一种基于倒装焊封装的甲烷传感器

摘要

一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器，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。

主权项

一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器，其特征在于：它括单片高温加热器（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。