CN204154676U - 一种基于倒装焊封装的甲烷传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器，属于MEMS甲烷传感器及其制备方法。该甲烷传感器首先采用MEMS技术加工制备单片高温加热器与单片甲烷气体检测器与环境温度检测器，然后通过倒装焊封装技术将单片高温加热器与单片甲烷气体检测器形成一个整体的叠层结构形式的微型甲烷传感器。其中的单片高温加热器独立加热至500℃以上高温；单片甲烷气体检测器独立检测因甲烷出现及浓度变化造成的温度下降，其测量电路与单片高温加热器的电路相互独立，互不影响。该传感器的制备工艺与CMOS工艺兼容，该甲烷传感器功耗低、灵敏度高、使用寿命长。

Description

一种基于倒装焊封装的甲烷传感器

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷传感器，特别是一种适用于工矿物联网中使用的基于倒装焊封装的甲烷传感器。

背景技术

随着物联网的发展，当前的甲烷传感器无法满足单兵装备对低功耗、长寿命、低成本的检测低浓度甲烷的甲烷传感器的需求。目前用于煤矿井下检测低浓度甲烷的仍是基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器，其功耗较大，尤其是催化剂的使用导致甲烷检测性能不稳定、校验时间短等缺点；而红外甲烷传感器价格高、传感元件受粉尘与水汽严重影响；这两种甲烷传感器都不能很好的满足物联网对低功耗甲烷传感器的应用需求。而其它的甲烷传感器亦无法适应煤矿井下高湿度的环境。

发明内容

本实用新型的目的是要提供一种结构简单，加热元件与测量元件面面平行相对，使测量元件具有大的感受加热元件高温的感温面积，能高灵敏度的检测低浓度甲烷(0～4％)的基于倒装焊封装的甲烷传感器。

针对上述技术目的，本实用新型的目的是基于MEMS加工技术与倒装焊封装技术实现的，具体如下：该基于倒装焊封装的微型甲烷传感器包括单片高温加热器、单片甲烷气体检测器和环境温度检测器；

所述单片高温加热器包括：支座A、加热元件、2个固定端A、2个键合固定端、多个电极引出端、多个支撑端；

所述单片甲烷气体检测器包括支座B、测温元件、2个固定端B、若干键合支撑端；

所述环境温度检测器包括两个电极端及测量电阻；所述环境温度检测器设在单片高温加热器的支座A上，或单片甲烷气体检测器的支座B上，或在单片高温加热器的支座A与单片甲烷气体检测器的支座B上都设置有环境温度检测器；

所述支座A与支座B都包括硅衬底与硅衬底之上的埋层氧化硅；

所述固定端A、键合固定端、支撑端、电极引出端与电极端均相互独立的设在支座A上的埋层氧化硅上；固定端A及电极端均由硅层加工而成，并在硅层上设有氧化硅层、在氧化硅层上设有金属层；所述固定端A及电极端的硅层内均设有掺杂硅层，金属层均通过氧化硅层的窗口与掺杂硅层直接接触并构成欧姆接触；键合固定端、电极引出端与支撑端均由硅层加工而成，并在硅层上设有氧化硅层，在氧化硅层上设有金属层；加热元件同样由硅层加工而成，并在硅层的外表面设有钝化保护层；所述加热元件设有高温加热单元、两个对称设置的硅悬臂；所述高温加热单元为圆环状，或多个加热条的并联；所述硅悬臂的长度大于300um；所述单个的硅悬臂的一端与高温加热单元相连，另一端与支座A上的一个固定端A相连；电极引出端也设在支座A的埋层氧化硅上；每个键合固定端、固定端A均与一个对应的电极引出端的一端相连，尤其是金属层是相连接的；电极引出端远离固定端A和键合固定端，其间距离应使单片甲烷气体检测器倒装焊在单片高温加热单元上之后，电极引出端与电极端不被单片甲烷气体检测器遮挡，在电极引出端和电极端上可以向外进行引线键合；在键合固定端、支撑端的金属层上设有高度相同的金属凸块；2个键合固定端与2个固定端A并排间隔布置，排列顺序分别为一个键合固定端、一个固定端A、另一个固定端A、另一个键合固定端；

所述测温元件设有测温单元、两个对称设置的连接臂，2个对称设置的支撑臂；所述测温单元、连接臂、支撑臂、固定端B依次相连；所述测温单元与单片高温加热器的高温加热单元结构形状相同，尺寸稍大；所述键合支撑端、固定端B均相互独立的设在支座B上的埋层氧化硅上；若在支座B上设有环境温度检测器，则环境温度检测器与固定端B及若干键合支撑端相互独立、不存在硅层上的连接；所述键合支撑端、固定端B均由硅层加工而成，均包括硅层、设在硅层外的氧化硅层、设在氧化硅层上的金属层；固定端B的硅层内设有掺杂硅层，金属层通过氧化硅层的窗口与固定端B的掺杂硅层直接接触构成欧姆接触；测温元件由硅层加工而成，并在硅层的外表面设有钝化保护层，悬在空气中的测温元件通过固定端固定在支座B上的埋层氧化硅上，两个固定端构成测温元件的电通路的两个端子；

单片甲烷气体检测器的正面与单片高温加热器的正面平行相对，对准后通过金属凸点的金属键合实现二者的紧密固定与电连接；对准后的单片甲烷气体检测器在单片高温加热器上的投影特征为：单片甲烷气体检测器的2个固定端分别与单片高温加热器的2个键合固定端重合，单片甲烷气体检测器的键合支撑端分别与单片高温加热器对应的支撑端重合，测温单元的中心与单片高温加热器的高温加热单元的中心重合，二者的中心到各自的支座具有相同的距离；单片甲烷气体检测器与单片高温加热器通过金属凸点金属键合固定后，测温单元与单片高温加热器的高温加热单元之间的距离范围为3至200um；单片甲烷气体检测器的测温元件通过两个固定端B、单片高温加热器的两个键合固定端及其上的金属凸点、与键合固定端相连接的两个电极引出端在单片高温加热器上构成一个二端子器件，并在所述的与键合固定端相连接的两个电极引出端上进行引线键合可实现与外部电路的连接；

有益效果，本实用新型的微型甲烷传感器的首先以SOI硅圆片为衬底采用MEMS工艺加工单片高温加热器、单片甲烷气体检测器与境温度检测器，继而采用倒装焊封装方法获得本实用新型的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器，由于采用了上述方案，具有以下有效效果：

1、本实用新型的甲烷传感器不使用催化剂，使用单片高温加热器与单片甲烷气体检测器便可实现低浓度甲烷气体的检测；同时，本实用新型的甲烷传感器对甲烷的检测无需氧气参与，因此不受空气中氧气的影响；

2、本实用新型的单片甲烷气体检测器的测温元件具有与单片高温加热器的加热元件相同的形状，且通过叠层的形式面面平行相对，使本实用新型的单片甲烷气体检测器的测温元件具有更大的受热面积，而独立的高温加热单元与独立的温度检测器的单片集成方式则无法实现本实用新型温度检测器大的感热面积，因此使本实用新型的单片甲烷气体检测器的测温元件能更加有效的独立感受高温加热单元的温度变化信息；上述因素都使得本实用新型的甲烷传感器具有更高的灵敏度；

3、本实用新型的甲烷传感器不含有催化剂与催化载体，因此，传感器的性能不受催化剂的影响，不存在催化剂活性降低导致的灵敏度降低、中毒、激活等问题；

4、本实用新型的甲烷传感器的硅加热器与单片甲烷气体检测器的测温元件都悬在空气中且远离各自的支座，距离大于300um以上，以较低的电功率即可将硅加热器加热到500℃以上的高温，因此具有功耗低的优势；其次，本实用新型的单片高温加热器的加热元件与单片甲烷气体检测器的测温元件相互独立，没有直接接触，即不存在固态介质连接，因此不存在从加热元件到测温元件的热传导形式的能量损失，因此有效降低了单片高温加热器的加热元件的加热到工作状态时的功耗；并且，本实用新型的甲烷传感器仅单片高温加热器的一个加热元件需要加热到高温；单片甲烷气体检测器的测温元件与环境温度检测器都只需极低的电流即可工作，而无需加热至高温，因此单片甲烷气体检测器的测温元件与环境温度检测器的功耗都极低；并且，在使用时，单片甲烷气体检测器位于单片高温加热器的下方，这也有助于降低高温加热器的加热元件的功耗；上述的综合措施使本实用新型的甲烷传感器的整体功耗得以大幅降低；

5、本实用新型的单片高温加热器的加热元件、单片甲烷气体检测器的测温元件、环境温度检测器的测量电阻都是硅材料，使得加工工艺统一、简单、成本较低；

6、本实用新型的单片高温加热器的加热元件、单片甲烷气体检测器的测温元件都是采用性能稳定的单晶硅加工得到，这使本实用新型的甲烷传感器在高温工作状态下具有良好的稳定性与长的寿命；这是因为单晶硅不存在铂、钨等金属加热材料在500摄氏度以上的高温容易挥发、迁移等缺点、也不存在多晶硅电阻在高温下晶界电阻易于变化、无法掌控的缺点；同时，在本实用新型的单片高温加热器的加热元件、单片甲烷气体检测器的测温元件及环境温度检测器的测量电阻的外表面设置的钝化层也降低了外界环境对上述元器件的影响，从而进一步提高了本实用新型的甲烷传感器性能的稳定性；

7、本实用新型的微型甲烷传感器的单片高温加热器的加热元件、单片甲烷气体检测器的测温元件及环境温度检测器实现了结构上的独立，不再受传统的单一元件加热与测温功能复用的限制，可以单独调控加热元件、同时单独对测温元件进行检测，加热与测温不存在耦合，从而可对加热元件与测温元件分别进行精确的调控，这使本实用新型的甲烷传感器可具有多种工作模式，且使调控配置简单、灵活，继而提高甲烷传感器的智能化水平及传感性能；

8、本实用新型的环境温度检测器用于独立检测环境温度，这为本实用新型的甲烷检测提供了与加热元件、测温元件距离最近、最真实的温度数据，有利于温度补偿特性的提高、同时也为甲烷传感器智能化提供了良好基础；

优点：本实用新型的一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器，只使用一个高温加热元件，整体功耗低；设置的测温元件具有更大的受热面积，使灵敏度得到更高；具有更长的使用寿命；易于进行温度补偿；可批量校准；能够满足煤矿井下环境物联网单兵装备对高性能甲烷传感器的需求。

附图说明

图1(a)为本实用新型的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器的单片高温加热器结构示意图。

图1(b)为本实用新型的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器的单片甲烷气体检测器结构示意图。

图2为图1中的A-A截面剖视图，即单片甲烷气体检测器的固定端B的结构示意图。

图3为本实用新型的单片高温加热器的高温加热单元采用多个加热条并联的结构形式的俯视示意图。

图4为本实用新型的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器的倒装焊封装制的顺序示意图。

图5为使用本实用新型的基于倒装焊封装的微型甲烷传感器时的放置示意图。

图6本实用新型的单片高温加热器的加热元件的电流-电阻特性曲线。

图中：1-单片高温加热器，2-甲烷气体检测器，3-环境温度检测器，11-硅衬底，12-埋层氧化硅，21-硅层，22-金属层，23-氧化硅层，24-掺杂硅层，25-钝化保护层，101-支座A，102-固定端A，103-加热元件，104-电极引出端，105-支撑端，106-键合固定端A，201-支座B，202-固定端B，203-测温元件，204-键合支撑端B，500-金属凸点，1031-高温加热单元，1032-硅悬臂，1041-电极端，2031-测温单元，2032-支撑臂，2033-连接臂。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一个实施例作进一步的描述：

如图1(a)图1(b)、图2、图3中，该微型甲烷传感器包括所示单片高温加热器、单片甲烷气体检测器和环境温度检测器；

所述单片高温加热器1包括：支座A 101、加热元件103、2个固定端A 102、2个键合固定端A106、多个电极引出端104、多个支撑端105；

所述单片甲烷气体检测器2包括支座B 201、测温元件203、2个固定端B 202、若干键合支撑端204；

所述环境温度检测器3包括两个电极端1041及测量电阻32；所述环境温度检测器3设在单片高温加热器1的支座A 101上，或单片甲烷气体检测器2的支座B 201上，或在单片高温加热器1的支座A 101与单片甲烷气体检测器2的支座B 201上都设置有环境温度检测器3；

所述支座A 101与支座B 201都包括硅衬底11与硅衬底11之上的埋层氧化硅12；

所述固定端A 102、键合固定端A106、支撑端105、电极引出端104与电极端1041均相互独立的设在支座A 101上的埋层氧化硅12上；固定端A 102及电极端1041均由硅层21加工而成，并在硅层21上设有氧化硅层23、在氧化硅层23上设有金属层22；所述固定端A 102及电极端1041的硅层21内均设有掺杂硅层24，金属层22均通过氧化硅层23的窗口与掺杂硅层24直接接触并构成欧姆接触；键合固定端A106、电极引出端104与支撑端105均由硅层21加工而成，并在硅层21上设有氧化硅层23，在氧化硅层23上设有金属层22；加热元件103同样由硅层21加工而成，并在硅层21的外表面设有钝化保护层25；所述加热元件103设有高温加热单元1031、两个对称设置的硅悬臂1032；所述高温加热单元1031为圆环状，或为如图3所示多个加热条1013的并联；所述硅悬臂1032的长度大于300um；所述单个的硅悬臂1032的一端与高温加热单元1031相连，另一端与支座A101上的一个固定端A102相连；电极引出端104也设在支座A 101的埋层氧化硅12上；每个键合固定端A106、固定端A 102均与一个对应的电极引出端104的一端相连，尤其是金属层22是相连接的；电极引出端104远离固定端A 102和键合固定端A106，其间距离应使单片甲烷气体检测器2倒装焊在单片高温加热单元上1之后，电极引出端104与电极端1041不被单片甲烷气体检测器2遮挡，在电极引出端104和电极端1041上可以向外进行引线键合；在键合固定端A106、支撑端105的金属层22上设有高度相同的金属凸块500；2个键合固定端A106与2个固定端A 102并排间隔布置，排列顺序分别为一个键合固定端A106、一个固定端A102、另一个固定端A 102、另一个键合固定端A106；

如图1(b)所述测温元件203设有测温单元2031、两个对称设置的连接臂2033，2个对称设置的支撑臂2032；所述测温单元2031、连接臂2033、支撑臂2032、固定端B 202依次相连；所述测温单元2031与单片高温加热器1的高温加热单元1031结构形状相同，尺寸稍大；所述键合支撑端204、固定端B 202均相互独立的设在支座B 201上的埋层氧化硅12上；若在支座B 201上设有环境温度检测器3，则环境温度检测器3与固定端B 202及若干键合支撑端204相互独立、不存在硅层21上的连接；所述键合支撑端204、固定端B 202均由硅层21加工而成，均包括硅层21、设在硅层21外的氧化硅层23、设在氧化硅层23上的金属层22；固定端B 202的硅层21内设有掺杂硅层24，金属层22通过氧化硅层23的窗口与固定端B 202的掺杂硅层24直接接触构成欧姆接触；测温元件203由硅层21加工而成，并在硅层21的外表面设有钝化保护层25，悬在空气中的测温元件203通过固定端B 202固定在支座B 201上的埋层氧化硅12上，两个固定端B 202构成测温元件203的电通路的两个端子；

单片甲烷气体检测器2的正面与单片高温加热器1的正面平行相对，对准后通过金属凸点500的金属键合实现二者的紧密固定与电连接；对准后的单片甲烷气体检测器2在单片高温加热器1上的投影特征为：单片甲烷气体检测器2的2个固定端B 202分别与单片高温加热器1的2个键合固定端A106重合，单片甲烷气体检测器2的键合支撑端204分别与单片高温加热器1对应的支撑端105重合，测温单元2031的中心与单片高温加热器1的高温加热单元1031的中心重合，二者的中心到各自的支座具有相同的距离；单片甲烷气体检测器2与单片高温加热器1通过金属凸点500金属键合固定后，测温单元2031与单片高温加热器1的高温加热单元1031之间的距离范围为3至200um；单片甲烷气体检测器2的测温元件203通过两个固定端B 202、单片高温加热器1的两个键合固定端A106及其上的金属凸点500、与键合固定端A106相连接的两个电极引出端104在单片高温加热器1上构成一个二端子器件，在所述的与键合固定端A106相连接的两个电极引出端104上进行引线键合可实现与外部电路的连接。

一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器的应用方法，使用时如图5所示，使单片甲烷气体检测器2位于单片高温加热器上1的下方。给单片甲烷气体检测器2与环境温度检测器3通以微弱电流不使测温元件203与测量电阻32发热；而给单片高温加热器1通电后则使加热元件103加热至500℃以上的高温，使加热元件103工作在如图6所示的电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域，所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；加热元件103的功耗在100mW左右；当没有甲烷气体时，单片甲烷气体检测器2的测温元件203受加热元件103的加热高温影响温度升高，电阻增大；而当甲烷气体出现时及浓度增加时，加热元件103的温度降低，测温元件203受其影响温度也降低，导致自身电阻的降低，于是通过电学检测的方法可以检测甲烷的出现及甲烷浓度变化；环境温度检测器3独立探测本实用新型微型甲烷传感器的片上温度用于甲烷浓度数据的温度补偿。

Claims (1)

1.一种基于倒装焊封装的微型甲烷传感器，其特征在于：它括单片高温加热器（1）、单片甲烷气体检测器（2）和环境温度检测器（3）； 

所述单片高温加热器（1）包括：支座A（101）、加热元件（103）、2个固定端A（102）、2个键合固定端A（106）、多个电极引出端（104）、多个支撑端（105）；

所述单片甲烷气体检测器（2）包括支座B（201）、测温元件（203）、2个固定端B（202）、若干键合支撑端（204）；

所述环境温度检测器（3）包括两个电极端（1041）及测量电阻（32）；所述环境温度检测器（3）设在单片高温加热器（1）的支座A（101）上，或单片甲烷气体检测器（2）的支座B（201）上，或在单片高温加热器（1）的支座A（101）与单片甲烷气体检测器（2）的支座B（201）上都设置有环境温度检测器（3）； 

所述支座A（101）与支座B（201）都包括硅衬底（11）与硅衬底（11）之上的埋层氧化硅（12）；

所述固定端A（102）、键合固定端A（106）、支撑端（105）、电极引出端（104）与电极端（1041）均相互独立的设在支座A（101）上的埋层氧化硅（12）上；固定端A（102）及电极端（1041）均由硅层（21）加工而成，并在硅层（21）上设有氧化硅层（23）、在氧化硅层（23）上设有金属层（22）；所述固定端A（102）及电极端（1041）的硅层（21）内均设有掺杂硅层（24），金属层（22）均通过氧化硅层（23）的窗口与掺杂硅层（24）直接接触并构成欧姆接触；键合固定端A（106）、电极引出端（104）与支撑端（105）均由硅层（21）加工而成，并在硅层（21）上设有氧化硅层（23），在氧化硅层（23）上设有金属层（22）；加热元件（103）同样由硅层（21）加工而成，并在硅层（21）的外表面设有钝化保护层（25）；所述加热元件（103）设有高温加热单元（1031）、两个对称设置的硅悬臂（1032）；所述高温加热单元（1031）为圆环状，或多个加热条的并联；所述硅悬臂（1032）的长度大于300um；所述单个的硅悬臂（1032）的一端与高温加热单元（1031）相连，另一端与支座A（101）上的一个固定端A（102）相连；电极引出端（104）也设在支座A（101）的埋层氧化硅（12）上；每个键合固定端A（106）、固定端A（102）均与一个对应的电极引出端（104）的一端相连，尤其是金属层（22）是相连接的；电极引出端（104）远离固定端A（102）和键合固定端A（106），其间距离应使单片甲烷气体检测器（2）倒装焊在单片高温加热单元上（1）之后，电极引出端（104）与电极端（1041）不被单片甲烷气体检测器（2）遮挡，在电极引出端（104）和电极端（1041）上可以向外进行引线键合；在键合固定端A（106）、支撑端（105）的金属层（22）上设有高度相同的金属凸块（500）；2个键合固定端A（106）与2个固定端A（102）并排间隔布置，排列顺序分别为一个键合固定端A（106）、一个固定端A（102）、另一个固定端A（102）、另一个键合固定端A（106）；  

所述测温元件（203）设有测温单元（2031）、两个对称设置的连接臂（2033），2个对称设置的支撑臂（2032）；所述测温单元（2031）、连接臂（2033）、支撑臂（2032）、固定端B（202）依次相连；所述测温单元（2031）与单片高温加热器（1）的高温加热单元（1031）结构形状相同，尺寸稍大；所述键合支撑端（204）、固定端B（202）均相互独立的设在支座B（201）上的埋层氧化硅（12）上；若在支座B（201）上设有环境温度检测器（3），则环境温度检测器（3）与固定端B（202）及若干键合支撑端（204）相互独立、不存在硅层（21）上的连接；所述键合支撑端（204）、固定端B（202）均由硅层（21）加工而成，均包括硅层（21）、设在硅层（21）外的氧化硅层（23）、设在氧化硅层（23）上的金属层（22）；固定端B（202）的硅层（21）内设有掺杂硅层（24），金属层（22）通过氧化硅层（23）的窗口与固定端B（202）的掺杂硅层（24）直接接触构成欧姆接触；测温元件（203）由硅层（21）加工而成，并在硅层（21）的外表面设有钝化保护层（25），悬在空气中的测温元件（203）通过固定端B（202）固定在支座B（201）上的埋层氧化硅（12）上，两个固定端B（202）构成测温元件（203）的电通路的两个端子；

单片甲烷气体检测器（2）的正面与单片高温加热器（1）的正面平行相对，对准后通过金属凸点（500）的金属键合实现二者的紧密固定与电连接；对准后的单片甲烷气体检测器（2）在单片高温加热器（1）上的投影特征为：单片甲烷气体检测器（2）的2个固定端B（202）分别与单片高温加热器（1）的2个键合固定端A（106）重合，单片甲烷气体检测器（2）的键合支撑端（204）分别与单片高温加热器（1）对应的支撑端（105）重合，测温单元（2031）的中心与单片高温加热器（1）的高温加热单元（1031）的中心重合，二者的中心到各自的支座具有相同的距离；单片甲烷气体检测器（2）与单片高温加热器（1）通过金属凸点（500）金属键合固定后，测温单元（2031）与单片高温加热器（1）的高温加热单元（1031）之间的距离的距离范围为3至200um；单片甲烷气体检测器（2）的测温元件（203）通过两个固定端B（202）、单片高温加热器（1）的两个键合固定端A（106）及其上的金属凸点（500）、与键合固定端A（106）相连接的两个电极引出端（104）在单片高温加热器（1）上构成一个二端子器件，在所述的与键合固定端A（106）相连接的两个电极引出端（104）上进行引线键合可实现与外部电路的连接。