一种新型微热板式气体敏感元件的制作方法

本发明涉及气体传感器。

背景技术：

半导体氧化物气体传感器由于其结构简单、制作方便、成本低等优点得以在各个领域广泛应用。但是该种传感器需在高温下工作，传统方式以陶瓷管为主体的旁热式气体传感器体积较大，具有较大功耗(约1W)，且一致性较差。随着微电子机械系统(MEMS)工艺技术的迅猛发展，制作体积小、低功耗、易集成、批量化的MEMS微热板气体传感器成为众多研究者关注的焦点。目前，微热板式气体传感器仍然存在着一些问题，如以硅为基底的半导体器件与气敏材料的附着力较差，气敏材料容易发生脱落现象；常用的引线键合封装导致互联长度增加，且该种封装方式导致气体传感器厚度增加，不利于发挥微热板式气体传感器小体积的优势；另外，由于悬浮的微热板结构较易被外力破坏，需要在敏感元件上安装单独的保护罩，并在上表面设置微小网状结构以保证其与待测气体的接触，该种结构使得上部高度大幅增加，极大地增加了气体传感器的整体尺寸。为了降低气体传感器的整体尺寸，研究者在封装方面给予了一些解决办法，如发明专利CN104515793A公开了一种气体传感器封装件，通过倒装芯片接合法将气体感测元件安装至基板来构造具有轻薄结构的气体传感器，但是其需在基板上特别制作气体流入孔以完成感测元件与气体的接触，制作方法较为复杂。发明专利CN105158299A和发明专利CN105277594A分别公开了一种用于制造气体传感器封装的方法和气体传感器封装件，通过施加模塑化合物以至少部分地封闭半导体芯片，从而在模塑化合物中形成开口，在开口部分施加敏感材料以保证其与待测气体的连通，该种方法需要气敏芯片与载体与模塑化合物间的装配，在减小气体传感器整体尺寸方面优势不大，并且其敏感材料需在完成封装后施加，在实际应用中存在一定局限。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的微热板式气体传感器存在敏感材料容易脱落以及器件整体尺寸较大的问题，提供了一种新型微热板式气体敏感元件。

本发明所述的一种新型微热板式气体敏感元件，从下向上依次为：氮化硅层3、二氧化硅层2、硅片1、二氧化硅层2、第一绝缘钝化层5和第二绝缘钝化层8；

氮化硅层3、硅片1以及其两侧的二氧化硅层2构成所述气体敏感元件的基底，所述基底上开有通透的中空硅杯17，第一绝缘钝化层5内部嵌有敏感膜引出电极4，所述敏感膜引出电极4位于中空硅杯17的底面，且敏感膜引出电极4的下表面镀有气体敏感膜14，加热电阻6和测温电阻7嵌在第二绝缘钝化层8内，并且加热电阻6和测温电阻7的底面均位于第一绝缘钝化层5的上表面，第二绝缘钝化层8的上表面设置有加热电阻焊盘10、测温电阻焊盘11和敏感膜引出电极焊盘12，加热电阻焊盘10与加热电阻6电气连接，测温电阻焊盘11与测温电阻7电气连接，敏感膜引出电极焊盘12与敏感膜引出电极4电气连接，测温电阻焊盘11、加热电阻焊盘10和敏感膜引出电极焊盘12的上表面均设置有芯片凸点13。

根据本发明的优选实施方式，第二绝缘钝化层8的上表面与气体敏感膜14相对应的位置刻有凹槽9。

根据本发明的优选实施方式，硅片1采用N型(100)双抛硅片。

根据本发明的优选实施方式，气体敏感膜14采用喷涂或滴涂的方法固定在敏感膜引出电极4上。

根据本发明的优选实施方式，气体敏感膜材料为SnO₂、WO₃、ZnO、In₂O₃、ZnFe₂O₄和V₂O₅-SnO₂中的一种或多种。

根据本发明的优选实施方式，敏感膜引出电极4与第一绝缘钝化层5之间、加热电阻6与第一绝缘钝化层5和第二绝缘钝化层8之间、以及测温电阻7与第一绝缘钝化层5和第二绝缘钝化层8之间均制作有用于增加粘附性的过渡层，所述过渡层的材料为Cr或Ti。

根据本发明的优选实施方式，第二绝缘钝化层8的厚度范围为

根据本发明的优选实施方式，凹槽9的深度范围为

根据本发明的优选实施方式，加热电阻焊盘10、测温电阻焊盘11和敏感膜引出电极焊盘12的材料均为Pt、Au、Al和W中的一种。

根据本发明的优选实施方式，加热电阻焊盘10、测温电阻焊盘11和敏感膜引出电极焊盘12与第二绝缘钝化层8之间均制作有用于增加粘附性的过渡层，所述过渡层的材料为Cr或Ti。

本发明所述的一种新型微热板式气体敏感元件具有以下优点：

1、中空硅杯17能够对气体敏感膜14起到保护作用，使得气体敏感膜14不易脱落，提高了气体敏感元件的可靠性及稳定性，并且不需要额外安装用来保护气体敏感膜14的保护罩，大大降低了气体敏感元件的整体尺寸；

2、无需在基板上特别制作气体流入孔，并且能够保证气体敏感膜14与待测气体的充分接触。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种新型微热板式气体敏感元件的剖面图；

图2为加热电阻6、加热电阻焊盘10、测温电阻7和测温电阻焊盘11的结构示意图；

图3为敏感膜引出电极4和敏感膜引出电极焊盘12的结构示意图；

图4为实施方式一所述的一种新型微热板式气体敏感元件的背面结构示意图；

图5为实施方式一所述的一种新型微热板式气体敏感元的封装方法示意图；

图6为实施方式一所述的一种新型微热板式气体敏感元封装后的结构示意图；

图7为实施方式二所述的一种新型微热板式气体敏感元件的正面结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种新型微热板式气体敏感元件从下向上依次为：氮化硅层3、二氧化硅层2、硅片1、二氧化硅层2、第一绝缘钝化层5和第二绝缘钝化层8；

氮化硅层3、硅片1以及其两侧的二氧化硅层2构成所述气体敏感元件的基底，所述基底上开有通透的中空硅杯17，第一绝缘钝化层5内部嵌有敏感膜引出电极4，所述敏感膜引出电极4位于中空硅杯17的底面，且敏感膜引出电极4的下表面镀有气体敏感膜14，加热电阻6和测温电阻7嵌在第二绝缘钝化层8内，并且加热电阻6和测温电阻7的底面均位于第一绝缘钝化层5的上表面，第二绝缘钝化层8的上表面设置有加热电阻焊盘10、测温电阻焊盘11和敏感膜引出电极焊盘12，加热电阻焊盘10与加热电阻6电气连接，测温电阻焊盘11与测温电阻7电气连接，敏感膜引出电极焊盘12与敏感膜引出电极4电气连接，测温电阻焊盘11、加热电阻焊盘10和敏感膜引出电极焊盘12的上表面均设置有芯片凸点13。

中空硅杯17是基底上的一个洞，中空硅杯17贯穿整个基底，以第一绝缘钝化层5作为其底面。图4中的中空硅杯17横截面为正方形。

本实施方式所述的一种新型微热板式气体敏感元件在N型(100)单晶硅片上制作，采用MEMS工艺对其进行加工而得到。所述气体敏感元件主要由微热板和气体敏感膜14组成。如图1所示，微热板包含加热电阻6、测温电阻7、敏感膜引出电极4以及中空硅杯等部分。其中，加热电阻6位于微热板上层，且与测温电阻7制作在同一层；敏感膜引出电极4制作在加热电阻6的下层；中空硅杯位于敏感膜引出电极4的下层；气体敏感膜14位于中空硅杯内部，与敏感膜引出电极4相连接，气体敏感材料采用喷涂或滴涂的方法固定在敏感膜引出电极4上。敏感膜引出电极4与加热电阻6之间采用第一绝缘钝化层5作为绝缘层，加热电阻6上方制作第二绝缘钝化层8作为保护层，中空硅杯为从背面采用干法刻蚀和湿法刻蚀工艺交替加工，依次将背面氮化硅层、背面二氧化硅层、硅层及正面二氧化硅层刻蚀完全后形成，此时能够从背面露出敏感膜引出电极4，在敏感膜引出电极4的表面制作气体敏感膜14，使气体敏感膜14与敏感膜引出电极4相接触。制作气体敏感膜14前需将气体敏感元件倒置，再将气体敏感材料固定于硅杯内部的敏感膜引出电极4的正上方。气体敏感膜14位于中空硅杯的杯底，中空硅杯17能够对气体敏感膜14起到保护作用。

上述气体敏感元件的加热电阻6和测温电阻7的结构如图2所示，加热电阻6和测温电阻7均采用蛇形结构。加热电阻6两端各连接一个加热电阻焊盘10，测温电阻7两端各连接一个测温电阻焊盘11。

敏感膜引出电极4的结构如图3所示，敏感膜引出电极4包含两个独立的部分，每部分包含两根相连接的电极引线，连接点与敏感膜引出电极焊盘12电连接。

如图5所示，封装时，将上述气体敏感元件倒置在基板15上，将芯片凸点13与基板15上的接线柱16焊接在一起，封闭后的结构如图6所示。

采用倒装焊接工艺进行封装，测温电阻焊盘11、加热电阻焊盘10和敏感膜引出电极焊盘12与接线柱16之间不存在金丝等引线，缩短了信号传输距离，大大提高了信号传输速度。此外，这种封装工艺还具有降低成本、提高生产能力的优点。

本实施方式中，敏感膜引出电极4、加热电阻6和测温电阻7的材料均为Pt，可根据需要在制作Pt之前制作过渡层以增加粘附性，过渡层材料为Cr或Ti中的一种。

加热电阻焊盘10、测温电阻焊盘11和敏感膜引出电极焊盘12的材料可以选用Pt、Au、Al和W中的一种或多种，可根据需要在制作焊盘之前制作过渡层以增加粘附性，其过渡层材料为Cr或Ti中的一种。

气体敏感膜14的材料为SnO₂、WO₃、ZnO、In₂O₃、ZnFe₂O₄和V₂O₅-SnO₂中的一种或多种。

第一绝缘钝化层5采用氮化硅制作。

第二绝缘钝化层8采用二氧化硅或氮化硅制作，其厚度范围为

基板15为PCB基板、陶瓷基板或柔性基板。

具体实施方式二：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种新型微热板式气体敏感元件的进一步限定，本实施方式中，第二绝缘钝化层8的上表面与气体敏感膜14相对应的位置刻有凹槽9。

如图7所示，凹槽9可以为正方形，凹槽9的深度范围为其面积大于气体敏感膜14的面积。

第二绝缘钝化层8上制作正方形刻蚀沟槽，将其刻蚀一定深度保证倒装焊接时微热板与基板之间形成间隙，以保证散热，降低功耗。