CN102853926A - 一种mems温度传感器的封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS温度传感器的封装结构及其制造方法。其封装结构包括：MEMS衬底、MEMS温度传感器、薄膜封帽、密封键合材料、热传导通道，所述MEMS衬底上承载有MEMS温度传感器，薄膜封帽覆盖在MEMS衬底上，薄膜封帽与MEMS衬底之间形成容纳MEMS温度传感器的腔体，所述薄膜封帽的边缘与MEMS衬底之间通过密封键合材料密封，薄膜封帽与MEMS温度传感器之间通过热传导通道连接。该MEMS温度传感器能够最大程度缩短MEMS温度传感器与外界环境间的传热路径，缩短传感器的响应时间；另外，新结构的制作没有增加实施步骤，采用了兼容的工艺对热传导通道进行制作，密闭腔室与热传导通道在一步键合工艺中同时形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS温度传感器的封装结构及其制造方法，属于半导体技术领域。
背景技术
温度传感器是用来测量物体或者环境温度的传感器电子元件，被广泛应用与物联网的各个终端，近些年来，随着MEMS技术的迅速发展，不同于传统的温敏电阻式温度传感器，一些由MEMS可动结构制作的温度传感器正在走出实验室，进入市场。MEMS温度传感器的基本原理为：环境温度的变化使得不同热涨系数的材料产生了程度不同的形变，改性别能够改变其材料内部的电阻率或者改变微平板电容的电容值，从而产生了电学信号的变化。
就目前的研究和应用情况来看，基于MEMS结构的温度传感器大多为开放形式，该形式能够精确地将环境温度传递到MEMS结构的敏感区域，从而准确的测量出温度信号。2007年，东南大学黄庆安教授的科研小组提出了一种使用薄膜工艺和体硅工艺制作的三材料悬臂梁温度传感器；2008年，中国计量学院设计制作了一种能够测量加热电阻丝温度或外接环境温度的温度传感器，该MEMS传感由两块面对面键合的衬底组成，与东南大学的方案一样，为开放式无封装的结构；2010年，D. Marioli等人设计了一种无封装的插指型MEMS电容式温度传感器，被应用于无源无线温度测试的场合。然而，在某些应用领域，如充满化学杂质污染的环境中，开放的传感器器件容易受到杂质影响而导致性能下降或器件损伤，于是需要对温度传感器进行封装。2003年，D. Sparks等人提出了一种MEMS器件真空封装的方法，并且在密封腔体中内置了温度传感器，然而该温度传感器只能通过衬底的热传导来探测外界温度，响应时间长，不利于高频率的实时监测；类似的，Z. Xue等人于2005年为了测量MEMS微通道内的温度，对比了外置型温度传感器和内置型温度传感器的性能，研究结果发现，由于封装衬底较厚，热传导通道较长，外置型温度传感器的响应时间要明显长于内置型温度传感器；从上述研究情况可知，传热路径的长度决定了有封装的温度传感器的响应时间，如何缩短传热路径是缩短温度传感器响应时间的一种方法。2005年，密歇根大学的A. D. DeHennis等人采用了从封盖上直接制作MEMS温度传感器结构的方法对其进行封装，但该方法能够很大在程度上缩短传热路径，但是其缺点在于：制作工艺复杂且与其他传感器制作的工艺兼容性差。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的不足，提供一种结构简单、制作方便的MEMS温度传感器的封装结构及其制造方法，该封装结构的特点在于能够最大程度地缩短MEMS温度传感器与外界环境之间的热传导路径，并且不增加有的制造工艺步骤，密闭腔室与热传导通道在一步键合工艺中同时形成。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案。
一种MEMS温度传感器的封装结构，包括：MEMS衬底、MEMS温度传感器、薄膜封帽、密封键合材料、连接MEMS温度传感器与薄膜封帽的热传导通道，所述MEMS衬底上承载有MEMS温度传感器，薄膜封帽覆盖在MEMS衬底上，薄膜封帽与MEMS衬底之间形成容纳MEMS温度传感器的腔体，所述薄膜封帽的边缘与MEMS衬底之间通过密封键合材料密封，所述薄膜封帽与MEMS温度传感器之间通过热传导通道连接，热传导通道位于MEMS温度传感器的固定端上方，所述密封键合材料与MEMS衬底、薄膜封帽之间以及所述热传导通道与MEMS温度传感器、薄膜封帽之间分别设有粘附层。
所述MEMS温度传感器为双材料悬臂结构或可动插指结构。
所述粘附层由一层或多层金属组成。
所述MEMS衬底的材料为：硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化硅、氧化铝、氮化铝、碳化铝、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、碲化镉、磷化铟、锗酸铋、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化钒、硫化锌、氮化铟、镁铝尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、二硼化锆、高分子材料或金属、合金材料。
所述的薄膜封帽的材料为：硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化硅、氧化铝、氮化铝、碳化铝、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、碲化镉、磷化铟、锗酸铋、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化钒、硫化锌、氮化铟、镁铝尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、二硼化锆、高分子材料或金属、合金材料，厚度为2微米至100微米。
所述的密封键合材料和热传导通道的导热材料为合金焊料、金属、玻璃浆或高分子材料，他们具有相同的厚度，厚度为100纳米至5微米。
一种MEMS温度传感器的封装结构的制造方法，其包括如下步骤：
(1) 提供承载MEMS温度传感器的MEMS衬底，在MEMS衬底上的环状键合区域中依次沉积粘附层材料和第一密封键合材料，在MEMS温度传感器固定端区域中依次沉积粘附层材料和第一块状导热材料；
(2) 提供封帽衬底，使用图形化工艺和腐蚀的方法，在封帽衬底中制作用以容纳MEMS温度传感器的腔体；
(3) 在封帽衬底的腔体一侧使用热生长、注入或薄膜沉积的方法制作一层厚度均匀且致密的薄膜封帽；
(4) 在所述薄膜封帽表面，根据步骤1中第一密封键合材料和第一块状导热材料的图形，沉积材料相同且的图形对应的粘附层、键合材料和导热材料，形成薄膜封帽上的第二密封键合材料和第二块状导热材料；
(5) 将步骤1得到的MEMS衬底与步骤4得到的封帽衬底对准并在真空环境中施加一定的温度和压力进行键合；所述第一密封键合材料和第二密封键合材料形成一体的密封键合材料，所述第一块状导热材料和第二块状导热材料形成一体的连接MEMS温度传感器与薄膜封帽的热传导通道；
(6) 使用选择性腐蚀的方法去除封帽衬底中的体材料，仅保留薄膜封帽，形成最终的封装结构。
上述方法中，步骤1和步骤4中所述的密封键合材料和导热材料的沉积，可以只选择在步骤1或步骤4中进行；但都需要保留粘附层沉积的操作。
步骤5中所述的键合过程将密封材料与导热材料同时键合，在一个步骤中形成密封的腔体以及MEMS温度传感器与薄膜封帽连接的热传导通道。
与现有技术相比，本发明的特点是：
1. 本发明提出的一种MEMS温度传感器的封装结构，引入了传感器保护壳体，能够使MEMS温度传感器在多种环境中正常工作。
2. 本发明的MEMS结构通过热传导通道的导热材料与封装壳体直接连接，最大程度地缩短了外界环境与MEMS结构间的热传导通道，缩短了传感器的响应时间。
3. 本发明提出的一种MEMS温度传感器的封装结构的制作方法，新结构的制作没有增加实施步骤，采用了兼容的工艺对热传导通道进行制作，密闭腔室与热传导通道在一步键合工艺中同时形成。
附图说明
图1至7为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中：
图1为MEMS衬底上承载有MEMS温度传感器；
图2为在MEMS衬底上沉积键合材料并且进行图形化处理，在MEMS温度传感器上沉积导热材料并且进行图形化处理；
图3为在MEMS传感器的封帽衬底中腐蚀出容纳MEMS结构的腔体；
图4为在MEMS传感器的封帽衬底上制作薄膜封帽层；
图5为在薄膜封帽层上沉积键合材料和导热材料并且进行图形化处理；
图6为MEMS衬底与薄膜封帽衬底的键合；
图7为选择性腐蚀封帽衬底中的体材料，形成最终的封装结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述，但本发明的实施绝不局限于下述的实施例。
如图7所示，一种MEMS温度传感器的封装结构，包括：MEMS温度传感器2；承载MEMS温度传感器2的MEMS衬底1；薄膜封帽3；密封键合材料4；连接MEMS温度传感器2与薄膜封帽3的热传导通道5。所述MEMS衬底1上承载有MEMS温度传感器2，薄膜封帽3覆盖在MEMS衬底1上，薄膜封帽3与MEMS衬底1之间形成容纳MEMS温度传感器2的腔体6，所述薄膜封帽3的边缘与MEMS衬底1之间通过密封键合材料4密封，所述薄膜封帽3与MEMS温度传感器2之间通过热传导通道5连接。
本实施例的MEMS温度传感器2为双材料悬臂结构，也可为可动插指结构。所述MEMS衬底1可采用硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化硅、氧化铝、氮化铝、碳化铝、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、碲化镉、磷化铟、锗酸铋、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化钒、硫化锌、氮化铟、镁铝尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、二硼化锆，或常态下稳定的高分子材料以及金属、合金材料，比如玻璃。所述的薄膜封帽3为氧化硅，或为硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化硅、氧化铝、氮化铝、碳化铝、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、碲化镉、磷化铟、锗酸铋、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化钒、硫化锌、氮化铟、镁铝尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、二硼化锆，或常态下稳定的高分子材料以及金属、合金材料，其厚度为10微米。所述的密封键合材料4和热传导通道5的导热材料为铜-锡共晶体，也可以是其它合金焊料、金属、玻璃浆或高分子材料。二者厚度相同，为100纳米至5微米。
所述MEMS温度传感器的封装结构的制造方法包括如下步骤：
(1) 如图1所示，提供承载MEMS温度传感器2的MEMS衬底1，在MEMS衬底1和MEMS结构（MEMS温度传感器2）上，同时使用溅射的方法依次沉积20纳米钛，50纳米镍和100纳米金作为粘附层，使用电镀的方法再依次沉积3微米铜与1微米锡作为焊接层，最后使用溅射的方法沉积100纳米金作为保护层，对上面所述由粘附层、焊接层、保护层组成的材料堆进行图形化处理，形成在MEMS衬底1上的环状键合区域中的第一密封键合材料8以及在MEMS温度传感器2的固定端区域上的第一块状导热材料9，如图2所示；
(2) 如图3所示，提供封帽衬底7，使用图形化工艺和硅的各向异性腐蚀的方法，在其中制作以容纳MEMS温度传感器2的腔体6，腐蚀液为40摄氏度的百分浓度为30%的氢氧化钾溶液；
(3) 如图4所示，在上述封帽衬底7的腔体6一侧使用低压化学气相沉积的方法制作一层厚度均匀为10微米且致密的二氧化硅薄膜作为薄膜封帽3；
(4) 在上述薄膜封帽3表面，根据步骤（1）中的第一密封键合材料8和第一块状导热材料9的图形，沉积材料相同且的图形对应的粘附层、键合材料和热传导通道的导热材料，形成薄膜封帽3上的第二密封键合材料10以及第二块状导热材料11，如图5所示；
(5) 将步骤（1）中得到的MEMS衬底1与步骤（4）中得到的封帽衬底7对准，并在285摄氏度，0.1帕的真空环境中施加1兆帕的压力进行键合，MEMS衬底1和薄膜封帽3上的第一密封键合材料8和第二密封键合材料10形成一体的密封键合材料4，MEMS温度传感器2和薄膜封帽3上的第一块状导热材料9和第二块状导热材料11形成一体的连接MEMS温度传感器与薄膜封帽的热传导通道5，如图6所示；
(6) 使用EDP腐蚀液，选择性去除封帽衬底7的体硅材料，仅保留薄膜封帽3，形成最终的封装结构，如图7所示。
在上述制造方法中，步骤（1）和（4）所述的密封键合材料和导热材料的沉积可以在这两个步骤中均进行实施，也可以选取仅在其中一步进行实施，但都需要保留粘附层沉积的步骤。
在上述制造方法中，步骤（5）所述的键合过程，使用键合材料将MEMS衬底1与薄膜封帽3连为一体且形成密封的腔体6，这一步骤同时将MEMS温度传感器2与薄膜封帽3相连且步骤（1）和（4）中所制作的块状导热材料形成热传导通道5。
Claims (9)
1.一种MEMS温度传感器的封装结构，其特征是，包括：MEMS衬底（1）、MEMS温度传感器（2）、薄膜封帽（3）、密封键合材料（4）、连接MEMS温度传感器（2）与薄膜封帽（3）的热传导通道（5），所述MEMS衬底（1）上承载有MEMS温度传感器（2），薄膜封帽（3）覆盖在MEMS衬底（1）上，薄膜封帽（3）与MEMS衬底（1）之间形成容纳MEMS温度传感器（2）的腔体（6），所述薄膜封帽（3）的边缘与MEMS衬底（1）之间通过密封键合材料（4）密封，所述薄膜封帽（3）与MEMS温度传感器（2）之间通过热传导通道（5）连接，热传导通道（5）位于MEMS温度传感器（2）的固定端上方，所述密封键合材料（4）与MEMS衬底（1）、薄膜封帽（3）之间以及所述热传导通道（5）与MEMS温度传感器（2）、薄膜封帽（3）之间分别设有粘附层。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS温度传感器的封装结构，其特征是，所述MEMS温度传感器（2）为双材料悬臂结构或可动插指结构。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS温度传感器的封装结构，其特征是，所述粘附层由一层或多层金属组成。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS温度传感器的封装结构，其特征是，所述MEMS衬底（1）的材料为：硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化硅、氧化铝、氮化铝、碳化铝、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、碲化镉、磷化铟、锗酸铋、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化钒、硫化锌、氮化铟、镁铝尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、二硼化锆、高分子材料或金属、合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS温度传感器的封装结构，其特征是，所述的薄膜封帽（3）的材料为：硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化硅、氧化铝、氮化铝、碳化铝、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、碲化镉、磷化铟、锗酸铋、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化钒、硫化锌、氮化铟、镁铝尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、二硼化锆、高分子材料或金属、合金材料，厚度为2微米至100微米。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS温度传感器的封装结构，其特征是，所述的密封键合材料（4）和热传导通道（5）的导热材料为合金焊料、金属、玻璃浆或高分子材料，他们具有相同的厚度，厚度为100纳米至5微米。
7.一种MEMS温度传感器的封装结构的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
提供承载MEMS温度传感器（2）的MEMS衬底（1），在MEMS衬底（1）上的环状键合区域中依次沉积粘附层材料和第一密封键合材料（8），在MEMS温度传感器（2）固定端区域中依次沉积粘附层材料和第一块状导热材料（9）；
提供封帽衬底（7），使用图形化工艺和腐蚀的方法，在封帽衬底（7）中制作用以容纳MEMS温度传感器（2）的腔体（6）；
在封帽衬底（7）的腔体（6）一侧使用热生长、注入或薄膜沉积的方法制作一层厚度均匀且致密的薄膜封帽（3）；
在所述薄膜封帽（3）表面，根据步骤1中第一密封键合材料（8）和第一块状导热材料（9）的图形，沉积材料相同且的图形对应的粘附层、键合材料和导热材料，形成薄膜封帽（3）上的第二密封键合材料（10）和第二块状导热材料（11）；
将步骤1得到的MEMS衬底（1）与步骤4得到的封帽衬底（7）对准并在真空环境中施加一定的温度和压力进行键合；所述第一密封键合材料（8）和第二密封键合材料（10）形成一体的密封键合材料（4），所述第一块状导热材料（9）和第二块状导热材料（11）形成一体的连接MEMS温度传感器（2）与薄膜封帽（3）的热传导通道（5）；
使用选择性腐蚀的方法去除封帽衬底（7）中的体材料，仅保留薄膜封帽（3），形成最终的封装结构。
8.根据权利要求6所述的MEMS温度传感器的封装结构的制造方法，其特征是，步骤1和步骤4中所述的密封键合材料和导热材料的沉积，只选择在步骤1或步骤4中进行；但都需要保留粘附层沉积的操作。
9.根据权利要求6所述的一种MEMS温度传感器的封装结构的制造方法，其特征是，步骤5中所述的键合过程将密封材料与导热材料同时键合，在一个步骤中形成密封的腔体（6）以及MEMS温度传感器（2）与薄膜封帽（3）连接的热传导通道（5）。
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