CN109030563B - 一种气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体传感器及其制备方法。该气体传感器是由传感器芯片和帽结构组成，帽结构的表面具有多个通孔，帽结构直接盖合在传感器芯片上，且帽结构的表面与传感器芯片之间具有预设间距，以避免表面与传感器芯片接触，传感器芯片包括：基底；感测电极，其设置在基底的正面，且在感测电极的表面上施加有敏感材料，用于检测外部空气的湿度、温度和/或外部空气中待测气体的浓度；信号输入端和信号输出端，其均与感测电极电连接，且均设置在基底的反面。该气体传感器不需要额外的封装底座，仅将传感器芯片作为封装的一部分，即将传感器芯片的反面作为封装的背面，一方面节约了成本，另一方面极大地减小了传感器的体积与质量。

Description

一种气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体传感器封装技术领域，尤其涉及一种气体传感器及其制备方法。

背景技术

现有的管壳类封装件，如图1所示，往往都会设置有若干延伸到封装件结构外一定距离的电极引脚，这种封装件结构造成传统的气体检测传感器封装件的尺寸大，并且由于其结构特点，只适合直插式组装，因此，不适用智能手机和可穿戴设备领域的应用，应用范围受到限制；另外由于其结构特征，致使封装时无法进行批量的表面贴装，从而导致封装效率低且封装工艺复杂，成本增大。

随着对气体传感器微型化以及低功耗要求的提高，对气体传感器的制造以及封装技术也提出更高的要求。为了减小尺寸以及降低功耗，通常的封装技术是，将传感器芯片粘接在陶瓷管壳内，并用引线键合的方式将该传感器芯片和陶瓷管壳电连接，然后在传感器芯片的上部盖上封装用的帽结构。一般气体传感器均需要在高温下工作，采用这种封装结构一方面可以防止热量的散失，另一方面与图1相比具有更小的尺寸，实现了器件的小型化。

发明内容

为了研发出体积更小、质量更轻且工艺简单的气体传感器，本申请的发明人对现有技术中气体传感器的三明治结构(气体传感器包括封装底座、传感器芯片以及帽结构，该封装底座通常具有一凹部，传感器芯片设置在该凹部内，帽结构盖合在封装底座上)进行了深入分析，发现现有技术中并没有提出有效地可以同时解决上述技术问题的技术方案，有些只能解决体积更小、质量更轻的技术问题，另一些只能解决工艺简单的技术问题，并且现有技术中均没有打破传统的三明治结构，这会在一定程度上引导本领域技术人员在设计气体传感器的结构时采用三明治结构。

经过深入剖析发现，由于现有技术中的气体传感器需要在高温下工作，所以传感器芯片的基底通常是陶瓷或硅基底，并且采用这种封装结构的封装工艺包括：将传感器芯片粘接在封装底座上、用引线键合的方式将该传感器芯片和陶瓷管壳电连接。这个封装工艺的过程复杂且成本高，并且引线键合的方式在使用过程中容易出现焊点脱落或键合用的金线断裂的情况，从而降低传感器的使用寿命。并且这种封装方式需要使用封装底座，增加传感器的体积以及质量。对于室温下工作的气体传感器来说，可以寻求一种新的封装方式来解决上述技术问题。

本发明的一个目的是要解决现有技术中的封装结构以及采用这种封装结构的封装工艺复杂的技术问题。

本发明的另一个目的是要进一步减小封装体积。

本发明的一个进一步的目的是要解决现有技术中的采用引线键合的方式容易导致焊点脱落或金线断裂的情况的技术问题。

本发明提供了一种气体传感器，所述气体传感器是由传感器芯片和用于封装所述传感器芯片的帽结构组成，所述帽结构直接盖合在所述传感器芯片上，所述帽结构的表面具有多个通孔，且与所述传感器芯片之间具有预设间距，以避免所述表面与所述传感器芯片接触，所述传感器芯片包括：

基底；

感测电极，其设置在所述基底的正面，且在所述感测电极的表面上施加有敏感材料，用于检测外部空气的湿度、温度和/或所述外部空气中待测气体的浓度；

信号输入端和信号输出端，其均与所述感测电极电连接，且均设置在所述基底的反面。

进一步地，所述基底具有多个过孔，且所述过孔内填充有导电介质，以使所述信号输入端和所述信号输出端分别与所述感测电极电连接。

进一步地，所述帽结构具有盖板和沿着所述盖板的边沿向下延伸的裙边，所述多个通孔布置在所述盖板上。

进一步地，所述基底围绕其四周边缘的区域具有金材料形成的金层，所述帽结构盖合在所述金层上。

进一步地，所述基底选用PCB基底、硅基底或陶瓷基底。

进一步地，所述感测电极交叉L型电极、交叉F型电极、交叉齿状电极或半圆形电极。

根据本发明的方案，该气体传感器不需要额外的封装底座，仅将传感器芯片作为封装的一部分，即将传感器芯片的反面作为封装的背面，这一方面节约了成本，另一方面极大地减小了传感器的体积与质量。

根据本发明的方案，该气体传感器的封装工艺简单，不仅降低了成本，而且极大地提高了生产效率，并增加了传感器良率。此外，该气体传感器的尺寸可以做到非常小，并将其应用在微型电子设备如智能手机以及可穿戴设备等领域中。

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是现有技术中管壳类封装件的示意性结构图；

图2是根据本发明一个实施例的封装后的气体传感器的示意性主视图；

图3是根据本发明一个实施例的封装后的气体传感器反面的示意性后视图；

图4是根据本发明一个实施例的传感器芯片的示意性结构图；

图5是根据本发明一个实施例的帽结构的示意性结构图；

图6是根据本发明一个实施例的气体传感器的制备方法的示意性流程图。

附图标记：

1-帽结构，11-裙边，12-盖板，121-通孔，2-传感器芯片，21-基底，22-感测电极，23-过孔。

具体实施方式

本申请的发明人致力于打破现有技术中采用的三明治结构的思想桎梏，提出一种新的气体传感器结构。图2示出了根据本发明一个实施例的封装后的气体传感器的示意性主视图。如图2所示，该气体传感器与现有技术中不同的是，该气体传感器仅包含传感器芯片2和用于封装该传感器芯片2的帽结构1，其不需要封装底座，这在极大地程度上减小了气体传感器的体积以及质量。图3示出了根据本发明一个实施例的封装后的气体传感器中传感器芯片反面的示意性后视图。结合图2和图3可知，该气体传感器封装后暴露在外的部分是帽结构1的外表面即盖板12以及传感器芯片2的反面。发明人对传感器芯片2、帽结构1以及两者之间封装方式均进行了改进，以下一一阐述。

图4示出了根据本发明一个实施例的传感器芯片的示意性结构图。如图4所示，该传感器芯片2包括基底21、感测电极22、信号输入端和信号输出端。该感测电极22设置在基底21的正面，且在感测电极22的表面上施加有敏感材料，用于检测外部空气的湿度、温度和/或该外部空气中待测气体的浓度。如图4所示，该信号输入端和信号输出端均设置在基底21的反面，且均与感测电极22电连接。在一个实施例中，该基底21具有多个过孔23，且过孔23内填充有导电介质，以使信号输入端和信号输出端分别与感测电极22电连接。其中，导电介质例如可以是金。其中，基底21的正面为设置有感测电极22的表面，基底21的反面为与该正面相对的另一表面。在传感器芯片2与帽结构1封装在一起时，基底21的反面是暴露在外的，而基底21的正面则被帽结构1遮挡。

如图4所示，该感测电极22可以是半圆形电极。在其它实施例中，该感测电极22还可以是交叉L型电极、交叉F型电极或交叉齿状电极。

其中，本发明中的敏感材料并不限定为必须要在高温下工作的敏感材料。该敏感材料可以选择为在高温或室温下工作的材料。例如，在敏感材料是NH₂-CNT或F-CNT时，可以在室温下检测乙醇和/或硫化氢等，也可以参照本公司之前申请的室温下检测气体的专利。又如，在敏感材料是Pt-SnO₂或Pd-SnO₂时，可以在高温下检测氨气和/或甲醛等。

敏感材料选择为在室温下工作时，该基底21可以选择为PCB基底、陶瓷基底或硅基底，优选为PCB基底。此时，选择为PCB基底对于制作该基底21的工艺来说相对简单，尤其是在该基底21上进行钻孔工艺时，PCB基底通常不会出现基底21破裂等情况，而对于陶瓷基底或硅基底可能会出现这个情况，所以，在进行钻孔工艺时，选择为PCB基底更简单。当然，陶瓷基底和硅基底也可以使用，克服基底21破裂等问题即可。

敏感材料选择为在高温下工作时，该基底21可以选择为陶瓷基底或硅基底。此时，不可以选择PCB基底，这是由于PCB基底不耐高温。

图5示出了根据本发明一个实施例的帽结构的示意性结构图。如图5所示，该帽结构1具有盖板12和沿着该盖板12的边沿向下延伸的裙边11，多个通孔121布置在盖板12上。其中，通孔121的数量以及排布形式可以根据实际需要进行设置，在图5所示的实施例中，通孔121的数量为七个，但并不限于此。基底21围绕其四周边缘的区域具有金材料形成的金层，该帽结构1盖合在金层上。该帽结构1构造成向上凸出，以在盖合在传感器芯片2上时与传感器芯片2之间保持预设距离。该预设距离选择成可以避免传感器芯片2与帽结构1的内表面直接接触。其中帽结构1通过低温固化胶粘接在金层上，当然并不限于低温固化胶，还可以是其它类型的胶。

在进行封装时，直接将帽结构1盖合在传感器芯片2的基底21上即可，工艺简单。

根据本发明的方案，该气体传感器不需要额外的封装底座，仅将传感器芯片2作为封装的一部分，即将传感器芯片2的反面作为封装的背面，这一方面节约了成本，另一方面极大地减小了传感器的体积与质量。

相应地，本发明还提供了一种气体传感器的制备方法，图6示出了根据本发明一个实施例的气体传感器的制备方法的示意性流程图。如图6所示，该制备方法包括如下步骤：

步骤S100，提供一传感器芯片，传感器芯片的基底上具有多个过孔，且基底的正面沉积有感测电极，反面具有信号输入端和信号输出端，并且信号输入端和信号输出端均与感测电极电连接；

步骤S200，在感测电极上施加敏感材料；

步骤S300，将帽结构盖合在施加有敏感材料的传感器芯片上，以封装传感器芯片，从而制备出气体传感器。

根据本发明的方案，该气体传感器的封装工艺简单，不仅降低了成本，而且极大地提高了生产效率，并增加了传感器良率。此外，该气体传感器的尺寸可以做到非常小，并将其应用在微型电子设备如智能手机以及可穿戴设备等领域中。

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 (5)

1.一种气体传感器，其特征在于，所述气体传感器是由传感器芯片和用于封装所述传感器芯片的帽结构组成，所述帽结构的表面具有多个用于气体流通的通孔，所述帽结构直接盖合在所述传感器芯片上，且所述帽结构的所述表面与所述传感器芯片之间具有预设间距，以避免所述表面与所述传感器芯片接触，所述传感器芯片包括：

基底；

感测电极，其设置在所述基底的正面，且在所述感测电极的表面上施加有敏感材料，用于检测外部空气的湿度、温度和/或所述外部空气中待测气体的浓度；

信号输入端和信号输出端，其均与所述感测电极电连接，且均设置在所述基底的反面；

所述基底具有多个过孔，且所述过孔内填充有导电介质，以使所述信号输入端和所述信号输出端分别与所述感测电极电连接；

在进行封装时，直接将所述帽结构盖合在所述传感器芯片的所述基底上，将所述传感器芯片的反面作为封装的背面；

所述帽结构具有盖板和沿着所述盖板的边沿向下延伸的裙边，所述多个通孔布置在所述盖板上。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述基底围绕其四周边缘的区域具有金材料形成的金层，所述帽结构盖合在所述金层上。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述基底选用PCB基底、硅基底或陶瓷基底。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述感测电极为交叉L型电极、交叉F型电极、交叉齿状电极或半圆形电极。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一传感器芯片，所述传感器芯片的基底上具有多个过孔，且所述基底的正面沉积有感测电极，反面具有信号输入端和信号输出端，并且所述信号输入端和所述信号输出端均与所述感测电极电连接；

在所述感测电极上施加敏感材料；

将帽结构盖合在施加有所述敏感材料的所述传感器芯片上，以封装所述传感器芯片，从而制备出所述气体传感器。

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