CN102084243A - 气体传感器和用于制造气体传感器的倒装芯片方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器元件（1），包括带有气体敏感层的至少一个半导体器件（5），该半导体器件按照倒装芯片方法固定在承载体（3）上，其中气体敏感层朝向承载体（3）的方向并且包括用于将要研究的气体输送给气体敏感层的装置。所述半导体器件（5）被包覆物（11）包围。此外，本发明涉及一种用于制造传感器元件的方法，其中将带有气体敏感层的半导体器件（5）通过倒装芯片方法固定在承载体（3）上，使得气体敏感层朝着承载体（3）的方向。随后通过等离子体喷射方法、尤其是气氛的等离子体喷射方法来施加包覆物（11）。最后，本发明还涉及一种传感器元件在内燃发动机的排气系统中的应用。

Description

气体传感器和用于制造气体传感器的倒装芯片方法

技术领域

本发明基于一种根据权利要求1前序部分所述的传感器元件，包括至少一个带有气体敏感层的半导体器件。此外，本发明涉及一种用于制造这种传感器元件的方法及其应用。

包括带有气体敏感层的至少一个半导体器件的传感器元件通常用于检测气体混合物中的组分。带有气体敏感层的半导体器件在此通常是气体敏感的场效应晶体管。在这种气体敏感的场效应晶体管中，栅电极设置有涂层，在该涂层上可以吸收气体分子，并且由此通过载流子密度来改变晶体管的特性曲线。这是存在相应的气体的信号。作为涂层，在此相应地选择如下材料：该材料对于确定的要检测的气体是选择性的。为此，涂层通常包含催化活性材料。通过使用不同的分别具有特定的栅极涂层的气体敏感的场效应晶体管，可以检测不同的气体。

用于检测气体组分的传感器元件例如也可以使用在机动车的排气系统中。借助这种传感器元件，例如可以确定在废气中存在氮氧化物、氨或者碳氢化合物。然而，由于内燃机的废气的高温，对于传感器元件提出了高要求。此外，在废气中会包含颗粒，这些颗粒会导致栅极涂层的磨损。这使得需要保护栅极涂层，然而其中不允许通过这种保护而影响功能。

例如在DE-A 10 2005 008 051中描述了带有开孔的多孔敏感层的气体敏感的场效应晶体管。

发明内容

根据本发明构建的传感器元件包括带有气体敏感层的至少一个半导体器件，该半导体器件按照倒装芯片方法固定在承载体上，其中气体敏感层朝向承载体的方向并且包括用于将要研究的气体输送给（zufuehren）气体敏感层的装置。半导体器件被包覆物包围。

通过按照倒装芯片方法来固定半导体器件以及随后的包覆，将半导体器件保护免受外部影响。这样，一方面通过如下方式已经实现了对气体敏感层的保护：该气体敏感层朝向承载体并且并不背离承载体而朝向环境。通过附加的包覆物，进一步保证了没有周围介质中的有害组成部分会与半导体器件相互作用。通过这种方式，可以有效地防止半导体器件的损坏。

为了能够将要研究的气体输送给气体敏感层，所述装置包括多孔层用于输送气体，该多孔层设置在半导体器件和承载体之间，其中多孔层的区域并未被包覆物覆盖。通过多孔层的未被包覆物覆盖的区域，要研究的气体可以渗入多孔层中。通过多孔层，要研究的气体被引导至气体敏感层。通过使用多孔层避免了要研究的气体的非气态组成部分、例如包含于气体中的颗粒到达气体敏感层。通过这种方式，多孔层用作气体敏感层的附加保护层。

多孔层优选包含开孔多孔陶瓷。优选的是，包含在多孔层中的开孔多孔陶瓷是氧化铝、氧化锆、堇青石及其混合物。

多孔层优选在半导体器件的固定之前被施加到承载体上。在承载体与半导体器件接触的位置上在多孔层中设置有凹部。可替选地，也可能的是，例如将穿通接触部引入多孔层中。例如通过丝网印刷方法来施加多孔层，该丝网印刷方法通常在烧结步骤之后。然而多孔层例如也可以通过等离子体喷射方法、刮板、分配方法或者移印来施加。然而优选的是，多孔层通过丝网印刷方法来施加，其中例如可以通过使用孔形成器来调节多孔层的孔隙度。丝网印刷方法也能够实现多孔层的目标精确的取向。借助丝网印刷方法，可以用简单的方式来实现平坦的表面。

在一个可替选的实施形式中，为了输送气体在承载体中构建通道，该通道一方面通到半导体器件的气体敏感层中，并且另一方面通到包覆物之外的位置。在此，用于输送气体的通道例如可以被铣削到承载体中，其中入口定位在承载体的与半导体器件相同的侧上。优选的是，通道在此被覆盖并且仅仅露出小的进入开口，由此没有要研究的气体的损坏气体敏感层的组成部分可以侵入通道中。

然而优选的是，该通道构建为承载体中的穿通开口。在此，进入孔位于承载体的背面并且半导体器件在承载体的上侧直接位于通道上方。

为了避免尤其是包含在气体流中的颗粒到达气体敏感层，优选的是，通道用多孔材料填充。用来填充通道的多孔材料在此优选是也用于前面描述的多孔层相同的材料。在此，多孔材料至通道中的侵入同样通过与施加多孔层相同的方法来进行。除了通道之外，还可能的是，在承载体和半导体器件之间构建多孔层，如前面已经描述的那样。当设置了承载体，则多孔层然而完全被包覆物覆盖，因为通过通道进行气体输送。

为了可能包含损坏半导体器件的组成部分的要研究的气体仅仅与气体敏感层接触，可能的是，在使用多孔层时在半导体器件和承载体或者承载体中的通道之间气密地实施包覆物，其中气体通过所述通道被输送给气体敏感层。在包覆物的气密实施的情况下，尤其是也将要研究的气体的气态组成部分保持远离半导体器件。

替代气密的包覆物和例如多孔层（气体通过该多孔层输送给气体敏感层）或者承载体中的通道，也可能的是，将包覆物多孔地实施并且将半导体器件和承载体彼此间隔地安装，使得要研究的气体通过多孔包覆物并且在半导体器件和承载体之间被输送给气体敏感层。在该实施例中要注意的是，在承载体上安装半导体器件时，分别保持在半导体器件和承载体之间的所需的距离，以便使得气体敏感层对于要研究的气体是可到达的。

可替选地也可能的是，包覆物多孔地实施，并且在半导体器件之下在承载体中构建通道，使得要研究的气体通过多孔包覆物以及通过通道输送给气体敏感层。在该实施形式中也可能的是，将半导体器件直接设置在承载体上，而在半导体器件和承载体之间不保留间隙。

替代在半导体器件和承载体之间的间隙，可替选地也可能的是，在半导体器件和承载体之间设置多孔层。通道也可以用多孔层填充。当在半导体器件和承载体之间构建多孔层时，需要在半导体器件和承载体之间通过多孔层设置间距。

借助其来包覆半导体器件的包覆物优选包含至少一个选自由氧化铝、氧化锆、堇青石和玻璃构成的组中的材料。然而优选的是，包覆物由氧化铝、氧化锆、堇青石或者这些材料的混合物制成。

用于制造传感器元件的方法优选包括以下步骤：

(a)将带有气体敏感层的半导体器件通过倒装芯片方法固定在承载体上，使得气体敏感层朝着承载体的方向，并且要研究的气体可以被输送给气体敏感层，

(b)在固定半导体器件之后施加包覆物。

优选的是，包覆物通过等离子体喷射方法、尤其是通过气氛（atmosph?risches）等离子体喷射方法来施加。通过借助等离子体喷射方法来施加包覆物，可能有针对性地设置包覆物的孔隙度。这样，包覆物可以强烈多孔地、较少多孔地或者完全不透过气体地制造。由于通过倒装芯片方法来固定半导体器件，其中气体敏感层朝向承载体的方向，所以在施加包覆物的情况下实现了对气体敏感层的附加保护。通过这种方式，气体敏感层的敏感结构不会通过等离子体喷射方法而受到损坏。通过等离子体喷射方法也可能有针对性地构建包覆物。这样，例如也可以实现例如在包覆物的孔隙度中的梯度。

气氛等离子体喷射方法的优点尤其是通常不需要最终的热处理。此外，该应用可以在适当的温度情况下、即在20至300℃的范围中进行。此外，也可以让包覆物的热膨胀系数匹配，例如通过用于包覆物的陶瓷的孔隙度或者混合关系，并且可以避免热导致的机械应力。

使用气氛等离子体喷射方法具有另外的优点是，其中施加包覆物的涂层室无需被排空。这能够实现更快的通过量并且由此降低成本。

替代通过等离子体喷射方法施加包覆物，任意其他的对于本领域计数人员而言已知的施加方法也是可能的。这样，包覆物尤其是可以在使用包覆物的、不必在高温下烧结的材料情况下，或者在温度稳定的半导体器件情况下，例如也通过分配方法(Dispensen)或者移印(Tampondruck)来施加。

带有气体敏感层的半导体器件例如是化学敏感的场效应晶体管。在化学敏感的场效应晶体管情况下，气体敏感层通常是栅电极。在气体敏感层上例如进行要检测的气体的化学反应，由此改变气体敏感层的特性，例如导电性。为此，气体敏感层例如由多孔半导体材料制成，其包含对于要检测的气体的催化活性涂层。

根据本发明的传感器元件例如可以用于确定氮氧化物、氨和/或碳氢化合物在内燃发动机的排气系统中的含量，尤其是在机动车的内燃发动机的排气系统中的含量。为了确定氮氧化物、氨和/或碳氢化合物的含量，例如针对气体敏感层使用不同的催化活性物质，使得气体敏感层分别选择性地对于这些气体之一进行反应。

通过半导体器件的包覆物，保护半导体器件例如免受废气中包含的颗粒、例如炭黑颗粒，这些颗粒可能是磨蚀性的。通过包覆物也实现了对于半导体器件的温度保护。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进一步阐述。

其中：

图1示出了根据本发明构建的第一实施形式的传感器元件的示意性截面图，

图2示出了根据图1的传感器元件的俯视图，

图3示出了第二实施形式中的根据本发明的传感器元件的示意图，

图4示出了根据图3的传感器元件的俯视图。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明构建的第一实施形式的传感器元件的截面图。

传感器元件1包括承载体3，半导体器件5施加到该承载体上。

承载体3例如可以包括半导体材料，例如半导体芯片，并且此外例如可以包括馈电线、接触垫等等。可替选地，承载体3也可以例如是带有相应地施加于其上的印制导线的电路板。当承载体3是电路板时，任意对于本领域技术人员已知的、通常由其制成电路板的材料适于作为承载体材料。

半导体器件5用倒装芯片方法固定在承载体3上。在倒装芯片方法中，半导体器件以其有源侧朝向承载体3安装。在此，半导体器件5的固定例如借助承载体3上的接触点7、所谓的接触凸块来进行。半导体器件5具有气体敏感层，借助该层例如可以检测环境中存在确定气体。合适的半导体器件5例如是气体敏感的场效应晶体管。

通常，半导体器件5的气体敏感层构建为使得其分别仅仅针对一种确定的气体敏感反应。为了例如检测在环境中包含的不同的气体，需要多个半导体器件5。半导体器件5在此例如作为阵列设置在承载体3上。然而，可替选地也可能的是，对于每种要检测的组分设置独立的传感器元件1，其中分别将一个半导体器件5定位在承载体3上。

通过借助倒装芯片方法将半导体器件5固定在承载体3上，半导体器件5的气体敏感层朝向承载体3。为了要检测的气体可以到达半导体器件5的气体敏感层，因此需要设置用于输送气体的装置。在图1中所示的实施形式中，用于输送气体的装置包括多孔层9，其容纳在承载体3和半导体器件5之间。多孔层9在此对于要研究的气体是可穿透的。多孔层9的厚度一方面例如可以通过合适的施加方法来设置。然而，另一方面也可能的是，多孔层9的厚度通过半导体器件5与承载体3的距离来设置。该距离例如由接触点7的高度得到。

多孔层9的施加可以通过任何合适的、对于本领域技术人员熟知的方法来进行。优选的是，在施加半导体器件之前，多孔层9通过丝网印刷方法来施加。层的孔隙度于是例如可以通过孔形成器来设置。在通过丝网印刷施加多孔层9之后，通常将多孔层9烧结。优选的是，使用陶瓷，例如氧化铝、氧化锆、堇青石或者其混合物来作为多孔层9的材料。

根据本发明，半导体器件5被包覆物11包围。包覆物11可以多孔或者气密地实施。当包覆物11气密地实施时，多孔层9并未完全被包覆物11包围，而是多孔层9的一部分在包覆物11和承载体3之间从包覆物11伸出。由包覆物11伸出的多孔层9的区域用参考标记13表示。通过多孔层9的从包覆物11伸出的区域13，气体侵入多孔层9中，并且被引导至半导体器件5的气体敏感层。

当包覆物11多孔地实施，使得要研究的气体可以通过包覆物11扩散时，多孔层9不需要具有从包覆物11伸出的区域13。在这种情况下例如也可以省去多孔层9。在这种情况中，在半导体器件5和承载体3之间构建距离。该距离在此通过接触点7的高度预先给定。

然而在多孔包覆物11的情况下也可能的是，多孔层9的一个区域13从包覆物11伸出。

通过包覆物11以机械方式保护了半导体器件5。这样，例如进行针对磨蚀性颗粒的保护，在输送给传感器元件1的气体中会包含这种颗粒。另一方面，包覆物11也提供了对于热冲击负荷的保护，其中该热冲击负荷由于在气流中包含的小水滴遇到加热的半导体器件5而出现。

包覆物11优选通过等离子体喷射方法来施加。通过等离子体喷射方法，可以调节包覆物11的有针对性的层厚度。此外，也可以有针对性地设置包覆物11的孔隙度。这样，例如可能的是，包覆物11多孔地或者气密地被实施。

包覆物11的材料优选是氧化铝、氧化锆、堇青石、玻璃或者其混合物。

当包覆物11多孔地实施并且设置多孔层9时，这包覆物11和多孔层9可以由相同材料或者不同材料制造。然而优选的是，包覆物11和多孔层9由相同材料制成。除了所选择的材料，此外也可能的是，包覆物11和多孔层9的孔隙度不同。这样例如可能的是，多孔层9比包覆物11更强地多孔。可替选地也可能的是，包覆物11具有比多孔层9更大的孔隙度。除了包覆物11和多孔层9的不同孔隙度之外，也可能的是，包覆物11和多孔层9具有相同的孔隙度。

由于用倒装芯片方法来安装半导体器件5，所以在施加包覆物11的情况下保护了半导体器件5的气体敏感层，因为包覆物11的材料不会到达气体敏感层。由此，防止了气体敏感的场效应晶体管的可能敏感的栅极结构受到损坏。

在图2中示出了根据图1的传感器元件的俯视图。

如从根据图2的视图中可以得到的那样，多孔层9在所有侧面伸出半导体器件5。多孔层9在此用作半导体器件5的下侧的保护装置。通过多孔层9大于半导体器件5，半导体器件5的下侧的区域并不暴露。

在这里所示的实施形式中，多孔层9一侧在包覆物11之下伸出。然而，多孔层9的从包覆物11伸出的区域13也可以在所有侧上在包覆物11之下伸出。在该情况中，包覆物11完全位于多孔层9上。

在一个可替选的实施形式中的传感器元件1在图3中示出。在图3中示出的实施形式与图1和2中所示的实施形式的区别在于，多孔层9完全被包覆物11包围。为了保证至半导体器件5的气体进入，在承载体3中构建有穿通开口15。穿通开口15可以如图3中所示地在半导体器件5之下从承载体3的上侧17延伸至承载体3的下侧19，其中半导体器件5安装在该承载体3上。

可替选地也可能的是，替代穿通开口15在承载体3中构建通道，该通道沿着上侧17延伸并且伸出包覆物11。当在承载体3中构建穿通开口15或者通道时，可以省去多孔层9，其中要研究的气体可以通过穿通开口或者通道被引导至半导体器件5的气体敏感层。在该情况中，在承载体3和半导体器件5之间构建间距。在承载体3中的通道或者穿通开口15的情况下也可能的是，半导体器件5直接设置到承载体3上，而在半导体器件5和承载体3之间并不设置间距。

在承载体3中的通道或者穿通开口15的情况下，包覆物11也可以不透气地实施。至半导体器件5的气体敏感层的气体进入通过在承载体3中的通道或者穿通开口15来保证。

为了避免例如会包含在气体中并且可能导致半导体器件5的气体敏感层的机械损坏的颗粒能够到达气体敏感层，优选的是，穿通开口15或者通道（当其设置在承载体3中时）用多孔材料填充，该多孔材料透气，然而防止颗粒通过。

当在承载体3中构建通道或者穿通开口15时，要注意的是，没有湿气可以侵入其中，因为湿气会导致损坏半导体器件5。

在图4中示出了根据图3的传感器元件的俯视图。在这里所示的实施形式中可以看到的是，穿通开口15以长孔形式构建。通过这种形式，半导体器件5的气体敏感层的尽可能大的区域朝向气体开放。除了如在图4中所示的作为长孔的实施，穿通开口15也可以具有任意其他形状。也可能的是，替代仅仅一个穿通开口15设置多个穿通开口。它们例如可以实施为钻孔。穿通开口15的任意其他横截面也是可能的。

除了气体不可透过的包覆物11，可替选地也可能的是，施加多孔并且由此透气的包覆物11。在这种多孔的包覆物11的情况下可以省去如其在图1和2中所示的从包覆物11伸出的多孔层9的区域13。当承载体3和半导体器件5彼此间隔时，也不需要在承载体3中设置穿通开口15。这例如可以通过多孔层9来保证。在多孔包覆物11的情况下也可能的是，例如省去多孔层9。在半导体器件5和承载体3之间所需的间隔于是通过接触点7的高度来设置，其中需要该间隔来使得气体可以传输至气体敏感层。在多孔包覆物11的情况下也可能的是，半导体器件5直接设置到承载体3上而没有间隔。在该情况中，在承载体3中构建通道，该通道在半导体器件5之下伸出，使得要研究的气体通过多孔包覆物和通道输送给半导体器件5的气体敏感层。

Claims (13)

1. 一种传感器元件，包括带有气体敏感层的至少一个半导体器件（5），该半导体器件按照倒装芯片方法固定在承载体（3）上，其中气体敏感层朝向承载体（3）的方向并且包括用于将要研究的气体输送给气体敏感层的装置，其特征在于，所述半导体器件（5）被包覆物（11）包围。

2. 根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述装置包括多孔层（9）用于输送气体，该多孔层设置在半导体器件（5）和承载体（3）之间，其中多孔层（9）的区域（13）并未被包覆物（11）覆盖。

3. 根据权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，多孔层（9）包含至少一种开孔多孔陶瓷。

4. 根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，为了输送气体在承载体（3）中构建通道，该通道一方面通到半导体器件（5）的气体敏感层中，并且另一方面通到包覆物（11）之外的位置。

5. 根据权利要求4所述的传感器元件，其特征在于，所述通道构建为承载体（3）中的穿通开口（15）。

6. 根据权利要求2至5之一所述的传感器元件，其特征在于，包覆物（11）气密地被实施。

7. 根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，包覆物（11）多孔地被实施并且半导体器件（5）和承载体（3）彼此间隔，使得要研究的气体通过多孔的包覆物（11）以及在半导体器件（5）和承载体（3）之间的距离被输送给气体敏感层。

8. 根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，包覆物（11）多孔地被实施，并且在半导体器件（5）之下在承载体（3）中构建有通道，使得要研究的气体通过多孔的包覆物（11）以及通过通道被输送给气体敏感层。

9. 根据权利要求1至8之一所述的传感器元件，其特征在于，包覆物（11）包含由氧化铝、氧化锆、堇青石和玻璃构成的组中的至少一种材料。

10. 根据权利要求1至9之一所述的传感器元件，其特征在于，带有气体敏感层的半导体器件（5）是化学敏感的场效应晶体管。

11. 一种用于制造根据权利要求1至9之一所述的传感器元件（1）的方法，包括以下步骤：

(a)将带有气体敏感层的半导体器件（5）通过倒装芯片方法固定在承载体（3）上，使得气体敏感层朝着承载体（3）的方向，并且要研究的气体可以被输送给气体敏感层，

(b)在固定半导体器件（5）之后施加包覆物（11）。

12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包覆物（11）通过等离子体喷射方法、尤其是通过气氛等离子体喷射方法来施加。

13. 将根据权利要求1至9之一所述的传感器元件（1）应用于确定氮氧化物、氨和/或碳氢化合物在内燃发动机的排气系统中的含量，尤其是在机动车的内燃发动机的排气系统中的含量。

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