CN111208174A - 一种高性能气体检测器件用恒温结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能气体检测器件用恒温结构及制备方法。包括顶层Al3N4基片单元，顶层Al3N4基片单元下表面集成有TEC单元；所述的顶层Al3N4基片单元由一层以上的打孔Al3N4基片在竖直方向上堆叠构成，每层打孔Al3N4基片上均集成有薄膜气敏电阻，每层打孔Al3N4基片的过孔中均填充有填料；处于顶层Al3N4基片单元顶层往里数的第二层打孔Al3N4基片上还埋置有厚膜热敏电阻；分设于TEC单元两端的N、P型半导体，通过过孔形成的通道结构连接到表面键合区；厚膜热敏电阻与用于控制TEC单元电流方向的可控双向开关电路连接。本发明能够降低气敏器件内部各组成部分的相关性能参数指标的温度漂移范围，有利于装配的微型化。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种高性能气体检测器件用恒温结构及制备方法。
背景技术
传统的气体检测器件结构主要是，将传感信号处理芯片、气敏电阻、其他有/无源元器件等分离元器件直接装贴在氮化铝陶瓷基片(Al3N4)上，再进行电路焊接，完成电路连接，其结构如图1所示。但该结构的气体检测器件会存在下述问题：气敏电阻仅为单层表面，对气体的感应面积非常小，影响敏感程度及传感信号的灵敏度；同时，整个器件工作在自然环境中，随着温度的变化，各组成部分的电性能及物理性能会发生一定的变化，从而影响检测精度。同时，一些限制器件在高可靠环境或一些特殊领域如：航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、其他野外作业、通讯、工业控制等一些温度变化复杂的环境中应用时，为了保证检测的精度，就需增加一些体积庞大、成本高昂的环境温度控制装置配合使用。另一方面，由于气敏电阻对不同气体的温度选择性较强，需要针对不同的检测气体设置不同的工作环境温度，给器件使用带来非常的不便。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高性能气体检测器件用恒温结构及制备方法。本发明能够降低气敏器件内部各组成部分的相关性能参数指标的温度漂移范围，同时避免了外贴热电阻等温度传感器件，节省出了外贴器件的装配空间，更加有利于装配的微型化。
本发明的技术方案：一种高性能气体检测器件用恒温结构，包括顶层Al3N4基片单元，顶层Al3N4基片单元下表面集成有TEC单元，TEC单元下表面集成有底层Al3N4基片；所述的顶层Al3N4基片单元由一层以上的打孔Al3N4基片在竖直方向上堆叠构成，每层打孔Al3N4基片上均集成有薄膜气敏电阻，每层打孔Al3N4基片的过孔中均填充有填料；处于顶层Al3N4基片单元顶层往里数的第二层打孔Al3N4基片上还埋置有厚膜热敏电阻；处于TEC单元一端的N型半导体，通过处于其上方的、在竖直方向对齐的、每层打孔Al3N4基片的过孔形成的通道结构连接到顶层Al3N4基片单元的表面键合区，处于TEC单元另一端的P型半导体通过同样的通道结构连接到顶层Al3N4基片单元的表面键合区；所述的厚膜热敏电阻还与用于控制TEC单元电流方向的可控双向开关电路连接。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构中，所述的厚膜热敏电阻的埋置位置在竖直方向上正对温度较敏感的集成电路芯片区域。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构中，所述的TEC单元由正反面均已进行金金属化和充分合金的PN型半导体晶圆构成。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构中，所述的半导体晶圆的厚度为0.3～0.8mm，金金属化层的厚度为1～2μm。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法，按下述步骤制备：
a.使用激光打孔的方法在Al3N4基片上打孔，形成打孔Al3N4基片；
b.在每层打孔Al3N4基片上制作设计规定的气敏电阻、电气金属线；将填料填充入每层打孔Al3N4基片的过孔内，并在其表面制作导电图形、介质浆料；
c.将各层打孔Al3N4基片按设计顺序叠放，并进行间隙性焊接；
d.采用丝网印刷的方式，将厚膜电子浆料按规定的图形印刷在底层Al3N4基片上；
e.将顶层Al3N4基片单元、TEC单元、底层Al3N4基片按规定的位置定位放置，并用夹具固定，之后进行合金焊接即得。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法所述的步骤c中，间隙性焊接时，相邻两层打孔Al3N4基片间的间隙为1～3mm。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法所述的步骤e中，TEC单元按下述方法制备：
e1.采用以碲化铋为基体的三元固溶晶体材料，其中P型半导体材料为：Bi2Te3-Sb2Te3，N型半导体材料为：Bi2Te3-Bi2Se3；
e2.对晶圆的正反面进行金金属化，并进行充分的合金；
e3.在划片机上，按规定尺寸进行划片，分离出所需的N型和P型半导体晶粒，得到合金片，即得到TEC单元。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法中，所述的晶圆的厚度为0.3～0.8mm，金金属化层的厚度为1～2μm。
有益效果：与现有技术相比，本发明应用在气敏器件中时，可根据需要对应用电路的工作环境温度进行设置调整，使得设备应用时无需增加体积庞大、成本高昂的环境温度控制装置配合使用，降低了设备成本，优化了设备结构。同时，本发明将厚膜热敏电阻埋置于Al3N4基片单元顶层往里数的第二层打孔Al3N4基片上，实现一体化集成技术结构，避免了外贴热电阻等温度传感器件，节省出了外贴器件的装配空间，使得设备结构更简单、紧凑，更有利于设备的微型化。
本发明中，热敏电阻等温度传感器件与传感信号处理芯片之间在大面积方向上实现零距离接触，同时将埋置于顶层Al3N4基片单元内的厚膜热敏电阻与用于控制TEC单元电流方向的可控双向开关电路连接，厚膜热敏电阻用于检测器件内部工作环境温度，通过厚膜热敏电阻两端电压的变化,实现可控双向开关电路的控制，进而实现TEC单元电流方向的控制，从而控制升温或降温频率，达到温度控制的目的。通过上述结构，当温控器件外界工作环境温度发生变化时，可将环境工作温度的变化范围可控制在设定温度的±3℃以内，从而降低气敏器件内部各组成部分的相关性能参数指标的温度漂移范围；同时也对检测气体的检测面积大大提升，敏感程度强，传感信号的灵敏度大，便于精密控制。此外，发明人研究还发现：当TEC单元中半导体晶圆的厚度为0.3～0.8mm(最优为0.5mm)，金金属化层的厚度为1～2μm(最优为1.5μm)时，TEC单元表现出的其对温度的控制性能最佳。
本发明中，顶层Al3N4基片单元由一层以上的打孔Al3N4基片在竖直方向上堆叠构成，相邻两层打孔Al3N4基片间的间隙为1～3mm(最优为2mm)，该结构使得气体流通能够更加通畅，同时每层打孔Al3N4基片上集成的薄膜气敏电阻，上述二者结合构成的结构，与传统的单层气敏电阻的结构而言，对气体的感应面积得到极大，极大提升了敏感程度及传感信号的灵敏度。
本发明中，厚膜热敏电阻的埋置位置在竖直方向上正对温度较敏感的集成电路芯片区域(如处于传感信号处理芯片及薄膜气敏电阻集中的位置)；该结构能够使得电阻对器件内部工作环境温度的检测更加灵敏，提高检测精度。
本发明的结构，使得器件内部工作温度可控，起到了“恒温室”的作用，在一定外界温度范围内，不受外界环境温度变化的影响，器件性能参数指标基本上不发生温度漂移，工作稳定可靠。经实践，本发明能够在-55℃～125℃的环境中工作，用于精密测量、精密控制领域的气敏器件上，能够对传感器信号进行快速传输、精密处理和放大，能够充分满足航天、航空、船舶、精密仪器等高端技术领域的应用要求。
附图说明
图1是传统气敏器件的结构图；
图2是本发明制作的气敏器件的结构图。
附图标记：1-顶层Al3N4基片单元，101-打孔Al3N4基片，102-薄膜气敏电阻，103-填料，2-传感信号处理芯片，3-TEC单元，4-底层Al3N4基片，5-厚膜热敏电阻，6-通道结构，7-片式元件，8-表面键合区，9-金属焊接区，10-器件基座，11-引脚。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种高性能气体检测器件用恒温结构，构成如图2所示，包括顶层Al3N4基片单元1，顶层Al3N4基片单元1下表面集成有TEC单元3，TEC单元3下表面集成有底层Al3N4基片4；所述的顶层Al3N4基片单元1由一层以上的打孔Al3N4基片101在竖直方向上堆叠构成，每层打孔Al3N4基片101上均集成有薄膜气敏电阻102，每层打孔Al3N4基片101的过孔中均填充有填料103；处于顶层Al3N4基片单元1顶层往里数的第二层打孔Al3N4基片101上还埋置有厚膜热敏电阻5；处于TEC单元3一端的N型半导体，通过处于其上方的、在竖直方向对齐的、每层打孔Al3N4基片101的过孔形成的通道结构6连接到顶层Al3N4基片单元1的表面键合区8，处于TEC单元3另一端的P型半导体通过同样的通道结构6连接到顶层Al3N4基片单元1的表面键合区8；所述的厚膜热敏电阻5还与用于控制TEC单元3电流方向的可控双向开关电路连接。厚膜热敏电阻5与可控双向开关电路的连接，具体通过厚膜热敏电阻5两边的引脚11连接；可控双向开关电路属于本领域常规电路，可通过丝网印刷、溅射、刻蚀等方式集成于基片中，由于该电路结构属于本领域常规技术，不是本申请保护的范围，在此不再赘述。
前述的厚膜热敏电阻5的埋置位置在竖直方向上正对温度较敏感的集成电路芯片区域。
前述的TEC单元3由正反面均已进行金金属化和充分合金的PN型半导体晶圆构成。
前述的半导体晶圆的厚度为0.3～0.8mm，金金属化层的厚度为1～2μm。
前述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法，按下述步骤制备：
a.使用激光打孔的方法在Al3N4基片上打孔，形成打孔Al3N4基片101；
b.在每层打孔Al3N4基片101上制作设计规定的气敏电阻、电气金属线；将填料103填充入每层打孔Al3N4基片101的过孔内，并在其表面制作导电图形、介质浆料；
c.将各层打孔Al3N4基片101按设计顺序叠放，并进行间隙性焊接；
d.采用丝网印刷的方式，将厚膜电子浆料按规定的图形印刷在底层Al3N4基片4上；
e.将顶层Al3N4基片单元1、TEC单元3、底层Al3N4基片4按规定的位置定位放置，并用夹具固定，之后进行合金焊接即得。
前述的步骤c中，间隙性焊接时，相邻两层打孔Al3N4基片101间的间隙为1～3mm。
前述的步骤e中，TEC单元3按下述方法制备：
e1.采用以碲化铋为基体的三元固溶晶体材料，其中P型半导体材料为：Bi2Te3-Sb2Te3，N型半导体材料为：Bi2Te3-Bi2Se3；
e2.对晶圆的正反面进行金金属化，并进行充分的合金；
e3.在划片机上，按规定尺寸进行划片，分离出所需的N型和P型半导体晶粒，得到合金片，即得到TEC单元3。
前述的晶圆的厚度为0.3～0.8mm，金金属化层的厚度为1～2μm。
使用本发明制作气敏器件时，其气敏器件的结构参见图2，将传感信号处理芯片2焊接在顶层Al3N4基片单元1上表面，此外，再将片式元件7等其他有源或无源元器件等分离元器件直接装贴在Al3N4基片单元1上表面；最后采用合金焊将器件组装到器件基座10上即可。
TEC单元3控制温度根据半导体PN结的致冷原理——帕尔贴效应Peltier effect进行控制的，具体原理是：将传感信号处理芯片2的热量传导给厚膜热敏电阻5，经信号处理后，迅速将信号传送到TEC单元3，以控制TEC单元3的电流方向:当TEC单元3中的PN结反偏工作时(即N型半导体引出端接正电源、P型半导体接负电源)，混合集成面致冷，器件内部工作温度下降；当PN结正偏工作时(即N型半导体引出端接负电源、P型半导体接正电源)，混合集成面致热，器件内部工作温度上升,以此控制升温或降温频率，从而达到温度控制的目的。
Claims (8)
1.一种高性能气体检测器件用恒温结构，其特征在于：包括顶层Al3N4基片单元(1)，顶层Al3N4基片单元(1)下表面集成有TEC单元(3)，TEC单元(3)下表面集成有底层Al3N4基片(4)；所述的顶层Al3N4基片单元(1)由一层以上的打孔Al3N4基片(101)在竖直方向上堆叠构成，每层打孔Al3N4基片(101)上均集成有薄膜气敏电阻(102)，每层打孔Al3N4基片(101)的过孔中均填充有填料(103)；处于顶层Al3N4基片单元(1)顶层往里数的第二层打孔Al3N4基片(101)上还埋置有厚膜热敏电阻(5)；处于TEC单元(3)一端的N型半导体，通过处于其上方的、在竖直方向对齐的、每层打孔Al3N4基片(101)的过孔形成的通道结构(6)连接到顶层Al3N4基片单元(1)的表面键合区(8)，处于TEC单元(3)另一端的P型半导体通过同样的通道结构(6)连接到顶层Al3N4基片单元(1)的表面键合区(8)；所述的厚膜热敏电阻(5)还与用于控制TEC单元(3)电流方向的可控双向开关电路连接。
2.根据权利要求1所述的高性能气体检测器件用恒温结构，其特征在于：所述的厚膜热敏电阻(5)的埋置位置在竖直方向上正对温度较敏感的集成电路芯片区域。
3.根据权利要求1所述的高性能气体检测器件用恒温结构，其特征在于：所述的TEC单元(3)由正反面均已进行金金属化和充分合金的PN型半导体晶圆构成。
4.根据权利要求3所述的高性能气体检测器件用恒温结构，其特征在于：所述的半导体晶圆的厚度为0.3～0.8mm，金金属化层的厚度为1～2μm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法，其特征在于：按下述步骤制备：
a.使用激光打孔的方法在Al3N4基片上打孔，形成打孔Al3N4基片(101)；
b.在每层打孔Al3N4基片(101)上制作设计规定的气敏电阻、电气金属线；将填料(103)填充入每层打孔Al3N4基片(101)的过孔内，并在其表面制作导电图形、介质浆料；
c.将各层打孔Al3N4基片(101)按设计顺序叠放，并进行间隙性焊接；
d.采用丝网印刷的方式，将厚膜电子浆料按规定的图形印刷在底层Al3N4基片(4)上；
e.将顶层Al3N4基片单元(1)、TEC单元(3)、底层Al3N4基片(4)按规定的位置定位放置，并用夹具固定，之后进行合金焊接即得。
6.根据权利要求5所述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法，其特征在于：步骤c中，间隙性焊接时，相邻两层打孔Al3N4基片(101)间的间隙为1～3mm。
7.根据权利要求5所述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤e中，TEC单元(3)按下述方法制备：
e1.采用以碲化铋为基体的三元固溶晶体材料，其中P型半导体材料为：Bi2Te3-Sb2Te3，N型半导体材料为：Bi2Te3-Bi2Se3；
e2.对晶圆的正反面进行金金属化，并进行充分的合金；
e3.在划片机上，按规定尺寸进行划片，分离出所需的N型和P型半导体晶粒，得到合金片，即得到TEC单元(3)。
8.根据权利要求7所述的高性能气体检测器件用恒温结构的制备方法，其特征在于：所述的晶圆的厚度为0.3～0.8mm，金金属化层的厚度为1～2μm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114002581A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-02-01 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 焦平面阵列探测器倒焊芯片内部互连情况的检测方法 |
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2020
- 2020-03-04 CN CN202010144507.XA patent/CN111208174A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114002581A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-02-01 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 焦平面阵列探测器倒焊芯片内部互连情况的检测方法 |
| CN114002581B (zh) * | 2021-11-02 | 2023-11-21 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 焦平面阵列探测器倒焊芯片内部互连情况的检测方法 |
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