CN108155179B - 一种具有气体检测功能半导体器件 - Google Patents

一种具有气体检测功能半导体器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有气体检测功能半导体器件，包括：硅基底，其具有一由刻蚀形成的凹槽；形成在凹槽内的绝缘层，在绝缘层内设置有导线，导线暴露在绝缘层的表面，用于将阵列气体传感器与外部电路连接；阵列气体传感器，其形成在绝缘层的底表面，并以阵列的方式排布在底表面；形成在阵列气体传感器上部的气隙，其是在阵列气体传感器上部的牺牲层去除之后形成的；形成在气隙中的支撑板；和盖层，其形成在支撑板的上部，且在盖层处具有至少一个通气孔，用于将气体引入气隙内，进而与阵列气体传感器接触。该半导体器件将气体传感器集成在半导体器件的硅基底上，节省了原料，而且将两个器件集成为一个器件，从体积和质量上都极大地降低。

Description

一种具有气体检测功能半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种具有气体检测功能半导体器件。
背景技术
半导体器件(semiconductor device)通常，利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一般是有源器件，典型代表是各种晶体管(又称晶体三极管)。晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两类。根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。除了作为放大、振荡、开关用的一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、磁敏晶体管，场效应传感器等。这些器件既能把一些环境因素的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存储器件等。在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。微波半导体器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战、C(U3)I等系统中已得到广泛的应用。
气体传感器从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个纷繁庞杂的分类体系。气体传感器主要有以下特性：稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性。
稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10％。
灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-oldlimitvalue)或最低爆炸限(LEL-lowerexplosivelimit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。
选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。
抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10～20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。
气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。
目前，半导体器件一般具有硅基底，在将半导体器件和气体传感器集成在一起时，是将单独的半导体器件和单独的气体传感器设置在一个封装壳体中。如此设置，由于是相当于将两个单独的器件布置在一起，导致器件的体积较大，质量较重，不满足目前小型化的趋势。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有气体检测功能半导体器件，包括：
硅基底，其具有一由刻蚀形成的凹槽；
形成在所述凹槽内的绝缘层，在所述绝缘层内设置有导线，所述导线暴露在所述绝缘层的表面，用于将阵列气体传感器与外部电路连接；
阵列气体传感器，其形成在所述绝缘层的底表面，并以阵列的方式排布在所述底表面；
形成在所述阵列气体传感器上部的气隙，其是在所述阵列气体传感器上部的牺牲层去除之后形成的；
形成在所述气隙中的支撑板；和
盖层，其形成在所述支撑板的上部，且在所述盖层处具有至少一个通气孔，用于将气体引入所述气隙内，进而与所述阵列气体传感器接触。
进一步地，所述绝缘层的所述底表面的厚度小于所述绝缘层的两个侧表面中任一侧表面的厚度。
进一步地，所述导线从所述底表面延伸至所述侧表面，并直至暴露于所述盖层的上部，用于连接外电路。
进一步地，所述导线的数量为两个。
进一步地，所述盖层设置成正好与所述凹槽的口所在平面齐平。
进一步地，所述绝缘层的材料为柔性高分子材料，所述盖层的材料为柔性高分子。
进一步地，所述气隙的厚度大于或等于所述绝缘层和所述盖层的厚度之和的1-2倍。
进一步地，所述阵列气体传感器为圆形阵列或方形阵列。
进一步地，所述通气孔以阵列的方式排列在所述盖层处，并与所述阵列气体传感器的排列方式保持一致。
进一步地，每个阵列气体传感器的传感位点上的所述盖层处设置4-6个通孔。
根据本发明的方案，该半导体器件将气体传感器集成在半导体器件的硅基底上，由此，不仅节省了原料，将硅基底最大限度地利用，而且将两个器件集成为一个器件，从体积和质量上都极大地降低。此外，将导线从绝缘层的底表面引至侧表面上，并且是埋覆在绝缘层内，一方面，对导线具有很强的保护作用，不至于将导电暴露出去，增加可靠性，另一方面，将导线从底表面引出至侧表面，极大地方便了外电路的设置，并且外表美观，不至于布线凌乱。此外，由于气隙的形成，使得外部气体能够充分地与阵列气体传感器的传感位点充分接触，极大地提高了阵列气体传感器的灵敏度。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的具有气体检测功能半导体器件的示意性结构图。
附图标记：
10-硅基底，
101-凹槽，
20-绝缘层，
201-底表面，
202-侧表面，
203-导线，
30-阵列气体传感器，
40-气隙，
50-支撑板，
60-盖层，
601-通气孔。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的具有气体检测功能半导体器件的示意性结构图。如图1所示，该具有气体检测功能半导体器件，包括：硅基底10，其具有一由刻蚀形成的凹槽101；形成在所述凹槽101内的绝缘层20，在所述绝缘层20内设置有导线203，所述导线203暴露在所述绝缘层20的表面，用于将阵列气体传感器30与外部电路连接；阵列气体传感器30，其形成在所述绝缘层20的底表面201，并以阵列的方式排布在所述底表面201；形成在所述阵列气体传感器30上部的气隙40，其是在所述阵列气体传感器30上部的牺牲层去除之后形成的；形成在所述气隙40中的支撑板50；和盖层60，其形成在所述支撑板50的上部，且在所述盖层60处具有至少一个通气孔601，用于将气体引入所述气隙40内，进而与所述阵列气体传感器30接触。
在优选实施例中，该半导体器件包括电源接触垫。该电源接触垫的组包括对应的相邻气体传感器芯片的电源接触垫。这意味着，将为其加热器同时提供电流的气体传感器芯片相邻布置到载体上。相邻意味着沿任何方向将它们布置为一个挨一个。
该阵列气体传感器30包括敏感层，所述敏感层可以由对一种或多种被分析物敏感的材料构成。所述敏感层可以包括多个被布置为彼此相邻并且相互隔开的独立层部分，以构建包括传感器单元的组的传感器阵列，其中，可以将传感器单元理解为可以单独读取的气体传感器的实体。优选地，在传感器阵列的实施例中，所述层部分中的每者或者至少一些适于感测分析物，尤其适于感测不同分析物。分析物可以包括(例如)H2O、CO2、NOX、乙醇、CO、臭氧、氨气、甲醛或二甲苯中的一者或多者，但不限于此。具体地，所述敏感层可以含有金属氧化物材料，尤其是半导体金属氧化物材料，具体地可以在每个层部分含有具有不同成分的金属氧化物材料。金属氧化物材料一般可以包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓中的一者或多者。可以采用这样的金属氧化物检测诸如VOC、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨气或硫化氢的分析物。金属氧化物传感器基于这样的原理，即，气态分析物在敏感层的升高的温度下与金属氧化物层相互作用，所述升高的温度处于100℃以上的范围内，尤其是处于250℃和350℃之间。由于催化反应的原因，敏感层的导电率可以发生变化，可以对所述变化加以测量。因而，出于在敏感层的高温下将分析物的化学性质转化为电阻的原因，还将这样的化学传感器称为高温化学电阻器。优选地，利用这样的气体传感器，可以对气体进行研究，所述研究至少关于是否存在该气体传感器敏感的对象分析物。因而，可以利用所述敏感层对提供给气体传感器的气体加以分析，以判断在所提供的气体当中是否存在该敏感层敏感的化学物质或混合物以及存在哪些敏感化学物质或混合物。在所提供的气体中检测到的分析物的组合可能表现出某种气味。气体传感器的设计的主题总是有关于气体传感器对多少种不同的分析物敏感，并且/或者气体传感器对分析物的多少种不同特性敏感。
如图1所示，所述绝缘层20的所述底表面201的厚度小于所述绝缘层20的两个侧表面202中任一侧表面202的厚度。所述导线203从所述底表面201延伸至所述侧表面202，并直至暴露于所述盖层60的上部，用于连接所述外电路。所述导线203的数量为两个。
所述盖层60设置成正好与所述凹槽101的口所在平面齐平。所述绝缘层20的材料为柔性高分子材料，所述盖层60的材料为柔性高分子材料。
在一个实施例中，所述气隙40的厚度大于或等于所述绝缘层20和所述盖层60的厚度之和的1-2倍。所述阵列气体传感器30为圆形阵列或方形阵列。所述通气孔601以阵列的方式排列在所述盖层60处，并与所述阵列气体传感器30的排列方式保持一致。每个阵列气体传感器30的传感位点上的所述盖层60处设置4-6个通孔。
根据本发明的方案，该半导体器件将气体传感器集成在半导体器件的硅基底10上，由此，不仅节省了原料，将硅基底10最大限度地利用，而且将两个器件集成为一个器件，从体积和质量上都极大地降低。此外，将导线203从绝缘层20的底表面201引至侧表面202上，并且是埋覆在绝缘层20内，一方面，对导线203具有很强的保护作用，不至于将导电暴露出去，增加可靠性，另一方面，将导线203从底表面201引出至侧表面202，极大地方便了外电路的设置，并且外表美观，不至于布线凌乱。此外，由于气隙40的形成，使得外部气体能够充分地与阵列气体传感器30的传感位点充分接触，极大地提高了阵列气体传感器30的灵敏度。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (1)

1.一种具有气体检测功能半导体器件，其特征在于，包括：
硅基底，其具有一由刻蚀形成的凹槽；
形成在所述凹槽内的绝缘层，在所述绝缘层内设置有导线，所述导线暴露在所述绝缘层的表面，用于将阵列气体传感器与外部电路连接；
阵列气体传感器，其形成在所述绝缘层的底表面，并以阵列的方式排布在所述底表面；
形成在所述阵列气体传感器上部的气隙，其是在所述阵列气体传感器上部的牺牲层去除之后形成的；
形成在所述气隙中的支撑板；和
盖层，其形成在所述支撑板的上部，且在所述盖层处具有至少一个通气孔，用于将气体引入所述气隙内，进而与所述阵列气体传感器接触；
所述绝缘层的所述底表面的厚度小于所述绝缘层的两个侧表面中任一侧表面的厚度；
所述导线从所述底表面延伸至所述侧表面，并直至暴露于所述盖层的上部，用于连接外电路；
所述导线的数量为两个；
所述盖层设置成正好与所述凹槽的口所在平面齐平；
所述绝缘层的材料为柔性高分子材料，所述盖层的材料为柔性高分子；
所述气隙的厚度大于或等于所述绝缘层和所述盖层的厚度之和的1-2倍；
所述阵列气体传感器为圆形阵列或方形阵列；
所述通气孔以阵列的方式排列在所述盖层处，并与所述阵列气体传感器的排列方式保持一致；
每个阵列气体传感器的传感位点上的所述盖层处设置4-6个通孔。
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