专利汇可以提供一种基于倒装焊封装的甲烷传感器及其制备方法与应用专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种基于倒装焊封装的微型甲烷 传感器 及其制备方法,属于MEMS甲烷传感器及其制备方法。该甲烷传感器首先采用MEMS技术加工制备单片高温加热器与单片甲烷气体检测器与环境 温度 检测器,然后通过倒装焊封装技术将单片高温加热器与单片甲烷气体检测器形成一个整体的叠层结构形式的微型甲烷传感器。其中的单片高温加热器独立加热至500℃以上高温;单片甲烷气体检测器独立检测因甲烷出现及浓度变化造成的温度下降,其测量 电路 与单片高温加热器的电路相互独立,互不影响。该传感器的制备工艺与CMOS工艺兼容,该甲烷传感器功耗低、灵敏度高、使用寿命长。,下面是一种基于倒装焊封装的甲烷传感器及其制备方法与应用专利的具体信息内容。
1.一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器,其特征在于:它包括单片高温加热器(1)、单片甲烷气体检测器(2)和环境温度检测器(3);
所述单片高温加热器(1)包括:支座A(101)、加热元件(103)、2个固定端A(102)、2个键合固定端A(106)、多个电极引出端(104)、多个支撑端(105);
所述单片甲烷气体检测器(2)包括支座B(201)、测温元件(203)、2个固定端B(202)、若干键合支撑端(204);
所述环境温度检测器(3)包括两个电极端(1041)及测量电阻(32);所述环境温度检测器(3)设在单片高温加热器(1)的支座A(101)上,或单片甲烷气体检测器(2)的支座B(201)上,或在单片高温加热器(1)的支座A(101)与单片甲烷气体检测器(2)的支座B(201)上都设置有环境温度检测器(3);
所述支座A(101)与支座B(201)都包括硅衬底(11)与硅衬底(11)之上的埋层氧化硅(12);
所述固定端A(102)、键合固定端A(106)、支撑端(105)、电极引出端(104)与电极端(1041)均相互独立的设在支座A(101)上的埋层氧化硅(12)上;固定端A(102)及电极端(1041)均由硅层(21)加工而成,并在硅层(21)上设有氧化硅层(23)、在氧化硅层(23)上设有金属层(22);所述固定端A(102)及电极端(1041)的硅层(21)内均设有掺杂硅层(24),金属层(22)均通过氧化硅层(23)的窗口与掺杂硅层(24)直接接触并构成欧姆接触;键合固定端A(106)、电极引出端(104)与支撑端(105)均由硅层(21)加工而成,并在硅层(21)上设有氧化硅层(23),在氧化硅层(23)上设有金属层(22);加热元件(103)同样由硅层(21)加工而成,并在硅层(21)的外表面设有钝化保护层(25);所述加热元件(103)设有高温加热单元(1031)、两个对称设置的硅悬臂(1032);所述高温加热单元(1031)为圆环状,或多个加热条的并联;所述硅悬臂(1032)的长度大于300um;所述单个的硅悬臂(1032)的一端与高温加热单元(1031)相连,另一端与支座A(101)上的一个固定端A(102)相连;电极引出端(104)也设在支座A(101)的埋层氧化硅(12)上;每个键合固定端A(106)、固定端A(102)均与一个对应的电极引出端(104)的一端相连,尤其是金属层(22)是相连接的;电极引出端(104)远离固定端A(102)和键合固定端A(106),其间距离应使单片甲烷气体检测器(2)倒装焊在单片高温加热单元上(1)之后,电极引出端(104)与电极端(1041)不被单片甲烷气体检测器(2)遮挡,在电极引出端(104)和电极端(1041)上可以向外进行引线键合;在键合固定端A(106)、支撑端(105)的金属层(22)上设有高度相同的金属凸块(500);2个键合固定端A(106)与2个固定端A(102)并排间隔布置,排列顺序分别为一个键合固定端A(106)、一个固定端A(102)、另一个固定端A(102)、另一个键合固定端A(106);
所述测温元件(203)设有测温单元(2031)、两个对称设置的连接臂(2033),2个对称设置的支撑臂(2032);所述测温单元(2031)、连接臂(2033)、支撑臂(2032)、固定端B(202)依次相连;所述测温单元(2031)与单片高温加热器(1)的高温加热单元(1031)结构形状相同,尺寸稍大;所述键合支撑端(204)、固定端B(202)均相互独立的设在支座B(201)上的埋层氧化硅(12)上;若在支座B(201)上设有环境温度检测器(3),则环境温度检测器(3)与固定端B(202)及若干键合支撑端(204)相互独立、不存在硅层(21)上的连接;所述键合支撑端(204)、固定端B(202)均由硅层(21)加工而成,均包括硅层(21)、设在硅层(21)外的氧化硅层(23)、设在氧化硅层(23)上的金属层(22);固定端B(202)的硅层(21)内设有掺杂硅层(24),金属层(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端B(202)的掺杂硅层(24)直接接触构成欧姆接触;测温元件(203)由硅层(21)加工而成,并在硅层(21)的外表面设有钝化保护层(25),悬在空气中的测温元件(203)通过固定端B(202)固定在支座B(201)上的埋层氧化硅(12)上,两个固定端B(202)构成测温元件(203)的电通路的两个端子;
单片甲烷气体检测器(2)的正面与单片高温加热器(1)的正面平行相对,对准后通过金属凸点(500)的金属键合实现二者的紧密固定与电连接;对准后的单片甲烷气体检测器(2)在单片高温加热器(1)上的投影特征为:单片甲烷气体检测器(2)的2个固定端B(202)分别与单片高温加热器(1)的2个键合固定端A(106)重合,单片甲烷气体检测器(2)的键合支撑端(204)分别与单片高温加热器(1)对应的支撑端(105)重合,测温单元(2031)的中心与单片高温加热器(1)的高温加热单元(1031)的中心重合,二者的中心到各自的支座具有相同的距离;单片甲烷气体检测器(2)与单片高温加热器(1)通过金属凸点(500)金属键合固定后,测温单元(2031)与单片高温加热器(1)的高温加热单元(1031)之间的距离的距离范围为3至200um;单片甲烷气体检测器(2)的测温元件(203)通过两个固定端B(202)、单片高温加热器(1)的两个键合固定端A(106)及其上的金属凸点(500)、与键合固定端A(106)相连接的两个电极引出端(104)在单片高温加热器(1)上构成一个二端子器件,在所述的与键合固定端A(106)相连接的两个电极引出端(104)上进行引线键合可实现与外部电路的连接。
2.一种如权利要求1所述的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器的应用方法,使用时使单片甲烷气体检测器(2)位于单片高温加热器上(1)的下方,给单片甲烷气体检测器(2)与环境温度检测器(3)通以微弱电流不使测温元件(203)与测量电阻(32)发热;而给单片高温加热器(1)通电后则使加热元件(103)加热至500℃以上的高温,进入电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域;所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点,当电流或电压继续增大时,电阻不再继续增大反而减小;当没有甲烷气体时,单片甲烷气体检测器(2)的测温元件(203)受加热元件(103)的加热高温影响温度升高,电阻增大;而当甲烷气体出现时及浓度增加时,加热元件(103)的温度降低,测温元件(203)受其影响温度也降低,导致自身电阻的降低,于是通过电学检测的方法可以检测甲烷的出现及甲烷浓度变化;环境温度检测器(3)独立探测所述微型甲烷传感器的片上温度用于甲烷浓度数据的温度补偿。
3.如权利要求1所述的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器的制备方法,其特征是:其包括两种制备方法:
制备方法(一)首先制备分离的单片高温加热器(1)与分离的单片甲烷气体检测器(2),所述的单片高温加热器(1)单片甲烷气体检测器(2)采用SOI硅片加工,单片高温加热器(1)与单片甲烷气体检测器(2)制备时可以在同一SOI硅片上加工,或者在不同的SOI硅片上加工;然后将加工好的分离的单片高温加热器(1)与分离的单片甲烷气体检测器(2)采用倒装焊封装制备成整体结构形式的所述的微型甲烷传感器;
其具体制备步骤为:
第一步,在SOI硅片上制备氧化硅层(23);
第二步,图形化顶层硅之上的氧化硅层(23),形成掺杂或离子注入所需的窗口;
第三步,掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24);
第四步,淀积或蒸发制备金属层,并图形化所制备的金属形成固定端B(202)、若干键合支撑端(204)、固定端A(102)、键合固定端A(106)、支撑端(105)、电极引出端(104)、电极端(1041)的金属层(22),以及固定端A(102)、键合固定端A(106)与电极引出端(104)之间的连接金属层;
第五步,光刻形成正面结构的刻蚀窗口的图形,随后采用RIE(Reactive Ion Etching,反应离子刻蚀)干法刻蚀去除所述刻蚀窗口图形中的第一步生成的氧化硅层(23)及其下的硅层(21),刻蚀停止于埋层氧化硅(12),在埋层氧化硅(12)上形成加热元件(103)、固定端A(102)、键合固定端A(106)、电极引出端(104)、多个支撑端(105)、测量元件(102)、测温元件(203)、固定端B(202)、键合支撑端(204)与环境温度检测器(3)的结构及划片槽;
第六步,在SOI硅片的正面制备刻蚀保护层,所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面;
第七步,在SOI硅片背面光刻形成背面刻蚀窗口的图形,采用湿法刻蚀或ICP
(Inductively Coupled Plasma,感应耦合等离子体刻蚀)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching,深反应离子刻蚀)等干法刻蚀方法刻蚀SOI硅片的底层硅,即衬底(11),刻蚀停止于埋层氧化硅(12);
第八步,采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从衬底(11)露出的埋层氧化硅(12),释放出加热元件(103)、测温元件(203),释放出加热元件、测温元件;
第九步,去除第六步所形成的刻蚀保护层;
第十步,对暴露出的硅进行氧化,形成薄层氧化硅层;
第十一步,采用保护层覆盖SOI硅片的正面,所述保护层覆盖除加热元件(103)、测温元件(203)悬空结构以及环境温度检测器(3)的测量电阻(1032)以外的SOI硅片正面部分;可采用光刻胶作为保护层;可采用微喷印设备在精确定位后制备所述光刻胶;也可使用覆盖在SOI的正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述光刻胶,所述掩蔽版仅露出除加热元件(103)、测温元件(203)悬空结构以及环境温度检测器(3)的测量电阻(1032),而其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮挡住;
第十二步,采用ALD原子层沉积方法在热元件(103)、测温元件(203)悬空结构以及环境温度检测器(3)的测量电阻(1032)的外表面制备氧化铪,或制备氧化铝薄膜,或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜,或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜,与第十步形成的薄层氧化硅层共同构成钝化保护层(25);
第十三步,去除第十一步制备的保护层,干燥SOI硅片;
第十四步,划片、裂片后得到数量众多分立的单片高温加热器(1)与分立的单片甲烷气体检测器(2);
第十五步,将制备好的单片高温加热器(1)的正面与单片甲烷气体检测器(2)的正面贴合对准,随后将单片高温加热器(1)的键合固定端A(106)、支撑端(105)的金属层(22)上的金属凸块(500)与对应的单片甲烷气体检测器(2)上的固定端B(202)、键合支撑端(204)上的金属相接触并施加压力、升温进行键合形成整体的叠层结构形式的所述的微型甲烷传感器;
或制备方法(二)为圆片级倒装焊封装制备权利要求1所述的微型甲烷传感器,单片高温加热器(1)在一个SOI硅圆片上加工,单片甲烷气体检测器(2)在另一个SOI硅圆片上加工;然后采用圆片级倒装焊封装制备成所述的微型甲烷传感器;
其具体步骤为:
第一步,在SOI硅片上制备氧化硅层(23);
第二步,图形化顶层硅之上的氧化硅层(23),形成掺杂或离子注入所需的窗口;
第三步,掺杂或离子注入形成掺杂硅层(24);
第四步,制备金属,并图形化所制备的金属分别形成固定端B(202)、若干键合支撑端(204)、固定端A(102)、键合固定端A(106)、支撑端(105)、电极引出端(104)与电极端(1041)上的金属层(22)以及固定端A(102)、键合固定端A(106)与电极引出端(104)之间的连接金属层;
第五步,光刻形成正面结构的刻蚀窗口的图形,随后采用RIE干法刻蚀去除所述刻蚀窗口图形中的第一步生成的氧化硅层(23)及其下的硅层(21),刻蚀停止于埋层氧化硅(12),在埋层氧化硅(12)上形成加热元件(103)、固定端A(102)、键合固定端A(106)、电极引出端(104)、多个支撑端(105)、测量元件(102)、测温元件(203)、固定端B(202)、键合支撑端(204)与环境温度检测器(3)的结构;
第六步,在SOI硅片的正面制备刻蚀保护层,所述刻蚀保护层覆盖整个SOI硅片的正面;
第七步,在SOI硅圆片的背面光刻形成背面划片槽的刻蚀窗口图形,采用RIE刻蚀SOI硅片背面的氧化硅与底层硅,形成划片槽;
第八步,在SOI硅片背面光刻形成背面刻蚀窗口图形,采用湿法刻蚀或ICP或DRIE(深反应离子刻蚀)等干法刻蚀方法刻蚀SOI硅片的底层硅,即衬底(11),刻蚀停止于埋层氧化硅(12);
第九步,采用氢氟酸溶液或氢氟酸气雾湿法刻蚀从衬底(11)露出的埋层氧化硅(12),释放出加热元件(103)、测温元件(203),释放出加热元件、测温元件;
第十步,去除第六步所形成的刻蚀保护层;
第十一步,对暴露出的硅进行氧化,形成薄层氧化硅层;
第十二步,采用保护层覆盖SOI硅片的正面,所述保护层覆盖除加热元件(103)、测温元件(203)悬空结构以及环境温度检测器(3)的测量电阻(1032)以外的SOI硅片正面部分;可采用光刻胶作为保护层;可采用微喷印设备在精确定位后制备所述光刻胶;也可使用覆盖在SOI的正面的掩蔽版采用喷涂的方法制备所述光刻胶,所述掩蔽版仅露出加热元件(103)、测温元件(203)悬空结构以及环境温度检测器(3)的测量电阻(1032),其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮挡住;
第十三步,采用ALD原子层沉积方法在热元件(103)、测温元件(203)悬空结构以及环境温度检测器(3)的测量电阻(1032)的外表面制备氧化铪,或制备氧化铝薄膜,或制备氧化铪/氧化铝复合薄膜,或制备氧化硅/氧化铪/氧化铝复合薄膜,与第十一步形成的薄层氧化硅层一起构成钝化保护层(25);
第十四步,去除第十二步制备的保护层,干燥;
上述第一步至第十四步为单片高温加热器(1)、单片甲烷气体检测器(2)在各自SOI硅圆片上的加工步骤;
第十五步,将制备好有单片高温加热器(1)的硅圆片的正面与制备有单片甲烷气体检测器(2)的硅圆片的正面贴合对准,随后将单片高温加热器(1)的键合固定端A(106)、支撑端(105)的金属层(22)上的金属凸块(500)与对应的单片甲烷气体检测器(2)上固定端B(202)、若干键合支撑端(204)接触并施加压力、升温进行键合形成含有单片高温加热器(1)的硅圆片与含有单片甲烷气体检测器(2)的硅圆片为一体的叠层式硅圆片;
第十六步,沿第七步所述在制备有单片甲烷气体检测器(2)的SOI硅圆片背面上的划片槽划片,沿本步骤所述划片槽划片的切割深度只有一个SOI硅圆片的厚度,去除掉所述制备有单片甲烷气体检测器2的SOI硅圆片上的切割的硅,露出单片高温加热器(1)上的电极引出端(104);
第十七步,沿第七步所述在制备有单片高温加热器(1)的SOI硅圆片背面上的划片槽划片;沿本步骤所述划片槽划片的切割深度为两个SOI硅圆片的厚度;裂片得到所述的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器。
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