一种贴片式半导体气体传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种贴片式半导体气体传感器。

背景技术：

目前主流的半导体气体传感器是一种阻抗器件，其商业化应用始于19世纪六七十年代，经过数十年的发展，半导体气体传感器已成为目前产销量最大，应用范围最广的气体传感器，在气体传感器领域中占有重要地位。

如今市场化推广的半导体气体传感器，从结构形态上主要可分为微珠式、管式、片式和MEMS四种。其中微珠式、管式和片式半导体气体传感器发展较早，生产应用技术成熟，是目前的主要产品形态，其中以片式传感器占比最高。这三种传感器虽然形态各异，但均为分立器件，敏感芯体采用悬吊装配模式，即敏感芯体与基座的连接均是通过引线焊接实现，此种装配方式易因震动冲击使传感器受到损伤，在汽车、便携产品等领域中应用有潜在风险。MEMS半导体气体传感器是近二十年来逐步商业化的产品，采用贴片封装结构，由悬膜或悬臂式微热板和气敏层组成敏感芯体，粘贴于陶瓷管壳内，以金线绑定连接敏感芯体与壳体焊盘。此类传感器体积小、功耗低、抗震性好、易集成，但此类产品基于MEMS工艺生产，需要大规模制造方能显现出成本与质量优势，受限于市场因素，目前尚未占据市场主流，主要应用在一些智能穿戴设备中。

在当今的市场背景下，需要一种兼具片式和MEMS传感器优点，即结构稳定性好、生产加工便捷、成本优势突出的产品，以满足现实的应用需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种结构稳定性好、生产加工便捷、成本优势更为突出的贴片式半导体气体传感器。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种贴片式半导体气体传感器，包括气体敏感芯片、含盲孔的PCB板以及金属盖帽，所述气体敏感芯片包括高纯氧化铝陶瓷基片，所述高纯氧化铝陶瓷基片连接有测量电极金导电带以及加热电阻金导电带，所述测量电极金导电带的上表面设置有气敏材料层，所述加热电阻金导电带的下表面连接有加热电阻层，所述加热电阻金导电带包括第一加热电阻金导电层和第二加热电阻金导电层，所述高纯氧化铝陶瓷基片上贯穿设置有第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘和第二焊盘内均设置有金引线，所述第一加热电阻金导电层包括通过第一焊盘内的金引线导通连接的第一上加热电阻金导电层和第一下加热电阻金导电层，所述第二加热电阻金导电层包括通过第二焊盘内的金引线导通连接的第二上加热电阻金导电层和第二下加热电阻金导电层，加热电阻层连接第一下加热电阻金导电层和第二下加热电阻金导电层，所述测量电极金导电带包括第一测量电极金导电层和第二测量电极金导电层，所述气敏材料层连接第一测量电极金导电层和第二测量电极金导电层，所述气体敏感芯片盖设在盲孔上且与PCB板粘接连接，所述PCB板上贯穿设置有若干个金焊盘，所述第一测量电极金导电层、第二测量电极金导电层、第一加热电阻金导电层以及第二加热电阻金导电层分别与一金焊盘通过金引线绑定连接，所述金属盖帽的形状及大小与PCB板的形状及大小相同，所述金属盖帽通过粘胶压覆住PCB板上的金焊盘。

优选的，所述盲孔的形状及大小与高纯氧化铝陶瓷基片的形状及大小相同。

优选的，所述金属盖帽上设置有翻边，所述翻边通过胶粘固定在连接有金引线的PCB板的金焊盘上。

优选的，所述金属盖帽的顶部设置有若干个散热通孔。

优选的，所述气体敏感芯片与PCB板之间通过耐高温绝缘胶粘接连接。

本发明相对于现有技术具有如下优点，能获得一种贴片式结构的半导体气体传感器，因为其芯片采用贴片式装配方式，可以在一个方向上最大限度减小尺寸，且能够更好地抵抗震动冲击。另外，其生产涉及的丝网印刷、半导体封测等工艺技术均较为成熟，成本优势明显。以此生产的产品融合了现有片式和MEMS半导体气体传感器的优点，可在性能和成本上很好的满足市场的需求。

附图说明

图1为本发明的气体敏感芯片的层结构示意图；

图2为本发明的PCB板的结构示意图；

图3为本发明的金属盖帽的结构示意图；

图4为本发明的高纯氧化铝陶瓷基片的结构示意图；

图5是在图4的基础上设置加热电阻金导电带的结构示意图；

图6是在图5的基础上设置加热电阻层的结构示意图；

图7是在图4的基础上设置测量电极金导电带的结构示意图；

图8是在图7的基础上设置气敏材料层的结构示意图；

图9为本发明的气体敏感芯片安装到PCB板上后的结构示意图；

图10为本发明的气体敏感芯片以及金属盖帽安装到PCB上后的结构示意图。

图中：1、气体敏感芯片；11、高纯氧化铝陶瓷基片；12、加热电阻金导电带；121、第一加热电阻金导电层；1211、第一上加热电阻金导电层；1212、第一下加热电阻金导电层；122、第二加热电阻金导电层；1221、第二上加热电阻金导电层；1222、第二下加热电阻金导电层；13、测量电极金导电带；131、第一测量电极金导电层；132、第二测量电极金导电层；14、气敏材料层；15、加热电阻层；16、第一焊盘；17、第二焊盘；2、PCB板；21、盲孔；22、金焊盘；3、金属盖帽；31、翻边；32、散热通孔；4、金引线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种贴片式半导体气体传感器，包括气体敏感芯片1、含盲孔21的PCB板2以及金属盖帽3，所述气体敏感芯片1包括高纯氧化铝陶瓷基片11，所述高纯氧化铝陶瓷基片11连接有测量电极金导电带13以及加热电阻金导电带12，所述测量电极金导电带13的上表面设置有气敏材料层14，所述加热电阻金导电带12的下表面连接有加热电阻层15，所述加热电阻金导电带12包括第一加热电阻金导电层121和第二加热电阻金导电层122，所述高纯氧化铝陶瓷基片11上贯穿设置有第一焊盘16和第二焊盘17，所述第一焊盘16和第二焊盘17内均设置有金引线4，所述第一加热电阻金导电层121包括通过第一焊盘16内的金引线4导通连接的第一上加热电阻金导电层1211和第一下加热电阻金导电层1212，所述第二加热电阻金导电层122包括通过第二焊盘17内的金引线4导通连接的第二上加热电阻金导电层1221和第二下加热电阻金导电层1222，加热电阻层15连接第一下加热电阻金导电层1212和第二下加热电阻金导电层1222，所述测量电极金导电带13包括第一测量电极金导电层131和第二测量电极金导电层132，所述气敏材料层14连接第一测量电极金导电层131和第二测量电极金导电层132，所述气体敏感芯片1盖设在盲孔21上且与PCB板2粘接连接，所述PCB板2上贯穿设置有若干个金焊盘22，所述第一测量电极金导电层131、第二测量电极金导电层132、第一加热电阻金导电层121以及第二加热电阻金导电层122分别与一金焊盘22通过金引线4绑定连接，所述金属盖帽3的形状及大小与PCB板2的形状及大小相同，所述金属盖帽3通过粘胶压覆住PCB板3上的金焊盘22。

其中气体传感器的工作原理为本领域技术人员公知常识，本实施例在此不作赘述，被实施例对贴片式半导体气体传感器的结构以及工艺作进一步解释。

本发明中，通过化学合成制备纳米级金属氧化物气敏材料（SnO2、WO3、TiO2、In2O3、ZnO等），获得气敏材料主体材料；再添加贵金属催化剂提高活性，如铂、钯等；添加三氧化二铝、二氧化硅等提高气敏层的强度；添加其它辅助材料形成气敏材料体系。选用高纯氧化铝陶瓷基片11（纯度≥96%氧化铝），采用厚膜印刷技术制作片式电极，其组成包括含有2个通孔即第一焊盘16和第二焊盘17的陶瓷基底。将制备的纳米金属氧化物材料与其它材料固相混合，用球磨机研细混匀，调为粘度适中的浆状。以丝网印刷或涂覆的方式按特定形状及厚度覆于片式电极的工作区域。并经过热处理固化，形成气体敏感层，制成片式半导体气体传感器敏感芯片。

具体的，参照附图4，是本发明中作为气体敏感芯片1基底的的高纯氧化铝陶瓷基片11，其上设置有两个对称通孔。

如图5所示，是在图4的高纯氧化铝陶瓷基片11背面以金浆印刷的加热电阻金导电带13的图形，第一焊盘16和第二焊盘17嵌于第一加热电阻金导电层131和第二加热电阻金导电层132中，采用过孔印刷方式保证第一上加热电阻金导电层1211与第一下加热电阻金导电层1212的导通连接，以及第二上加热电阻金导电层1221与第二下加热电阻金导电层1222的导通连接。

参照附图6，是在图5基础上在加热电阻金导电带13上印制的钌系化合物加热电阻层15。

如图7所示，为在图4的高纯氧化物陶瓷基片正面以金浆印刷的测量电极金导电带12，上部两个通孔分别为第一焊盘16和第二焊盘17。

如图8所示，是在图7的基础上在测量电极金导电带12工作区域印制的气敏材料层14，气敏材料层14印刷完成后，经过烧结处理，即获得片式半导体气体传感器的气体敏感芯片1。

在图2的PCB基板的盲孔21中预先用点胶机滴涂耐高温绝缘胶水，将气体敏感芯片1的背面，即带有加热电阻层15的一面置于盲孔21正上方，贴合烘干，则气体敏感芯片1底面与PCB基板表面平齐，两者粘接牢固。如图9所示。

气体敏感芯片1固定在PCB基板上之后，以金引线4绑定的方式将其相应的第一测量电极金导电层131、第二测量电极金导电层132、第一加热电阻金导电层121以及第二加热电阻金导电层122分别与一金焊盘22通过金引线4绑定连接，结构紧凑，连接稳定，实现电路连接。

取图3的金属盖帽3，将金属盖帽3的翻边31处与绑定好金引线4的PCB板2胶黏固化，获得完整的片式半导体气体传感器。如图10所示。

因为金属氧化物半导体气体传感器工作时，敏感芯体温度基本在200℃以上，为减少热量散失，且避免烧损相关传感器部件，因此微珠式、管式、片式半导体气体传感器均采用引线悬吊装配的方式，将敏感体悬空至于基座中央。此种装配方式容易在震动或跌落时，造成引线断裂或敏感曾破裂、脱落等，影响产品应用。

MEMS半导体气体传感器因加工了一个硅杯，发热区域悬空，硅杯下边缘可与传感器基座粘接固定，相应焊盘采用金线绑定实现电路连接。此方式可较好解决机械稳定性问题，但MEMS加工设备依赖性强，非大规模生产时成本较高，在目前市场需求尚不足够，需要少量多样生产的情况下，产品售价明显高于上述三种半导体气体传感器，推广上受到很大制约。

采用本发明专利获得的产品，很好的解决了微珠式、管式、片式半导体气体传感器的结构稳定性问题。而其基于丝网印刷和半导体封装的生产制造方式， MEMS加工，设备简单，生产灵活，成本低廉，但生产效率仍然很高，更适宜目前市场背景下的半导体气体传感器的生产需求。

优选的，所述盲孔21的形状及大小与高纯氧化铝陶瓷基片11的形状及大小相同。

优选的，所述金属盖帽3上设置有翻边，所述翻边通过胶粘固定在连接有金引线4的PCB板2的金焊盘22上。

优选的，所述金属盖帽3的顶部设置有若干个散热通孔32。

优选的，所述气体敏感芯片1与PCB板2之间通过耐高温绝缘胶粘接连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。