC)，其涉及用于制造光子电路的各种形式和材料系统。在此实施方式中，光学馈通件10可以是嵌入式波导。这包括(例如)低折射率对比度波导平台(例如聚合物波导、玻璃/二氧化硅波导、Al_xGa_1-xAs波导、In_xGa_{1- x}AS_yP_1-y波导)、高折射率对比度波导(例如，绝缘体硅片(SOI)、半导体膜)、等离子体波导(例如，具有金属层或金属纳米颗粒)等。光学微结构3可以是诸如硅(Si)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiN，富硅或化学计量硅)的材料，或来自III-V族或III-VI族材料。在示例性实施方式中，本发明涉及一种实施方式，其中光学组件1是SiN或SOI材料实施方式，也称为硅光子系统。由于其高折射率对比度及与CMOS制造技术的兼容性，硅光子学与制造PIC的其他材料系统相比具有巨大的优势。由于CMOS工业，硅光子技术已达到成熟水平，在性能、再现性及产量方面优于任何其他平面芯片制造技术若干数量级。硅光子IC可以用可重复且控制良好的晶片规模工艺制造，这意味着晶片(直径通常为200mm或300mm)可以包含大量光子集成电路。结合成本相对适中的大晶片的商业可用性，这意味着每个光学组件1的价格可以非常低。光学微结构3可以是图案化或嵌入基板中的成形半导体波导。在示例性实施方式中，光学微结构3是微环谐振器(MRR)，其是紧凑型波长选择设备。MRR的谐振波长受到周围介质的折射率变化的很大影响，这用于将周围介质例如用作生物和化学应用的强光学传感器。在本申请中对光学微结构3的参考是指在其引导层中图案化的结构(例如，在SOI光学波导的情况下的图案化设备层(Si))。

光学微结构3可以是在基板2中嵌入、集成或图案化的集成光学部件，例如集成光学腔、集成光学谐振器、集成光学干涉仪、集成光学耦合器、光学波导、圆锥、可调滤波器、移相器、光栅、光子晶体、调制器、检测器、源、多路复用器、去多路复用器或其组合。光学微结构3的制造可以使用各种技术来执行，例如使用电子束技术、使用光刻工艺、使用CMOS技术或其组合。这可以包括半导体蚀刻步骤以及后端工艺步骤，如倒装、粘合、金属化，这是本领域技术人员已知的。

在另外的实施方式中，光学组件1还包括至少一个电馈通件20，所述电馈通件20从密封腔9延伸到密封腔9外部的基板2的区域。电馈通件20允许从集成在密封腔9内的电气或光电部件到密封腔9的外部区域的电力传输。图2示出了根据本发明此另外实施方式的光学组件1的示意性剖视图。在此实施方式中，在至少一个有源部件8(例如，光学处理芯片)旁边，另外的电子或光电部件16、17连接到气密密封腔9内的表面5上。另外的电子设备16、17例如包括电源单元16或接口电路17。电馈通件20例如由精加工(或电镀)金属制成，有效地不受与腐蚀性流体接触的影响。这些金属层(例如，金、铂或钯层)不会被任何流体损坏。

在图2所示的示例性实施方式中，电馈通件20连接到天线15，所述天线15位于气密密封腔9的外部。更一般地，在另一实施方式中，光学组件1包括天线15。在特定实施方式中，天线15例如通过电馈通件20连接到有源部件8，如图2示例性实施方式所示。在另一可选实施方式中，天线15可以放置在盖罩6上。在密封腔9的内部，电馈通件20通过接合线18(如电子封装技术已知的那样)连接到另外电子部件16、17。通过适当的选择和实施，天线15可以例如用于与密封腔9内的(光)电子元件8、16、17接合的电源和数据。天线15可以是多环天线或不同类型的天线，取决于预期的功能、操作频率以及使用的调制类型。

在替代或另外的实施方式中，电馈通件20可以从密封腔9延伸到与盖罩6相对的基板2的表面。这种通孔如电馈通件20提供从密封腔9内部到外部例如连接终端的电连接。电馈通件20可以嵌入、图案化或集成到光学传感组件1的表面5中。制造这种电馈通件20的示例性方法是用于金属(例如，铜)的称为硅通孔(TSV)的方法。TSV是一种制造方法，包括诸如蚀刻、沉积绝缘体、沉积阻挡层及晶种层，以及电化学电镀的步骤。取决于应用，TSV结构在尺寸、纵横比、密度、材料以及技术方面有所不同。TSV通过以下工艺广泛制造，例如，作为RIE工艺的延伸的深反应离子蚀刻(DRIE)、用于在基板中产生直的蚀刻轮廓、陡峭沟槽或孔的高度各向异性的蚀刻工艺。已经证明TSV对流体是密封的，例如水。

图3示出了根据本发明另外实施方式的光学组件1的示意性剖视图。通过TSV方法制造的电馈通件20用于实现从密封腔9到天线15的电连接，在此实施方式中，天线15位于与盖罩6所在表面5相对的基板2的表面上。

来自环境中的电磁场的电磁干扰(EMI)可以影响密封腔9内的电子和光电部件8、16、17的功能。这可以通过提供电磁屏蔽层19来避免，如图2的实施方式所示。在本发明的另一实施方式中，盖罩6包括电磁屏蔽层19，其起到法拉第笼型屏蔽的作用。金属层是本领域已知的材料之一，作为有效的电磁屏蔽层、全金属片或网状层。图2的实施方式示出了光学组件1的剖视图，其中密封腔9通过完全覆盖盖罩6内侧的保护层19屏蔽外部干扰。用于保护层19的其他替代材料是例如导电聚合物复合材料或导电聚合物纳米复合材料。

一些应用要求光学组件1的光学相互作用区域4暴露于流体环境。盖罩6气密地屏蔽密封腔9内的电子和光电部件8、16、17与此流体环境。因此，在另一实施方式中，盖罩6由流体密封材料制成。盖罩6以不影响暴露的光学相互作用区域4的传感特性的方式操作。这种流体密封材料可以是玻璃、金属、硅、聚合物等。金属可以是例如钛或金。流体屏蔽盖罩6可以例如使用焊接层11通过晶片到晶片技术或管芯到晶片技术或管芯到管芯技术接合到表面5，如参考图1所述。

图4示出了图2所示光学组件1的示意性顶视图，其中多环天线15放置在表面5的***区域，即，具有在光学相互作用区域4与盖罩6之外的圆周。在此实施方式中，天线15位于基板2的圆周上。这允许最大化(可能是多环)天线15的表面积，这增强了数据和功率交换能力。多环天线15可以设置在基板2的上侧(参见图2的实施方式)或底侧(参见图3的实施方式)。天线15可用于从外部传输收集的传感器数据和/或传输电力。可以使用合适的方法(例如，将导电层沉积到基板2上)提供天线15。

图5示出了本发明光学组件1的又一实施方式的剖视图。在此实施方式中，光学组件1是有源植入式医疗设备(AIMD)，其是可以引入生物体内(诸如植物、动物或人类)的有源设备。在这种应用中，AIMD被设置成与诸如血液、间质液、唾液、房水、羊水等的体液直接接触。在一些实施方式中，光学组件1被设置为用于感测葡萄糖或者替代/另外地用于其他物质(例如尿素、乳酸盐、肌酸酐、甘油三酯、蛋白质、胆固醇、乙醇、酮以及激素)的光学传感器。在生物体内使用的植入物没有任何尖锐的边缘或角落，因为它们可能导致内部损伤。在此进一步实施方式中，光学组件1包括围绕(即，包围)光学组件1的保护层25。可选地，提供用于光学相互作用区域4的孔。保护层25可具有例如微结构表面或光滑圆形外表面。保护层25例如可以是聚合物层，其可以在光学组件1的气密密封之后涂覆。保护层25可以有效地设计和应用，使得光学相互作用区域4保持打开以直接暴露于感测环境。可选地，可向光学相互作用区域4提供具有预定厚度的薄防腐蚀顶层，以便不影响感测，并且例如在来自碳化硅(SiC)、金刚石(如碳(DLC)、TiO₂或Al₂O₃)的一或多种材料中。

此实施方式的优点在于允许光学组件1的小型化。小型化使得光学组件1紧凑，以使得例如存在于生物中的体液的自然流动或物质的自然扩散能够感知和连续监测物质。例如使用不需要试剂或其他辅助物质的光学表征技术执行感测。这些优点导致可靠且长期可用的光学组件1，而不需要用户的显着干扰。

在替代或另外的实施方式中，光学微系统组件1还包括位于气密密封腔9内的电源设备16。电源设备用于为光学组件1的所有(光)电子部件8、16、17提供所需的能量，如参照上述各种实施方式所述。电源设备16在一个具体实施方式中是储能器，例如微电池，或在另一具体实施方式中是俘能器。微电池在有限的使用寿命内提供固定的能量密度，具体取决于微电池的大小和(光)电子部件8、16、17的能量需求。在另一特定实施方式中，光学组件1的相应功率要求部件8、16、17使用俘能器，其具有更长的寿命并且与传统设备相比可提供更高的舒适性和安全性。俘能器通过直接能量转换从周围环境产生电能，例如红外辐射能、热能(温度、燃烧的太阳能热、地热梯度)、动能(风、重力、振动)、无线传递能量以及RF辐射能(例如使用上述天线15的感应和电容耦接，参考图2、图3和图4中所示的实施方式)。在本发明实施方式中，光学馈通件10可以替代地或另外地用于从外部向密封腔9内的光电部件提供光能。从人或环境源获取的能量在植入组件1的情况下例如利用身体运动的动能提供有效的替代。

应注意，在上文参照图1至图5描述的实施方式中，有源部件8可以是辐射源，其辐射用于例如感知物质。光源可以是一或多个宽带光源(LED、SLED)、单一窄带光源(例如激光器，例如VCSEL、DFB激光器、DBR激光器)，或窄带光源的整体。在本说明书中对光或辐射的参考是指电磁辐射。设想的光是具有合适波长或波长范围的辐射，用于感测某种物质。在一些实施方式中，使用的光将是红外辐射，例如，可见光辐射、近红外辐射或中红外辐射。用于硅光子学的制造和集成技术在通信波长(1310nm、1550nm)中得到很好的发展，可以利用本发明光学组件1的简单可靠且成本有效的制造来扩展到感兴趣的波长范围。

另外，光电探测器可以集成在由气密密封的盖罩6提供的密封腔9内的表面5上。光电探测器用于将光信号转换成电信号。光电探测器可以是光电二极管或光电导体，或这些元件的整体。在气密密封内可以集成有另外的电子部件16、17，例如监视器光电二极管、无线模块或甚至放大器。

如上所述的通常庞大的电子和光电设备8、16、17集成到基板2并且电连接到表面5上的金属结合焊盘。部件8、16、17可以例如是单片地、异构地或通过混合方法集成。单片集成是使用单一处理流程来处理可能使用不同材料的各种部件的一种集成技术，例如，硅光子IC中的集成锗探测器。异构集成是在单独的工艺流程中处理部件的集成技术，部件随后以管芯或晶片级集成，例如，BCB结合、晶片结合以及其他结合方案、3D集成。混合集成是处理的光子集成平台上的部件或材料的集成，例如，探测器翻转、碰撞、胶合、引线结合、共同包装等

在另一方面，本发明涉及一种制造光学组件(例如，如本文描述的任一实施方式所述的光学组件1)的方法。方法包括：提供具有光学微结构3的基板2，所述光学微结构3形成光学相互作用区域4；以及在与光学相互作用区域4相邻的表面5上提供至少一个有源部件8。方法还包括：在基板2的一部分上提供盖罩6，以形成密封腔9，至少一个有源部件8位于密封腔9中。如上所述，制造光学组件1的方法还可包括：提供从密封腔9延伸到暴露的光学相互作用区域4的至少一个光学馈通件10。在另一实施方式中，制造光学微系统组件1的方法进一步包括：提供从密封腔9内部延伸到基板2中的密封腔9外部区域的至少一个电馈通件20。如上参考图5所示的实施方式所述，制造光学微系统组件1的方法还可以包括：在光学组件1周围提供保护层25，可能具有用于光学相互作用区域4的孔。

如本文所述的光学组件1实施方式的气密密封可以管芯或晶片级执行。管芯级密封需要针对每一管芯和光学组件1的单独工艺，这增加了封装成本和劳动时间并降低了工艺产量和可靠性。另一方面，晶片级气密密封通过使用已知技术(例如，薄膜封装或晶片到晶片结合)在所有上述方面提供了更好的解决方案，从而提供低成本的封装解决方案。通过晶片到晶片结合的气密密封出于密封目的采用单独的盖晶片，这为传感器的保护提供了完美的机械强度。在替代或另外的实施方式中，制造光学微系统组件1的方法还包括：通过晶片级封装技术(WLP)将盖罩6密封到基板2。

上面参考如附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。一些部件或元件的修改和替代实施是可能的，并且包括在所附权利要求中限定的保护范围内。