CN106018484A - 半导体气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种半导体气体传感器芯片、传感器及其制备方法，其中，半导体气体传感器芯片包括：基底，包括相对设置的第一基底表面和第二基底表面；设置于第一基底表面上的加热层和功能层及设置于第二基底表面上的绝热层；绝缘介质层，设置于功能层和加热层之间；加热层较功能层靠近第一基底表面，加热层包括相互电性连接的加热电阻和加热电极，功能层包括相互电性连接的信号感测电极和气体敏感层。与现有技术相比，本发明提供的半导体气体传感器芯片，通过绝热层固定于基座上形成半导体气体传感器，与传统半导体气体传感器制备工艺相比，具有更小的封装尺寸和更低的功耗；与MEMS气体传感器制备工艺相比，制备工艺更简单。

Description

半导体气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件制造技术领域，尤其涉及一种半导体气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法。

背景技术

随着工业的快速发展，环境的污染问题也越来越严重，例如，汽车尾气中的CO、NOx、SOx等有害气体，室内装修中存在的甲醛、甲苯等，煤矿中泄漏的甲烷气体，化工生产中产生的易燃、易爆、毒害性气体等，这些有毒气体对人们的身体健康造成了严重的威胁。为了确保人身安全和防患于未然，人们研制了各种检测方法和检测仪器，其中，气体传感器在家居生活、排放监测、航空、医疗、卫生等领域发挥着重大的作用。

目前气体传感器种类繁多，应用范围广泛，大致可分为半导体式、电化学式、接触燃烧式、固体电解质式和红外线式等。其中，半导体传感器因为检测灵敏度高、响应恢复时间短、元件尺寸微小、寿命长、价格低廉而越来越受到人们的重视。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，半导体气体传感器更是向着集成化、智能化方向发展。

现有的半导体气体传感器通常由基底、加热电极、信号感测电极和气体敏感材料组成。由于半导体气体传感器在一定高温下才能工作，因此最大程度的减少热量的传导才能保证传感器具有较低的功耗。

传统的半导体气体传感器通过在加热电极和信号感测电极粘结铂丝，并将铂丝焊接在金属支架上使传感器处于悬空状态，由于空气的热导率比较低（室温下为0.026 W/(m·K)），使传感器悬空可以达到降低传感器功耗的目的。但这种传感器封装体积比较大，管座直径大于10mm，管帽的高度也大于10mm，在PCB电路板中占用的空间比较大，不利于电子器件的微型化，同时，铂丝的使用也增加了传感器的成本。而且，空气热导率会随着温度的上升而逐步上升（200℃时热导率为0.037W/(m·K)），不利于功耗的进一步降低。

再者，目前基于MEMS技术制备的气体传感器，通过微纳加工在硅片上制备二氧化硅悬膜，并在悬膜上制备加热电极和信号感测电极，这种工艺也是通过将二氧化硅悬膜悬空起来，达到降低功耗的目的。虽然基于MEMS技术制备的气体传感器体积微小，但要经过复杂的半导体制备工艺，不利于成本的降低和环境的保护。而且，空气热导率会随着温度的上升而逐步上升（200℃时热导率为0.037 W/m·℃），不利于功耗的进一步降低。

综上，现有技术中的半导体气体传感器主要存在以下问题：

(1)传统半导体气体传感器封装尺寸较大，不利于微型化；

(2)基于MEMS技术的半导体气体传感器工艺复杂；

(3)采用悬膜方式，不利于传感器功耗的进一步降低。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种半导体气体传感器芯片，该芯片采用绝热性能较佳的材料作为基底，从而使得半导体气体传感器的功耗降低。

本发明的目的还在于提供一种半导体气体传感器；

本发明的目的还在于提供一种半导体气体传感器的制备方法。

为解决上述发明目的，本发明提供一种半导体气体传感器芯片，其包括：

基底，包括相对设置的第一基底表面和第二基底表面；

设置于所述第一基底表面上的加热层和功能层及设置于所述第二基底表面上的绝热层；

绝缘介质层，设置于所述功能层和所述加热层之间；

其中，所述加热层较所述功能层靠近所述第一基底表面，所述加热层包括相互电性连接的加热电阻和加热电极，所述功能层包括相互电性连接的信号感测电极和气体敏感层。

作为本发明的进一步改进，所述绝热层采用纳米微孔绝热材料，所述纳米微孔绝热材料包括二氧化硅气凝胶纳米颗粒、硅酸盐纳米微孔材料及增强纤维。

作为本发明的进一步改进，所述绝热层通过高温粘结剂与所述第二基底表面粘接。

作为本发明的进一步改进，所述基底选自双面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氮化硅陶瓷片、碳化硅陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的任意一种，所述基底的厚度为10um~500um。

作为本发明的进一步改进，所述加热电极和信号感测电极的厚度均为0.1um~100um，所述加热电极或者信号感测电极选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W、Ag/Pd、Pt/Au中的任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述加热电阻的厚度为0.1um~200um；所述加热电阻的几何形状为蛇形曲线、锯齿曲线、方波曲线、正方形或者长方形中的一种或多种的组合；所述加热电阻由金属薄膜或合金薄膜或金属氧化物薄膜制得，所述金属薄膜选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W中的任意一种，所述合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的任意一种，所述金属氧化物薄膜选自RuO₂或SnO₂:Sb₂O₃中的任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述气体敏感层组成材料选自N型金属氧化物半导体材料或P型金属氧化物半导体材料或P、N双性金属氧化物半导体材料。

为实现上述另一发明目的，本发明提供一种半导体气体传感器，其包括：

基座，包括相对设置的第一基座表面和第二基座表面，所述第一基座表面设有至少一个第一电连接件，所述第二基座表面设有至少一个与所述第一电连接件电性导通的第二电连接件；

权利要求1-7任一项所述的半导体气体传感器芯片，所述半导体气体传感器芯片与所述基座电性连接；

引线，将所述半导体气体传感器芯片的加热电极和信号感测电极分别与所述第一电连接件电性连接；

防尘罩，设于所述第一基座表面上，并覆盖所述半导体气体传感器芯片。

作为本发明的进一步改进，所述防尘罩具有若干通孔，所述防尘罩的材质为金属或塑料或陶瓷。

作为本发明的进一步改进，所述第一基座表面具有一开口，所述半导体气体传感器芯片的至少部分绝热层位于所述开口中。

为实现上述又一发明目的，本发明提供一种半导体气体传感器的制备方法，所述制备方法包括：

提供一表面带有开口的基座；

在基座的开口内填充纳米微孔绝热材料，以在基座内形成绝热层；

提供半导体气体传感器芯片，所述半导体气体传感器芯片包括：

基底，包括相对设置的第一基底表面和第二基底表面；

设置于所述第一基底表面上的加热层和功能层；

绝缘介质层，设置于所述功能层和所述加热层之间；

其中，所述加热层较所述功能层靠近所述第一基底表面，所述加热层包括相互电性连接的加热电阻和加热电极，所述功能层包括相互电性连接的信号感测电极和气体敏感层；

将半导体气体传感器芯片的第二基底表面与绝热层粘接；

提供引线，将半导体气体传感器芯片和基座电性连接；

提供一防尘罩，覆盖在半导体气体传感器芯片上。

作为本发明的进一步改进，所述“在开口内填充纳米微孔绝热材料，在基座内形成绝热层”步骤具体为：

将二氧化硅气凝胶纳米颗粒、硅酸盐纳米微孔材料、增强纤维混合并通过浆料填充烧结法或制成型烧结法或绝热板切割填充法三种方法的任意一种在基座内形成绝热层。

作为本发明的进一步改进，所述“提供引线，将半导体气体传感器芯片和基座实现电性连接”步骤具体为：

通过热压键合或热超声键合工艺用金丝电性连接半导体气体传感器芯片和基座。

与现有技术相比，本发明提供的半导体气体传感器芯片，通过绝热层固定于基座上形成半导体气体传感器，与传统半导体气体传感器制备工艺相比，具有更小的封装尺寸和更低的功耗；与MEMS气体传感器制备工艺相比，制备工艺更简单。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中半导体气体传感器的结构示意图；

图2是本发明一具体实施方式中基底上覆盖加热电极的结构示意图；

图3是本发明一具体实施方式中基底上覆盖加热电极和加热电阻的结构示意图；

图4是本发明一具体实施方式中基底上覆盖加热层和绝缘介质层的结构示意图；

图5是本发明一具体实施方式中基底上覆盖加热层、绝缘介质层及信号感测电极的结构示意图；

图6是本发明一具体实施方式中基底上覆盖加热层、绝缘介质层及功能层的结构示意图；

图7是本发明一具体实施方式中制备半导体气体传感器的方法步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

参图1所示，介绍本发明半导体气体传感器的一具体实施方式，半导体气体传感器10包括：基座11和半导体气体传感器芯片及将基座11和半导体气体传感器芯片电性连接的引线（图未示）。

基座11，其包括相对设置的第一基座表面111和第二基座表面113，在第一基座表面111上设有一开口112，用来收容半导体气体传感器芯片。优选地，基座11的材质为陶瓷。在第一基座表面111上还设有至少一个第一电连接件114，在第二基座表面112上设有至少一个第二电连接件115，第一电连接件114和第二电连接件115电性导通，第二电连接件115用于与外部PCB电路板（图未示）进行焊接实现电性连接。

半导体气体传感器芯片包括基底122、绝热层121、加热层123、绝缘介质层124及功能层125。具体地，该基底122具有相对设置的第一基底表面1221和第二基底表面1222，加热层123、绝缘介质层124及功能层124设置于第一基底表面1221上，绝缘介质层124设置于功能层125和加热层123之间，加热层123较功能层125靠近第一基底表面1221。绝热层121则设置于第二基底表面上1222。绝热层121是通过高温粘结剂与第二基底表面1222进行粘接的。当绝热层121与第二基底表面1222粘接后，至少部分绝热层121位于基座11的开口112中。

进一步地，基底122选自双面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氮化硅陶瓷片、碳化硅陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的任意一种，基底122的厚度为10um~500um。

进一步地，半导体气体传感器芯片的加热层123包括相互电性连接的加热电阻1231和加热电极1232，功能层125包括相互电性连接的信号感测电极1251和气体敏感层1252。

加热电极1232和信号感测电极1251的厚度均为0.1um~100 um，所述加热电极或者信号感测电极选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W、Ag/Pd、Pt/Au中的任意一种。

在两个加热电极1232的上方形成加热电阻1231，加热电阻1231的厚度为0.1um~200um；加热电阻1231的几何形状为蛇形曲线、锯齿曲线、方波曲线、正方形或者长方形中的一种或多种的组合。加热电阻的形状根据加热层的不同形状做适当调整，但无论为何种形状，加热电极与加热电阻均电性连接，加热电阻根据需要设置成特定的形状，加热后为半导体气体传感器的工作提供特定的温度。如在本实施方式中设置为长方形，在其他实施方式中也可以设置为正方形、蛇形曲线、锯齿曲线或者方波曲线等，通过改变加热电阻几何形状的长度、宽度以得到合理的电阻值。加热电阻1231由金属薄膜或合金薄膜或金属氧化物薄膜制得，金属薄膜选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W中的任意一种，合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的任意一种，金属氧化物薄膜选自RuO₂或SnO₂:Sb₂O₃中的任意一种。

气体敏感层1252的组成材料选自N型金属氧化物半导体材料或P型金属氧化物半导体材料或P、N双性金属氧化物半导体材料。所述N型金属氧化物半导体包括MgO、CaO、TiO₂、ZrO₂、V₂O₅、Nb₂O₅、Ta₂O₅、MoO₃、WO₃、ZnO、Al₂O₃、Ga₂O₃、In₂O₃、SnO₂；所述P型金属氧化物半导体包括Y₂O₃、La₂O₃、CeO₂、Mn₂O₃、Co₃O₄、NiO、PdO、Ag₂O、Bi₂O₃、Sb₂O₃、TeO₂；所述P、N双性金属氧化物半导体包括HfO₂、Cr₂O₃、Fe₂O₃、CuO。

引线（图未示），用于将半导体气体传感器芯片的加热电极1232和信号感测电极1251分别与基座11的第一电连接件114电性连接。具体地，加热电极1232包括第一加热电极和第二加热电极，信号感测电极1251包括第一信号感测电极和第二信号感测电极，基座11的第一电连接件114的数量为四个，通过引线将第一加热电极、第二加热电极、第一信号感测电极和第二信号感测电极分别与一个第一电连接件114形成电性连接。

防尘罩（图未示），设于第一基座表面111上，并覆盖半导体气体传感器芯片，优选地，防尘罩具有若干通孔，这些通孔的孔径很微小，能够实现气体自由扩撒到半导体气体传感器芯片表面，同时具有防尘和芯片保护作用。防尘罩的材质为金属或塑料或陶瓷。

优选地，绝热层采用纳米微孔绝热材料，纳米微孔绝热材料包括二氧化硅气凝胶纳米颗粒、硅酸盐纳米微孔材料及增强纤维。增强纤维的作用是提供二氧化硅气凝胶纳米颗粒和硅酸盐纳米微孔材料的支架，二氧化硅气凝胶气凝胶纳米颗粒和硅酸盐纳米微孔材料的作用是绝热保温。在比例上，以二氧化硅气凝胶纳米颗粒和硅酸盐纳米微孔材料为主，增强纤维为辅，加入少量的其他粘结剂进行粘结。纳米微孔绝热材料因具有纳米多孔网络结构，孔隙率高达80-99.8%，室温下的热导率可抵达0.013W/(m·K)，是迄今为止绝热性能最好的材料。热流在其内部传递时只能沿着气孔壁传递，而近于无穷多的气孔壁构成了近于无穷长路径效应，使得固体热传导的能力下降到接近最低极限；而纳米微孔绝热材料中气孔直径非常小，气孔内的空气分子失去了自由流动的能力，使得纳米微孔绝热材料处于近似真空状态，产生零对流效应，使对流传热降低最低；又由于材料内部气孔壁趋于无穷多，每一个气孔壁都具有遮热板作用，产生无穷多遮热板效应，使辐射传热降到最低。

结合图7所示，介绍本发明制备半导体气体传感器方法的一具体实施方式，在本实施方式中，该方法包括以下步骤：

S1、提供一表面带有开口的基座。基座11包括相对设置的第一基座表面111和第二基座表面113，开口112设置在第一基座表面111。优选地，开口112的截面可为正方形、长方形、圆形等。基座11由陶瓷封装工艺制备而成，包括生胚片的制作、冲片与导孔成型、厚膜导线成型、叠压、烧结、表面电镀、引脚接合与测试。基座11的外尺寸长宽高在2mm×2mm×2mm~7mm×7mm×7mm范围内，基座11开口112的内腔的长宽高在1.5mm×1.5mm×1.5mm~6.5mm×6.5mm×6.5mm之间。基座11的第二基座表面113有至少一个第二电连接件115，适用于PCB电路板贴片工艺，优选地，第二电连接件115的数量为四个，四个第二电连接件115均匀分布在第二基座表面113上。第一基座表面111上设有至少一个第一电连接件114，优选地，第一电连接件114的数量为四个，四个第一电连接件114与四个第二电连接件115一一对应，均匀分布在第一基座表面111上，四个第一电连接件114与四个第二电连接件115分别形成电连接。

S2、在开口内填充纳米微孔绝热材料，在基座内形成绝热层。绝热层121是降低传感器热功耗、减少热损失的关键一层，同时提供气体传感器芯片的机械支撑。绝热层121的制备方法分为浆料填充烧结法、压制成型烧结法和绝热板切割填充法。这里需要说明的是，绝热层121的填充厚度可以大于开口112的深度，也可以等于开口112的深度，更可以小于开口112的深度，即开口112内的绝热层121可凸出于开口112、也可与开口112平齐，更可以内陷与开口112。

其中，浆料填充烧结法制备工艺为：将一定比例的二氧化硅气凝胶、硅酸盐纳米微孔材料、增强纤维混合后，加入有机粘结剂和有机溶剂并混合均匀，得到绝热保温浆料，然后通过点胶或者涂抹方法将绝热保温浆料填充到基座的开口112中，在100~800℃的温度下固化烧结1~120min，得到绝热层。

绝热板切割填充法的制备工艺为：将硅溶胶直接浸润增强纤维进行一次复合，然后经历凝胶老化、改性、干燥，得到1mm~7mm厚的绝热板，然后根据基座开口112的尺寸进行切割，并填充到开口112中。

压制成型烧结法是将二氧化硅气凝胶纳米颗粒、硅酸盐纳米微孔材料、增强纤维进行混合后，根据开口112尺寸用特定压力和模具压制成绝热体，在一定温度下固化烧结后得到的绝热体填充到开口112中；也可以将混合物直接填充到开口112中，进行压力烧结。

S3、提供半导体气体传感器芯片，所述半导体气体传感器芯片包括：

基底，包括相对设置的第一基底表面和第二基底表面；

设置于所述第一基底表面上的加热层和功能层；

绝缘介质层，设置于所述功能层和所述加热层之间；

其中，所述加热层较所述功能层靠近所述第一基底表面，所述加热层包括相互电性连接的加热电阻和加热电极，所述功能层包括相互电性连接的信号感测电极和气体敏感层。

具体地，参图2-6所示，在基底上依次印刷加热层、绝缘介质层和功能层阵列，通过切割解理成一个个小的芯片。优选地，信号感测电极、加热电极、加热电阻全部或部分通过真空蒸镀、磁控溅射、丝网印刷中的一种或多种方法制备而成。绝缘介质层通过丝网印刷厚膜介质浆料并高温烧结得到，烧结温度为500~1000℃，实现加热层和功能层的电绝缘，绝缘介质层的厚度为5um~50um。除了加热电极，绝缘介质层要完全覆盖在整个基底之上，使得后续制备的信号感测电极和加热电极之间完全电绝缘。在绝缘介质层的上表面沉积气体敏感材料，形成气体敏感层，该气体敏感层与信号感测电极电性连接，根据检测气体的不同，气体敏感层可以选择不同的气体敏感材料。

S4、将半导体气体传感器芯片的第二基底表面通过高温粘结剂与绝热层粘接。

S5、提供引线，将半导体气体传感器芯片和基座实现电性连接。通过热压键合或热超声键合工艺用金丝电性连接半导体气体传感器芯片和基座。具体地，加热电极设置为纵长型，并以半导体气体传感器芯片为中心对称分布。为了方便后续的引线焊接，第一加热电极和第二加热电极在靠近半导体气体传感器芯片边缘处分别形成一个正方形的焊盘。信号感测电极设置为纵长型，并以半导体气体传感器芯片为中心对称分布。为了方便后续的引线焊接，第一信号感测电极和第二信号感测电极在靠近半导体气体传感器芯片边缘处分别形成一个正方形的焊盘，用热超声键合工艺将金丝焊接在传感器芯片和基座的电连接件上，使第一加热电极、第二加热电极、第一信号感测电极和第二信号感测电极分别与基座的四个第一电连接件形成电连接。

S6、提供一防尘罩，覆盖在半导体气体传感器芯片上。防尘罩是贴装到基座上的。防尘罩具有若干通孔，这些通孔的孔径很微小，能够实现气体自由扩撒到半导体气体传感器芯片表面，同时具有防尘和芯片保护作用。防尘罩的材质为金属或塑料或陶瓷。

为了更好的阐述本发明，以下提供一些制备半导体气体传感器方法的具体实施例。

实施例1

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为3mm×3mm×2mm，内腔长宽高为2.4mm×2.4mm×1.7mm。然后将二氧化硅气凝胶纳米颗粒、纳米微孔绝热材料、增强纤维按照质量比5:4:1混合后，加入有机粘结剂和有机溶剂并混合均匀，得到绝热保温浆料，然后通过点胶工艺将绝热保温浆料填充到陶瓷基座的内腔中，在600℃的温度下烧结30min，使得绝热保温层的高度为1.7mm。

在氧化铝陶瓷片上通过丝网印刷Au加热电极和RuO₂加热电阻，800℃高温烧结后再丝网印刷20um厚玻璃介质浆料，并在700℃烧结，得到绝缘介质层，然后再丝网印刷Au电极，800℃高温烧结后得到信号感测电极，再通过丝网印刷二氧化锡气敏浆料，600℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

实施例2

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为4mm×4mm×3mm，内腔长宽高为3.4mm×3.4mm×2.7mm。然后将二氧化硅气凝胶、纳米微孔绝热材料、、增强纤维按照质量比4:4:2混合后，加入有机粘结剂和有机溶剂并混合均匀，得到绝热保温浆料，然后通过点胶工艺将绝热保温浆料填充到陶瓷基座的内腔中，在200℃的温度下固化60min，使得绝热保温层的高度为2.9mm。

在氧化铝陶瓷片上通过丝网印刷Au加热电极和RuO₂加热电阻，800℃高温烧结后再丝网印刷40um厚玻璃介质浆料，并在800℃烧结，得到绝缘介质层，然后再丝网印刷Au电极，800℃高温烧结后得到信号感测电极，再通过丝网印刷氧化镍气敏浆料，600℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

实施例3

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为5mm×5mm×4mm，内腔长宽高为4mm×4mm×3.5mm。然后将二氧化硅气凝胶、纳米微孔绝热材料、增强纤维按照质量比3:5:2混合后，加入有机粘结剂和有机溶剂并混合均匀，得到绝热保温浆料，然后通过点胶工艺将绝热保温浆料填充到陶瓷基座的内腔中，在300℃的温度下烧结60min，使得绝热保温层的高度为3.3mm。

在氧化铝陶瓷片上通过磁控溅射和掩膜版制备Au加热电极和镍铬合金加热电阻，然后丝网印刷20um厚玻璃介质浆料，并在600℃烧结，得到绝缘介质层，然后再通过掩膜版真空蒸镀Au电极，得到信号感测电极，再通过丝网印刷氧化镍气敏浆料，600℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

实施例4

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为6mm×6mm×4mm，内腔长宽高为4.5mm×4.5mm×3.5mm。将硅溶胶直接浸润增强纤维，然后经历凝胶老化、改性、干燥，得到4mm厚的绝热板，然后将绝热板切割成4.5mm×4.5mm×4.0mm大小的方块，并填充到内腔中。

在氧化铝陶瓷片上通过磁控溅射和掩膜版制备Pt/Au加热电极和Ag/Pd合金加热电阻，然后丝网印刷10um厚玻璃介质浆料，并在600℃烧结，得到绝缘介质层，然后再通过掩膜版和磁控溅射制备Pt/Au电极，得到信号感测电极，再通过丝网印刷三氧化钨气敏浆料，600℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

实施例5

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为7mm×7mm×6mm，内腔长宽高为6.5mm×6.5mm×5.5mm。将硅溶胶直接浸润增强纤维，然后经历凝胶老化、改性、干燥，得到5mm厚的绝热板，然后将绝热板切割成6.5mm×6.5mm×5.0mm大小的方块，并填充到内腔中。

在氧化铝陶瓷片上通过磁控溅射和掩膜版制备Ag加热电极和钨加热电阻，然后丝网印刷20um厚玻璃介质浆料，并在700℃烧结，得到绝缘介质层，然后再通过掩膜版和磁控溅射制备Ag电极，得到信号感测电极，再通过丝网印刷氧化铜气敏浆料，400℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

实施例6

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为3mm×3mm×2mm，内腔长宽高为2.4mm×2.4mm×1.7mm。然后将二氧化硅气凝胶纳米颗粒、纳米微孔绝热材料、增强纤维按照质量比4:5:1混合后，填充到模具中，然后用2.5MPa的压力压制然后在800℃的温度下烧结30min，得到的绝热保温层填充到微型陶瓷基座中。

在氧化铝陶瓷片上通过丝网印刷Au加热电极和RuO₂加热电阻，800℃高温烧结后再丝网印刷20um厚玻璃介质浆料，并在700℃烧结，得到绝缘介质层，然后再丝网印刷Au电极，800℃高温烧结后得到信号感测电极，再通过丝网印刷二氧化锡气敏浆料，600℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

实施例7

通过陶瓷封装工艺制备微型陶瓷基座，其中外尺寸长宽高为3.8mm×3.8mm×3mm，内腔长宽高为3.0mm×3.0mm×2.7mm。然后将二氧化硅气凝胶纳米颗粒、纳米微孔绝热材料、增强纤维按照质量比5:4:1混合后，填充到微型陶瓷基座中，然后用1.5MPa的压力压制，并在900℃的温度下烧结60min，得到含有绝热层的微型陶瓷基座。

在氧化铝陶瓷片上通过丝网印刷Au加热电极和RuO₂加热电阻，800℃高温烧结后再丝网印刷30um厚玻璃介质浆料，并在700℃烧结，得到绝缘介质层，然后再丝网印刷Au电极，800℃高温烧结后得到信号感测电极，再通过丝网印刷氧化钴气敏浆料，600℃烧结后得到含有气体敏感层的传感器芯片。

将传感器芯片用高温粘结剂粘贴于绝热保温层上，并通过超声波金丝球焊工艺，将传感器芯片的加热电极和信号感测电极与陶瓷基座的四个焊盘相连接，再贴装上防尘帽即可得到微型半导体气体传感器。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种半导体气体传感器芯片，其特征在于，包括：

基底，包括相对设置的第一基底表面和第二基底表面；

设置于所述第一基底表面上的加热层和功能层及设置于所述第二基底表面上的绝热层；

绝缘介质层，设置于所述功能层和所述加热层之间；

其中，所述加热层较所述功能层靠近所述第一基底表面，所述加热层包括相互电性连接的加热电阻和加热电极，所述功能层包括相互电性连接的信号感测电极和气体敏感层。

2.根据权利要求1所述的半导体气体传感器芯片，其特征在于，所述绝热层采用纳米微孔绝热材料，所述纳米微孔绝热材料包括二氧化硅气凝胶纳米颗粒、硅酸盐纳米微孔材料及增强纤维。

3.根据权利要求1所述的半导体气体传感器芯片，其特征在于，所述绝热层通过高温粘结剂与所述第二基底表面粘接。

4.根据权利要求1所述的半导体气体传感器芯片，其特征在于，所述基底选自双面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氮化硅陶瓷片、碳化硅陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的任意一种，所述基底的厚度为10um~500um。

5.根据权利要求1所述的半导体气体传感器芯片，其特征在于，所述加热电极和信号感测电极的厚度均为0.1um~100um，所述加热电极或者信号感测电极选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W、Ag/Pd、Pt/Au中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的半导体气体传感器芯片，其特征在于，所述加热电阻的厚度为0.1um~200um；所述加热电阻的几何形状为蛇形曲线、锯齿曲线、方波曲线、正方形或者长方形中的一种或多种的组合；所述加热电阻由金属薄膜或合金薄膜或金属氧化物薄膜制得，所述金属薄膜选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W中的任意一种，所述合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的任意一种，所述金属氧化物薄膜选自RuO₂或SnO₂:Sb₂O₃中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的半导体气体传感器芯片，其特征在于，所述气体敏感层组成材料选自N型金属氧化物半导体材料或P型金属氧化物半导体材料或P、N双性金属氧化物半导体材料。

8.一种半导体气体传感器，其特征在于，包括：

基座，包括相对设置的第一基座表面和第二基座表面，所述第一基座表面设有至少一个第一电连接件，所述第二基座表面设有至少一个与所述第一电连接件电性导通的第二电连接件；

权利要求1-7任一项所述的半导体气体传感器芯片，所述半导体气体传感器芯片与所述基座电性连接；

引线，将所述半导体气体传感器芯片的加热电极和信号感测电极分别与所述第一电连接件电性连接；

防尘罩，设于所述第一基座表面上，并覆盖所述半导体气体传感器芯片。

9.根据权利要求8所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述防尘罩具有若干通孔，所述防尘罩的材质为金属或塑料或陶瓷。

10.根据权利要求8所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述第一基座表面具有一开口，所述半导体气体传感器芯片的至少部分绝热层位于所述开口中。

11.一种半导体气体传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一表面带有开口的基座；

在基座的开口内填充纳米微孔绝热材料，以在基座内形成绝热层；

提供半导体气体传感器芯片，所述半导体气体传感器芯片包括：

基底，包括相对设置的第一基底表面和第二基底表面；

设置于所述第一基底表面上的加热层和功能层；

绝缘介质层，设置于所述功能层和所述加热层之间；

其中，所述加热层较所述功能层靠近所述第一基底表面，所述加热层包括相互电性连接的加热电阻和加热电极，所述功能层包括相互电性连接的信号感测电极和气体敏感层；

将半导体气体传感器芯片的第二基底表面与绝热层粘接；

提供引线，将半导体气体传感器芯片和基座电性连接；

提供一防尘罩，覆盖在半导体气体传感器芯片上。

12.根据权利要求11所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述“在开口内填充纳米微孔绝热材料，在基座内形成绝热层”步骤具体为：

将二氧化硅气凝胶纳米颗粒、硅酸盐纳米微孔材料、增强纤维混合并通过浆料填充烧结法或制成型烧结法或绝热板切割填充法三种方法的任意一种在基座内形成绝热层。

13.根据权利要求11所述的半导体气体传感器，其特征在于，所述“提供引线，将半导体气体传感器芯片和基座实现电性连接”步骤具体为：

通过热压键合或热超声键合工艺用金丝电性连接半导体气体传感器芯片和基座。