一种气体传感器、传感器制备方法及传感器阵列与流程
本发明实施例涉及但不限于气体检测技术领域，尤指一种气体传感器、传感器制备方法及传感器阵列。
背景技术：
气体传感器主要用于检测环境中气体的成分和含量，这是一个包含电学、化学、物理学等交叉学科领域的研究。金属氧化物半导体型的气体传感器一般包含气体敏感材料、为敏感材料提供工作温度的加热器和检测气敏材料电阻变化的叉指电极。长期以来气体传感器主要有以下应用领域：1、检测室内甲醛等有毒有害气体；2、检测食品、水果、蔬菜等食物新鲜度；3、检测工业环境中易燃易爆气体含量；4、检测汽车尾气等氮氧化物的含量以及在健康医疗等领域有诸多应用。气体传感器按照气敏原理来分，可分为半导体式、催化燃烧式、电化学式、红外光学式。
微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)是集微传感器、微执行器、微机械结构等于一体的微型器件或系统。传统mems气体传感器封装主要采用晶体管外形(transistoroutline，to)管壳封装或者陶瓷管壳封装，将气体传感器芯片通过粘接剂等方式固定在封装基座上。或者需要在硅片上打硅通孔，以将传感器的电极引线由硅通孔引出来。
技术实现要素：
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请实施例提供了一种气体传感器、传感器制备方法及传感器阵列，减少引线损伤、工艺简单。
一方面，本申请实施例提供了一种气体传感器，包括：
第一衬底、设置在所述第一衬底上的气体检测组件、所述气体传感器的多个第一引脚以及封装盖帽，其中：所述气体检测组件直接或间接与所述第一引脚电连接，所述气体检测组件和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面；所述封装盖帽键合在所述第一衬底上用于保护所述气体检测组件，所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。
在一示例性实施例中，所述第一衬底可包括以下之一：硅基衬底、设置有含硅层的金属衬底、设置有含硅层的金属氧化物衬底、设置有含硅层的陶瓷衬底。
在一示例性实施例中，所述第一衬底的第一表面可开设有第一空腔，所述气体检测组件设置在所述第一空腔的开口处。
在一示例性实施例中，所述封装盖帽朝向所述第一衬底的一面可开设有第二空腔，所述封装盖帽背向所述第一衬底的一面可开设有一个或多个探测气孔，所述第二空腔与所述探测气孔贯通，所述第二空腔在所述封装盖帽朝向所述第一衬底的表面的开口面积大于或等于所述第一空腔在所述第一衬底朝向所述封装盖帽的表面的开口面积；或者
所述封装盖帽可包括第二衬底，所述第二衬底朝向所述第一衬底的一面开设有第二空腔，所述第二衬底背向所述第一衬底的一面设置有薄膜盖板，所述薄膜盖板上开设有一个或多个探测气孔，所述第二空腔与所述探测气孔贯通，所述第二空腔在所述第二衬底朝向所述第一衬底的表面的开口面积大于或等于所述第一空腔在所述第一衬底朝向所述封装盖帽的表面的开口面积，所述第二空腔的深度等于所述第二衬底的厚度。
在一示例性实施例中，所述第一引脚可设置在所述封装盖帽的一侧或者分别设置在所述封装盖帽的多侧。
在一示例性实施例中，所述第一衬底上还可设置有专用集成电路asic芯片，所述气体检测组件通过第二引脚、所述asic芯片与所述第一引脚实现电连接，所述asic芯片设置在所述封装盖帽之内或者裸露在所述封装盖帽之外。
在一示例性实施例中，所述asic芯片可以是基于所述第一衬底制造的。
另一方面，本申请实施例提供了一种气体传感器的制备方法，包括：
在第一衬底上制备气体检测组件以及所述气体传感器的多个第一引脚，所述气体检测组件直接或间接与所述第一引脚电连接，所述气体检测组件和所述第一引脚制备在所述第一衬底的同一面；
将封装盖帽键合在所述第一衬底上用于保护所述气体检测组件，所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。
在一示例性实施例中，可采用以下方式任意之一在第一衬底上制备气体检测组件以及所述气体传感器的多个第一引脚：
方式一：
准备第一衬底，所述衬底为硅基衬底；
在所述第一衬底的第一表面上制备第一薄膜；
在所述第一薄膜上制备气体检测组件、多个第一引脚以及连接所述气体检测组件和第一引脚的电极引线，所述多个第一引脚制备在所述气体检测组件的一侧或者分别制备在所述气体检测组件的多侧；
刻蚀所述气体检测组件下方的第一衬底形成第一空腔，使所述气体检测组件位于所述第一空腔的开口处，刻蚀时保留用于支撑所述气体检测组件的第一薄膜；
方式二：
准备第一衬底，所述衬底为硅基衬底；
在所述第一衬底的第一表面制备第一薄膜；
在所述第一薄膜上制备气体检测组件、专用集成电路asic芯片、多个第一引脚和多个第二引脚，所述气体检测组件通过所述第二引脚和所述asic芯片与所述第一引脚电连接，所述多个第一引脚制备在所述气体检测组件的一侧或者分别制备在所述气体检测组件的多侧；所述asic芯片制备在所述封装盖帽覆盖范围内，使得当封装盖帽键合在所述第一衬底上后所述asic芯片位于所述封装盖帽之内，或者，所述asic芯片制备在所述封装盖帽覆盖范围之外，使得当封装盖帽键合在所述第一衬底上后所述asic芯片裸露在所述封装盖帽之外；
刻蚀所述气体检测组件下方的第一衬底形成第一空腔，使所述气体检测组件位于所述第一空腔的开口处，刻蚀时保留用于支撑所述气体检测组件的第一薄膜。
在一示例性实施例中，所述第一衬底可包括以下之一：硅基衬底、设置有含硅层的金属衬底、设置有含硅层的金属氧化物衬底、设置有含硅层的陶瓷衬底。
在一示例性实施例中，所述封装盖帽可采用以下任意之一方式制备：
方式一：
准备第二衬底；
在所述第二衬底的第一表面开设一个或多个探测气孔，以及在所述第二衬底的第二表面开设贯通所述探测气孔的第二空腔，所述第二表面为背向所述第一表面的表面；
方式二：
准备第二衬底；
在所述第二衬底的第一表面形成第二薄膜；
对所述第二薄膜进行刻蚀形成一个或多个探测气孔；
在所述第二衬底的第二表面形成贯通所述第二衬底的第二空腔，所述第二空腔与所述一个或多个探测气孔连通，所述第二表面为背向所述第一表面的表面；
方式三：
准备第二衬底；
在所述第二衬底的所有表面形成第二薄膜，所述第二衬底第一表面上形成的第二薄膜作为薄膜盖板；
对所述第一表面上的第二薄膜进行刻蚀形成一个或多个探测气孔，对所述第二衬底第二表面上的第二薄膜进行刻蚀形成窗口，所述第二表面为背向所述第一表面的表面；
对所述窗口内的第二衬底进行刻蚀形成贯通所述第二衬底的第二空腔，所述第二空腔与所述一个或多个探测气孔连通。
在一示例性实施例中，可采用以下方式将封装盖帽键合在所述第一衬底上：
将所述第二衬底开设有第二空腔的一面朝向所述第一衬底开设有第一空腔的一面，将封装盖帽键合在所述第一衬底上以罩住所述气体检测组件，键合时使所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外，所述第二空腔在第二衬底朝向所述第一衬底的表面的开口包含所述第一空腔在所述第一衬底朝向所述封装盖帽的表面的开口。
在一示例性实施例中，所述方法还包括：
在所述封装盖帽的背向第一衬底的表面上形成划片标记；或者
分别在所述第一衬底和封装盖帽上形成划片标记。
再一方面，本申请实施例还提供了一种气体传感器阵列，所述传感器阵列包括多个如前所述的气体传感器，所述气体传感器阵列中的气体传感器的气敏材料相同或不同。
本申请实施例通过将气体检测组件与第一引脚设置在第一衬底的同一面，且第一引脚裸露在所述封装盖帽之外，即裸露在气体传感器表面，使得气体检测组件的电极引线可以直接引出，一方面，减少电极引线的弯折，对电极引线损伤小，使制成的传感器信号稳定、噪声小、功耗低、灵敏度高；另一方面，无需对衬底进行打孔即可引出第一引脚，提高衬底使用寿命，气体传感器制备完成后，可以直接与电路板进行金丝键合，简化加工工艺，降低制造周期和成本，且产品整体尺寸更小、容易集成。
本申请实施例所述气体传感器可以采用mems工艺完成带封装结构的传感器制造，摒弃了to管壳或者陶瓷管壳等封装配件，实现单一工艺传感器制造封装，气体传感器批量化制造过程大大简化，成本大大缩减，效率得到提升，制造周期缩短，有助于提高传感器的一致性和稳定性；单位面积上气体传感器阵列集成度大大提高。本申请实施例所述传感器设计结构非常适用于智能家居、智能手机和可穿戴设备，还适用于气体识别嗅觉芯片。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
图1为一种示例性气体传感器结构图；
图2为图1所示气体传感器的分解图；
图3a为本发明实施例一种对称分布引脚的气体传感器的俯视图；
图3b为本发明实施例另一种对称分布引脚的气体传感器的俯视图；
图4为本发明实施例传感器芯片的结构分解图；
图5为本发明实施例四支撑悬梁结构的气体检测组件示意图；
图6为本发明实施例单悬梁结构的气体检测组件的示意图；
图7a为本发明实施例一种采用四支撑悬梁结构气体检测组件的传感器芯片俯视图；
图7b为图7a所示传感器芯片的主视图；
图8a为本发明实施例一种设置有asic芯片的传感器芯片的俯视图；
图8b为本发明实施例另一种设置有asic芯片的气体传感器的结构图；
图9为本发明实施例一种封装盖帽的透视图；
图10a为本发明实施例具有梯形截面第二空腔的封装盖帽的剖视图；
图10b为本发明实施例具有矩形截面第二空腔的封装盖帽的剖视图；
图11为本发明实施例具有薄膜盖板的封装盖帽的结构分解图；
图12为本发明实施例封装盖帽具有四个探测气孔的气体传感器结构图；
图13a为本发明实施例第一衬底的透视图；
图13b为图13a所示第一衬底的剖视图；
图14a为本发明实施例晶圆级批量制造封装盖帽的晶圆图；
图14b为图14a中a区域的局部放大图；
图15a为本发明实施例晶圆级批量制造传感器芯片的晶圆图；
图15b为图15a中b区域的局部放大图；
图16a为本发明实施例中一种阵列式气体传感器结构图；
图16b为本发明实施例中另一种阵列式气体传感器结构图；
图16c为本发明实施例中再一种阵列式气体传感器结构图；
图17为本发明实施例一种mems气体传感器结构分解图。
上述附图中，附图标记说明如下：
第一衬底11，气体检测组件12，第一引脚13，电极引线14，第一空腔15，悬梁16，支撑体17，asic芯片18，第二引脚19，探测气孔20；封装盖帽2，第二衬底21，第二空腔22，探测气孔23和23’，开口24，薄膜盖板25；第一晶圆3，划片标记31-1、31-2，第一划片路径32，第二划片路径33，多余结构34；第二晶圆4，键合位置41。
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
申请人发现采用to管壳封装或者陶瓷管壳封装的气体传感器尺寸大、集成度低、封装工艺繁琐，而需要在硅片上打硅通孔的气体传感器对芯片损伤大，良品率低。
本发明实施例提供一种气体传感器，如图1和图2所示，包括：
第一衬底11、设置在所述第一衬底11上的气体检测组件12、所述气体传感器的多个第一引脚13以及封装盖帽2，其中，所述气体检测组件12直接或间接与所述第一引脚13电连接，所述气体检测组件12与第一引脚13电连接(本示例中通过如图2中所示的电极引线14)，且所述气体检测组件12和所述第一引脚13设置在所述第一衬底11的同一面，所述封装盖帽2键合在所述第一衬底11上用于保护所述气体检测组件12，所述第一引脚13裸露在所述封装盖帽2之外。
图1为所述气体传感器的整体结构示意图，图中仅示出第一衬底11、第一引脚13、电极引线14和传感器盖帽2。本文示例中将所述第一衬底11以及设置在所述第一衬底上的所有器件统称为传感器芯片。
图2为所述气体传感器的封装示意图，图中传感器盖帽2沿虚线键合在所述第一衬底11上，将气体检测组件12遮罩在所述传感器盖帽内，并将第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。在图2所示示例中，所述气体检测组件直接与第一引脚电连接，所述气体传感器的第一引脚即为所述气体检测组件的电极引脚，例如包括加热电极和检测电极。
制备上述气体传感器的方法包括以下步骤a1和步骤a2。
步骤a1，在第一衬底11上制备气体检测组件12以及所述气体传感器的多个第一引脚13，所述气体检测组件12直接或间接与所述第一引脚13电连接，所述气体检测组件12和所述第一引脚13制备在所述第一衬底11的同一面；
本示例中气体检测组件12与第一引脚13通过图2中的电极引线14直接实现电连接。
步骤a2，将封装盖帽2键合在所述第一衬底11上用于保护所述气体检测组件12，所述第一引脚13裸露在所述封装盖帽2之外。
一种示例性气体检测组件可以包括为气敏材料提供工作温度的加热电阻丝(或简称为加热电阻)、检测气敏材料电阻变化的叉指电极以及气敏材料层，其中，所述加热电阻丝可通过加热电极引线与加热电极相连，加热电极引线通常由加热电阻丝两端延伸形成，加热电阻丝的两端即加热电极；所述叉指电极可通过检测电极引线与检测电极相连。所述加热电阻与叉指电极可以设置在同一层，也可以设置在不同层。在上述步骤a1中，可以在制备气体检测组件中的加热电阻的同时制备加热电极引线与加热电极，在制备叉指电极的同时制备检测电极引线和检测电极。同时制备可以减少工艺步骤，节约成本。制备时可以采用铂和/或金等金属材料，利用金属沉积和剥离工艺进行制备。图2中所示电极引线14包括加热电极引线和检测电极引线，所示第一引脚包括加热电极和检测电极。
由于封装盖帽用于保护所述气体检测组件，因此在上述步骤a2中，在键合时，封装盖帽不能压到气体检测组件。
通过将气体检测组件与第一引脚设置在所述第一衬底的同一面，且第一引脚裸露在所述封装盖帽之外，使得气体检测组件的电极引线可以直接引出并裸露在气体传感器表面。一方面，减少电极引线的弯折，对电极引线(特别是检测电极引线)损伤小，使制成的传感器信号稳定、噪声小、功耗低、灵敏度高；另一方面，无需对第一衬底进行打孔即可引出第一引脚，提高衬底使用寿命，气体传感器制备完成后，可以直接与电路板进行金丝键合，简化加工工艺，降低制造周期和成本，且产品整体尺寸更小、容易集成。
当气体检测组件12与第一引脚13直接电连接时，所述气体传感器的第一引脚即为供气体检测组件进行电连接的接口。在本示例中，第一引脚的数量取决于气体检测组件的结构。此外，第一引脚的数量还可以根据所述气体传感器的应用场景决定。在图1和图2所示实施例中，所有第一引脚均位于封装盖帽(或气体检测组件)的一侧。在其他实施例中，所述第一引脚还可以分别设置在封装盖帽(或气体检测组件)的多侧，例如图3a所示设置在封装盖帽2的两侧或如图3b所示设置在封装盖帽2的四边，此时所述第一引脚可以以气体检测组件为中心对称分布。当封装盖帽与传感器芯片完成键合后，第一引脚裸露在所述气体传感器表面，所述封装盖帽与传感器芯片呈台阶结构。
在示例性实施方式中，所述第一衬底包括以下之一：硅基衬底、设置有含硅层的金属衬底、设置有含硅层的金属氧化物衬底、设置有含硅层的陶瓷衬底。如果第一衬底为硅基衬底，则可直接基于所述第一衬底制备气体检测组件。如果第一衬底为设置有含硅层的金属衬底或设置有含硅层的金属氧化物衬底或设置有含硅层的陶瓷衬底，则可基于所述含硅层制备气体检测组件。所述金属衬底例如为铝衬底，所述金属氧化物衬底例如为氧化铝衬底。所述含硅层例如为多晶硅层或氧化硅层。如果采用金属衬底或陶瓷衬底，则可以在衬底与含硅层之间形成一隔热层，例如为阳极氧化铝层。如果第一衬底为硅基衬底，则可通过在硅基衬底上设置腔体减少热量损失。
如图4所示，在一示例性实施例中，所述第一衬底11的第一表面开设有第一空腔15，所述气体检测组件12设置在所述第一空腔15的开口处。例如，所述第一空腔的开口处设置有支撑体，所述气体检测组件设置在所述支撑体上。
所述气体检测组件12例如可通过覆盖在所述第一表面上的第一薄膜悬置于第一空腔15的开口处。所述气体检测组件12的底部有用于隔热的空间，以减少热量的损失。所述第一空腔可以贯穿所述第一衬底，也可以不贯穿。当所述第一空腔贯穿所述第一衬底时，所述气体检测组件利用空气实现隔热，同时该第一空腔还可兼做检测气体通道。当所述第一空腔不贯穿所述第一衬底时，开设的第一空腔的深度使所述气体检测组件与所述第一空腔底部之间有空隙，以便于隔热。
所述气体检测组件12可以采用如图4所示的四根悬梁结构，其中气体检测组件与悬梁的结构如图5所示，图中气体检测组件四周有四根用于支撑所述气体检测组件的悬梁16，气体检测组件与第一引脚之间的电极引线可以分别设置在所述四根悬梁上。在如图5所示示例中，四根悬梁对称分布，在其他实施例中，四根悬梁的位置也可以根据需要进行设计。
所述气体检测组件12还可采用如图6所示的单根悬梁结构，图中气体检测组件一侧有一根悬梁16，气体检测组件与第一引脚之间的电极引线可以分层设置在该单根悬梁上。
除上述提到的气体检测组件结构之外，还可以采用其他能实现气体检测功能的气体检测结构来实现。
本文所述气体检测组件和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面，并非限制所述气体检测组件与第一引脚设置在同一水平面，仅表示气体检测组件与第一引脚在第一衬底的同一侧。本例所述气体检测组件除了悬置于第一表面的第一空腔开口处，不排除还可以设置于所述第一表面的第一空腔的开口之外(远离衬底中心)，或者设置于所述第一表面的第一空腔的开口之内(靠近衬底中心)，只要第一引脚也设置在第一表面，则认为该气体检测组件和第一引脚设置在第一衬底的同一面。
将气体检测组件设置在所述第一空腔的开口处，并在气体检测组件底部设置有空隙可以减少热量的损失。在其他实施方式中，也可以不设置空隙。
可以采用以下步骤b1-b4制备传感器芯片：
步骤b1，准备第一衬底11；
例如，选择<100>晶向的单面或双面抛光硅片作为第一衬底；
再例如，对铝衬底进行抛光处理并洗净，将铝衬底进行阳极氧化处理，在表面形成阳极氧化铝层，在该阳极氧化铝层上通过低压化学气相沉积法沉积多晶硅层，将经过上述处理后的衬底作为第一衬底11。如果采用此种处理的衬底作为第一衬底，则在制备传感器芯片时可以不执行步骤b4。
步骤b2，在所述第一衬底11的第一表面上制备第一薄膜；
该第一薄膜用于作为支撑所述气体检测组件的支撑膜，以构成前述悬梁。所述第一薄膜包括氧化硅膜，或氮化硅膜，或由氧化硅层和氮化硅层组成的复合膜，可以是一组氧化硅层和氮化硅层也可以是多组氧化硅层和氮化硅层。可采用热氧化、等离子增强化学气相沉积或低压化学气相沉积等方法依次在第一衬底的第一表面生长氧化硅层和氮化硅层。
步骤b3，在所述第一薄膜上制备所述气体检测组件12、多个第一引脚13以及连接所述气体检测组件12和第一引脚13的电极引线14，所述多个第一引脚13制备在所述气体检测组件的一侧或者分别制备在所述气体检测组件的多侧(以便于在键合封装盖帽2后，使第一引脚裸露在所述封装盖帽之外位于所述封装盖帽一侧或多侧)；
所述气体检测组件可以采用四悬梁结构也可以采用单悬梁结构，可在制备气体检测组件中的加热电阻的同时制备加热电极引线与加热电极，在制备叉指电极的同时制备检测电极引线和检测电极。可以采用铂和/或金等金属材料，利用金属沉积工艺和剥离工艺等工艺进行制备。
以加热电阻与叉指电极处于不同层为例说明气体检测组件的制备方法。采用光刻胶光刻分别定义出加热电阻丝及其对应的第一引脚(本例中为加热电极)和电极引线(本例中为加热电极引线)、叉指电极及其对应的第一引脚(本例中为检测电极)和电极引线(本例中为检测电极引线)，采用金属沉积工艺溅射一层钛铂薄膜，最后采用剥离工艺形成加热电阻丝、叉指电极、及它们各自对应的第一引脚和电极引线。期间，在制备好加热电阻丝后，加热电阻丝和叉指电极之间采用化学气相沉积工艺生长氧化硅或者氮化硅薄膜作为绝缘层；上述工艺完成后采用反应离子刻蚀工艺刻蚀，刻蚀覆盖在加热电阻丝所对应的第一引脚上的绝缘层露出其第一引脚。不论采用四悬梁结构还是采用单悬梁结构，均可利用上述方法进行制备。
步骤b4，刻蚀所述气体检测组件12下方的第一衬底11形成第一空腔15，使所述气体检测组件12位于所述第一空腔15的开口处，刻蚀时保留用于支撑所述气体检测组件的第一薄膜。
用于支撑所述气体检测组件的第一薄膜包括所述气体检测组件12下方以及所述电极引线下方的第一薄膜。
刻蚀时，可使所述第一空腔贯穿第一衬底，或者控制所述第一空腔的深度使所述气体检测组件与所述第一空腔底部之间留有用于隔热的空隙。
刻蚀时，可先利用反应离子刻蚀工艺或离子束刻蚀工艺刻蚀作为支撑膜的第一薄膜，定义出用于支撑气体检测组件的支撑体图形(例如气体检测组件的正投影位置处的图形)和支撑悬梁图形，露出硅衬底形成刻蚀窗口，然后采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾各向异性湿法腐蚀液，或采用各向同性湿法腐蚀液，或各向同性干法腐蚀气体通过刻蚀窗口腐蚀硅衬底，掏空支撑体和支撑悬梁下面的硅衬底形成第一空腔。根据刻蚀所采用的材料和方法的不同，第一空腔的侧壁的形状也可以不同(或者垂直或者倾斜或者弯曲)，例如各向异性腐蚀第一空腔的截面可以是倒梯形或是“v”字形，各向同性腐蚀第一空腔的截面呈近椭圆形。
如图7a和7b所示，其中图7a为传感器芯片的俯视图，所述图7b为传感器芯片的正视图，为便于区别，图中用
所述气体检测组件的气敏材料层可采用气相法，液相法或固相法来制备，可在刻蚀第一空腔之后进行制备。
在一示例性实施例中，在所述第一衬底11上还可设置有专用集成电路(asic)芯片18，所述气体检测组件通过第二引脚19、所述asic芯片18与所述第一引脚13实现电连接，所述asic芯片18设置在所述封装盖帽之内或者裸露在所述封装盖帽之外。在本示例中，所述气体检测组件通过asic芯片间接地与所述第一引脚电连接，在其他示例中，所述气体检测组件还可通过其他器件间接地与所述第一引脚电连接。在本例中，所述第一引脚13包括asic芯片的引脚，所述第二引脚19包括气体检测组件的引脚，例如加热电极和检测电极。
本示例所述asic芯片可以是基于所述第一衬底制造的，也可以是将已经制备好的asic芯片键合在所述第一衬底上。
所述气体检测组件通过第二引脚、所述asic芯片与所述第一引脚实现电连接是指：所述气体检测组件通过第二引脚与所述asic芯片电连接(芯片级连接)，所述asic芯片与所述第一引脚电连接，如图8a所示。在本示例中，所述第二引脚包括加热电极和检测电极；与所述asic芯片电连接的第一引脚即为asic芯片的引脚，包括但不限于以下一种或多种：电源引脚、输入信号引脚、输出信号引脚等(视asic具体设计而定)。
在示例性实施方式中，所述asic芯片与第二引脚可以制备在封装盖帽覆盖范围之内，使得当封装盖帽键合在第一衬底上后该asic芯片和第二引脚位于所述封装盖帽之内，仅第一引脚裸露在封装盖帽之外，如图1所示。在其他实施方式中，还可以将第二引脚制备在封装盖帽覆盖范围之内，将asic芯片制备在封装盖帽覆盖范围之外，当封装盖帽键合在第一衬底上后该第二引脚位于所述封装盖帽之内，该asic芯片和第一引脚裸露在封装盖帽之外。在其他实施方式中，还可以将asic芯片和第二引脚均制备在封装盖帽覆盖范围之外，当封装盖帽键合在第一衬底上后该第二引脚、asic芯片和第一引脚均裸露在封装盖帽之外，如图8b所示。以上方式中，第一引脚、asic芯片、第二引脚和气体检测组件设置在第一衬底的同一表面，可以减少器件之间电极引线弯折的机会。本申请实施例不排除asic芯片和/或第二引脚设置在第一衬底的另一表面的情况。
在示例性实施方式中，为了降低任何可能的干扰，除了引脚之外，其他裸露在封装盖帽之外的电极引线和器件可通过覆盖薄膜(氮化硅层或氧化硅层或氮化硅与氧化硅复合层)等方式遮盖。
asic芯片用于采集气体检测组件采集的气体信号并进行处理，集成了asic电路的气体传感器可以直接输出处理后的信号，集成度更高，应用范围更广。
可以采用以下步骤c1-c4制备上述设置有asic芯片的传感器芯片：
步骤c1，准备第一衬底11；
步骤c2，在所述第一衬底11的第一表面制备第一薄膜；
以上步骤c1和c2同步骤b1和b2，此处不再赘述。
步骤c3，在所述第一薄膜上制备所述气体检测组件12、asic芯片18、多个第一引脚13和多个第二引脚19，所述气体检测组件12通过所述第二引脚19和所述asic芯片18与所述第一引脚13电连接，所述多个第一引脚13制备在所述气体检测组件12的一侧或者分别制备在所述气体检测组件12的多侧(以便于在键合封装盖帽2后，使第一引脚13裸露在所述封装盖帽2之外位于所述封装盖帽2一侧或多侧)；所述asic芯片18制备在所述封装盖帽2覆盖范围内，使得当封装盖帽2键合在所述第一衬底11上后所述asic芯片18位于所述封装盖帽2之内，或者，所述asic芯片18制备在所述封装盖帽2覆盖范围之外，使得当封装盖帽2键合在所述第一衬底11上后所述asic芯片18裸露在所述封装盖帽2之外；
上述步骤c3中制备气体检测组件、引脚和电极引线的工艺与步骤b3中相同。asic芯片电路布局可根据需要制定，采用标准互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)工艺制备好之后再键合到第一衬底上。或者采用mems工艺基于第一衬底、与气体检测组件引脚以及相应的电极引线同时制备。
步骤c4，刻蚀所述气体检测组件12下方的第一衬底11形成第一空腔15，使所述气体检测组件12位于所述第一空腔15的开口处，刻蚀时保留用于支撑所述气体检测组件的第一薄膜。
在一示例性实施例中，所述封装盖帽朝向所述第一衬底的一面开设有用于容纳气体检测组件的第二空腔。如图9所示，所述封装盖帽2朝向所述第一衬底的一面开设有第二空腔22，所述封装盖帽2背向所述第一衬底的一面开设有一个或多个探测气孔(图9所示示例中开设有一个探测气孔23)，第二空腔22与探测气孔23贯通。所述第二空腔22在所述封装盖帽2朝向所述第一衬底11的表面的开口面积大于或等于第一空腔15在第一衬底11朝向所述封装盖帽2的表面的开口面积。
在本实施方式中，为使气体交换效果更好，在封装盖帽内部设置有贯通第二衬底的第二空腔。所述第二空腔的横截面可以是梯形(如图10a所示)，也可以是矩形(如图10b所示)。图中，所述第二空腔22在封装盖帽2第一表面的开口可以作为探测气孔23，所述第二空腔22在封装盖帽2第二表面的开口24对应第一衬底11的第一空腔15开口，所述封装盖帽2第二表面为封装时朝向传感器芯片的一面，封装盖帽2的第一表面为背向所述第二表面的表面，也即封装时背向传感器芯片的一面。第二空腔22的形状尺寸大小可以根据实际应用需要和刻蚀工艺来设计制造，图中所示仅为示例。为避免键合封装过程中封装盖帽对气体检测组件结构造成损伤，可使第二空腔22在封装盖帽第二表面开口24的面积大于或等于第一空腔15在第一衬底11朝向封装盖帽2的表面的开口面积。在其他实施方式中，如果气体检测组件设置在第一空腔内部，则封装盖帽内部也可以不设置第二空腔。
可以采用以下步骤d1-d2制备上述封装盖帽：
步骤d1，准备第二衬底21；
此处所述准备第二衬底是指准备用于制作封装盖帽的衬底，可以是硅片，硅片尺寸可以为四英寸、六英寸或者其他尺寸，第二衬底21的厚度与第一衬底11的厚度可以相同也可以不同。
如果步骤d2中采用各向异性湿法腐蚀制备第二空腔，则可选择p或n-<100>晶向的硅片；如果步骤d2中采用各向同性的干法刻蚀或湿法腐蚀制备第二空腔，则对硅片的晶向无要求。
步骤d2，在所述第二衬底21的第一表面开设一个或多个探测气孔23，以及在所述第二衬底21的第二表面开设贯通所述探测气孔23的第二空腔22，所述第二表面为背向所述第一表面的表面。
可以采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾等各向异性湿法腐蚀液，或采用由氢氟酸、硝酸水溶液的各向同性湿法腐蚀液，或二氟化氙(xef2)各向同性干法腐蚀气体来刻蚀第二衬底，制造出探测气孔23和第二空腔22。
如图11所示，在一示例性实施例中，所述封装盖帽2包括第二衬底21，所述第二衬底21朝向所述第一衬底11的一面开设有第二空腔22，所述第二衬底21背向所述第一衬底11的一面设置有薄膜盖板25，所述薄膜盖板25上开设有一个或多个探测气孔23’，所述第二空腔22与所述探测气孔23’贯通，所述第二空腔22在所述封装盖帽2朝向所述第一衬底11的表面的开口面积大于或等于所述第一空腔15在所述第一衬底11朝向所述封装盖帽2的表面的开口面积，所述第二空腔22的深度等于所述第二衬底21的厚度。
在本实施方式中，为了避免气体传感器表面的磨损，在第二衬底背向第一衬底的一面设置了薄膜盖板。并且为了提高气体交换效率，在薄膜盖板上对应第二空腔开口的位置开设有一个或多个探测气孔。探测气孔的形状、尺寸及开孔数量可根据实际的测量量程、灵敏度等性能要求来确定。形状可以设计为圆形或者方形或者其它形状，数量可以为一个或多个，图12所示为在薄膜盖板上开设有4个探测气孔的气体传感器结构图。
可以采用以下方式任意之一制备上述封装盖帽：
方式一(包括步骤e1-e4)：
步骤e1，准备第二衬底21；
此处所述准备第二衬底是指准备用于制作前述封装盖帽的衬底，例如为硅片，硅片尺寸可以为四英寸、六英寸或者其他尺寸，第二衬底21的厚度与第一衬底11的厚度可以相同也可以不同。
如果步骤e4中采用各向异性湿法腐蚀制备第二空腔，则可选择p/n-<100>晶向的硅片；如果步骤e4中采用各向同性的干法刻蚀或湿法腐蚀制备第二空腔，则对硅片的晶向无要求。
步骤e2，在所述第二衬底21的第一表面形成第二薄膜，所述薄膜作为薄膜盖板25；
所述第一表面是指封装时背向第一衬底的表面。
所述第二薄膜可以为单层氧化硅膜或单层氮化硅膜或由氧化硅和氮化硅形成的复合膜。可采用热氧化、等离子增强化学气相沉积或低压化学气相沉积等方法生成。
步骤e3，对所述第二薄膜进行刻蚀形成一个或多个探测气孔23’；
可以利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀等刻蚀工艺刻蚀出窗口作为探测气孔，露出第二衬底。
步骤e4，在所述第二衬底21的第二表面形成贯通所述第二衬底21的第二空腔22，所述第二空腔22与所述一个或多个探测气孔23’连通，所述第二表面为背向所述第一表面的表面。
采用光刻胶或者其他类的掩膜保护板，采用干法刻蚀工艺，从第二衬底的第二表面来刻蚀第二衬底，即可制造出第二空腔22。
方式二(包括步骤f1-f4)：
步骤f1，准备第二衬底21；
同步骤e1。
步骤f2，在所述第二衬底21的所有表面形成第二薄膜，所述第二衬底第一表面上形成的第二薄膜作为薄膜盖板25；
例如可以采用等离子体增强化学气相沉积法在第二衬底的所有表面生成第二薄膜。
步骤f3，对所述第一表面上的第二薄膜进行刻蚀形成一个或多个探测气孔23’，对所述第二衬底21第二表面上的第二薄膜进行刻蚀形成窗口，所述第二表面为背向所述第一表面的表面；
可以利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀等刻蚀工艺在第二衬底21的第一表面刻蚀出窗口作为探测气孔23’，露出第二衬底21的第一表面，在第二衬底21的第二表面刻蚀出用于腐蚀硅基衬底的窗口，露出第二衬底21的第二表面，露出硅基衬底后能够加速步骤f4中体硅腐蚀工艺的腐蚀速度。
步骤f4，对所述窗口内的第二衬底21进行刻蚀形成贯通所述第二衬底21的第二空腔22，所述第二空腔22与所述一个或多个探测气孔23’连通。
采用光刻胶或者其他类的掩膜保护板，采用干法刻蚀工艺从第二衬底的第二表面刻蚀暴露出来的第二衬底21，即可制造出第二空腔22。或采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾等各向异性湿法腐蚀液，或采用由氢氟酸、硝酸水溶液的各向同性湿法腐蚀液也可以完成。
除了在封装盖帽上开设一个或多个用于进行气体交换的探测气孔外，在其他实施例中，还可以在第一衬底底部开设一个或多个探测气孔。如果第一衬底上的第一空腔贯穿所述第一衬底，则该第一空腔可以兼用于隔热和作为探测气孔。以第一衬底为硅基衬底，开设两个探测气孔为例，如图13a和13b所示，制备时，在刻蚀所述气体检测组件下方的第一衬底形成第一空腔15之前或者形成第一空腔15的同时，即上述步骤b4之前或同时，或上述步骤c4之前或同时，通过体硅腐蚀方法在所述第一空腔15底部开设一个或多个探测气孔20。在其他实施方式中，还可以通过边缘带开孔的封装盖帽实现气体交换。第一衬底上的探测气孔和封装盖帽上的探测气孔可以同时存在，或者仅在第一衬底上开设探测气孔，或者仅在封装盖帽上开设探测气孔。
在一示例性实施例中，可以采用以下方式将封装盖帽键合在所述第一衬底上：
将所述第二衬底21开设有第二空腔22的一面朝向所述第一衬底11开设第一空腔15的一面，将封装盖帽2键合在所述第一衬底21上以罩住所述气体检测组件，键合时使所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。键合后，所述第二空腔22在第二衬底21朝向所述第一衬底11的表面的开口包含所述第一空腔15在所述第一衬底11朝向所述封装盖帽2的表面的开口(此处所述“包含”包括两开口面积相同的情况)。
在一示例性实施例中，可采用晶圆级封装工艺将包含传感器芯片的晶圆与包含封装盖帽的晶圆键合封装，或者也可将传感器芯片和封装盖帽进行键合。键合工艺可采用黏合剂键合或玻璃浆料键合技术，此种技术对键合温度要求较低，温度变化产生的热应力能够被焊料直接吸收；也可采用金属共晶键合技术，此种技术在较低的温度下将熔融温度较低的共晶合金作为中间介质层，通过加热使材料熔融实现共晶键合。采用共晶键合封装工艺时，可在传感器芯片的电极引线上设置一层钝化层对其进行保护。键合位置为第一衬底21上第一空腔15以外的位置，如图15b中键合位置41，以使封装盖帽罩住所述气体检测组件并将第一引脚裸露在封装盖帽之外。
在一示例性实施例中，所述方法还包括以下步骤之一：
步骤g1，在所述封装盖帽背向第一衬底的表面上形成划片标记；
如果在将封装盖帽键合在所述第一衬底上之后再进行划片，则只需在制备封装盖帽的晶圆上形成划片标记即可。形成的划片标记包括用于界限气体传感器边界的划片标记以及用于界限封装盖帽边界的划片标记。可以在制备封装盖帽时形成划片标记，例如在开设第二空腔之前在第二衬底的第一表面上制作划片标记，再例如在薄膜盖板上制作划片标记。不排除也可以在键合之后，在封装盖帽背向第一衬底的表面上形成划片标记。
步骤g2，分别在所述第一衬底和封装盖帽上形成划片标记。
如果是在将封装盖帽键合在所述第一衬底上之前进行划片，则需要分别在第一衬底上和封装盖帽上形成划片标记。在第一衬底上形成的划片标记用于界限气体传感器边界，在封装盖帽上形成的划片标记用于界限封装盖帽的边界。第一衬底上的划片标记可以在第一衬底上制备气体检测组件以及与所述气体检测组件电连接的第一引脚的同时形成。封装盖帽上的划片标记可以在制备所述封装盖帽的过程中形成，例如在制备好薄膜盖板之后。传感器芯片和封装盖帽都制备好后，采用激光划片分别对传感器芯片和封装盖帽进行划片后，再将传感器芯片和封装盖帽进行键合得到气体传感器。
所述划片标记可以是采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜等金属镀膜工艺制备，划片标记的材料可为铂和/或金，划片标记可以为点也可以为线，只要能标记边界即可。例如，使用边长为5μm的正方形点状划片标记，分别设置于封装盖帽或传感器芯片的边界交点处(如顶点位置)。
如图14a、14b、图15a和15b所示，图中第一晶圆3为制备封装盖帽的硅片，第二晶圆4为制备传感器芯片的硅片。以封装后划片且划片标记为点状划片标记为例，本例中制备得到的传感器外形如图1所示，封装盖帽宽度与第一衬底宽度相同，且宽度相同的边缘对齐设置，因此只需形成6个划片标记，包括4个用于界限气体传感器顶点的划片标记31-1以及2个用于界限封装盖帽边界的划片标记31-2。按照顺时针或者逆时针的顺序依次连接四个划片标记31-1形成的路径为第一划片路径32，该第一划片路径32标识了气体传感器的边界，如图14b中黑色粗实线所示。在封装盖帽封装到传感器芯片之后，可根据划片标记31-1，采用激光划片的方式，按照第一划片路径32，控制激光划片的深度，将两片封装在一起的晶圆完全划透；再根据设置好的划片标记31-2，按照第二划片路径33(图14b中黑色粗虚线)，控制激光划片的深度(即封装盖帽的高度)，对封装在传感器芯片晶圆上的封装盖帽晶圆进行切割，移除多余结构34，露出第一引脚。激光划片相比于传统的划片方式，划道干净，划片精度高，速度快，对芯片的结构影响小。
在其他实施例中，如果封装盖帽尺寸与第一衬底尺寸不同，或者宽度相同但宽度相同的边缘并未设置为对齐，例如图3a或图3b所示传感器外形，仍采用点状划片标记，则需要形成8个划片标记。
由于前述实施例提供的气体传感器的结构的独特性，因此在一示例性实施例中，可以将多个前述气体传感器芯片结构和盖帽结构进行组合设计为传感器阵列，其中的气体传感器可以是上述实施例中的任意一种或几种。气体传感器阵列中的气体传感器的气敏材料可以相同也可以不同。
采用四支撑悬梁气体检测组件制成的气体传感器组成的传感器阵列如图16a和16b所示，其中图16a中所有传感器的引脚均设置在封装盖帽的同一侧，图16b中每个传感器有的引脚以封装盖帽为中心对称分布。采用单支撑悬梁气体检测组件组成的气体传感器组成的传感器阵列如图16c所示。采用气体传感器阵列结构可以实现单位面积上更高的传感器集成度，这将更适用于嗅觉识别芯片设计。
图17为本发明实施例提供的一种小尺寸mems气体传感器结构分解图。该气体传感器不需要用to管壳或者陶瓷管壳封装，省去后续点胶、芯片粘接、引线键合和盖帽等一系列的封装工艺。本例中所述第一衬底和第二衬底均为硅基衬底。包括第一衬底11，开设于第一衬底11内的用于隔热的第一空腔15，用于检测气体的气体检测组件12固定于第一空腔15开口处，气体检测组件12的电极引线14采用金属镀膜工艺制成并连接至第一引脚13，在本例中，第一引脚13设置在气体检测组件12的一侧。封装盖帽包括第二衬底21，该第二衬底21内开设有贯穿第二衬底21的第二空腔22，该第二空腔22与第一空腔15位置相对应。所述第二衬底21上背向第一衬底11的一面覆盖有薄膜盖板25，所述薄膜盖板25上开设有探测气孔23’(可以是一个或多个)。上述电极引线14及第一引脚13的材料均为金属材料(如铂和/或金)。
封装盖帽与传感器芯片键合后，气体检测组件12处于第一空腔15的开口位置，目标气体由探测气孔23’进入气体第二空腔22，气体检测组件12检测气体的含量及成分。键合后的气体传感器整体结构呈台阶状，多个第一引脚13裸露在封装盖帽外部的台阶上，便于电连接。
本实施例提供的带有封装结构的气体传感器，与传统的封装后的气体传感器相比，其尺寸大大减小，可以实现设计尺寸1mm×1.5mm，甚至尺寸可以更小。可集成到智能家居、智能手机、可穿戴设备上，完全满足应用需求。本实施例采用mems工艺设计制造传感器芯片以及封装盖帽，将传感器芯片和封装盖帽键合封装之后便是一个完整的直接可用的气体传感器，不需要后续再键合to管壳或者陶瓷管壳等封装配件，封装工艺简单，易于传感器批量化制造，成本大大降低，效率得到提升，制备周期缩短。此外，无需打硅通孔，减少对传感器的二次损伤，延长传感器工作寿命。
本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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