CN205066789U - 传感器芯片和传感器芯体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种传感器芯片和传感器芯体，涉及传感器技术领域。其中，所述传感器芯片的衬底的底面键合有绝缘层。本实用新型的传感器芯片由于在衬底的底面键合有一层绝缘层，因此，可以解决传感器芯片漏电的问题，另外，在将传感器芯片封装为传感器芯体时，无需额外增加陶瓷基板，可以直接将传感器芯片粘结在基座上，节省了粘结陶瓷基板的步骤，降低了封装难度，提高了传感器芯片封装的一致性和可靠性，并且降低了封装应力。

Description

传感器芯片和传感器芯体

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是一种传感器芯片和传感器芯体。

背景技术

目前，微机电系统(MEMS)压力传感器有两种结构：衬底是玻璃的硅-玻结构和衬底是硅的硅-硅结构。随着应用需求的不断提高，常规的硅-玻结构的压力传感器已经满足不了应用要求，而硅-硅结构压力传感器凭借其高精度、高稳定性、高可靠性等特点，已经成为压力传感器发展的主流。

硅-硅结构的压力传感器芯片在封装成压力传感器芯体时，由于其衬底是单晶硅材料，很容易漏电，从而导致压力传感器芯体失效。虽然有些芯片在完成加工后，会通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式在衬底上沉积一层氧化层，但是由于工艺条件的限制，所沉积的氧化层很薄，压力传感器芯体仍会存在漏电现象。

现有技术中解决压力传感器芯体漏电的问题的方法是在压力传感器芯片和基座之间通过手工操作增加一层陶瓷基板，相当于在压力传感器芯片下再增加一个衬底。这样虽然解决了芯片漏电的问题，但是本实用新型的发明人发现这种方法至少具有以下缺点：

一是多了一道粘片工艺，增加了封装的难度；

二是手工增加陶瓷基板的方式会造成封装一致性、可靠性的下降；

三是在粘结陶瓷基板时会引入很大的封装应力，降低了压力传感器芯片的性能。

类似地，其他硅-硅结构的传感器芯片在封装时也会存在上述问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的其中一个技术问题是：提出一种传感器芯片、和传感器芯体，以使得既能解决传感器芯片的漏电问题，又能降低在传感器芯片中引入的封装应力。

根据本实用新型的一方面，提供一种传感器芯片，所述传感器芯片的衬底的底面键合有绝缘层。

在一个实施例中，所述绝缘层是通过阳极键合工艺与所述衬底键合在一起的。

在一个实施例中，所述绝缘层与所述衬底键合的表面具有应力消除结构。

在一个实施例中，所述应力消除结构为环形、方形、十字形、或X形的凹陷。

在一个实施例中，所述衬底为硅衬底；或，所述绝缘层为玻璃层。

在一个实施例中，所述传感器芯片为MEMS压力传感器芯片；所述MEMS压力传感器芯片包括：所述衬底，所述衬底的顶部具有空腔；在所述衬底上的敏感膜；在所述敏感膜中的敏感元件；在所述敏感膜和所述敏感元件上的钝化层。

在一个实施例中，所述压力传感器芯片还包括：与所述敏感元件连接的金属引线。

在一个实施例中，所述传感器芯片为温度传感器芯片、湿度传感器芯片、陀螺仪传感器芯片或麦克风传感器芯片。

根据本实用新型的另一方面，提供一种传感器芯片，所述传感器芯片的衬底的底面具有绝缘层，所述绝缘层与衬底接触的表面具有应力消除结构。

在一个实施例中，所述应力消除结构为环形、方形、十字形、或X形的凹陷。

根据本实用新型的又一方面，提供一种传感器芯片的制造方法，包括：提供包括衬底的初始传感器芯片；在所述衬底的底面键合绝缘层，以形成传感器芯片。

在一个实施例中，通过阳极键合工艺在所述衬底的底面键合绝缘层。

在一个实施例中，所述绝缘层与所述衬底键合的表面具有应力消除结构。

在一个实施例中，所述应力消除结构为环形、方形、十字形、X形的凹陷。

在一个实施例中，所述衬底为硅衬底；或所述绝缘层为玻璃层。

在一个实施例中，所述传感器芯片为MEMS压力传感器芯片；所述MEMS压力传感器芯片包括：所述衬底，所述衬底的顶部具有空腔；在所述衬底上的敏感膜；在所述敏感膜中的敏感元件；在所述敏感膜和所述敏感元件上的钝化层。

在一个实施例中，所述MEMS压力传感器芯片还包括：与所述敏感元件连接的金属引线。

在一个实施例中，所述传感器芯片为温度传感器芯片、湿度传感器芯片、陀螺仪传感器芯片或麦克风传感器芯片。

根据本实用新型的再一方面，提供一种传感器芯体，包括：基座；传感器芯片，粘结在所述基座上；其中，所述传感器芯片是上述任意一个实施例所述的传感器芯片。

在一个实施例中，所述传感器芯片通过点涂在所述基座上的凝胶粘结在所述基座上。

在一个实施例中，所述凝胶包括四点，四点凝胶成2×2阵列分布；或所述凝胶包括五点，其中的四点凝胶成2×2阵列分布，另一点凝胶位于2×2的阵列的中心处；或所述凝胶包括六点，六点凝胶成2×3阵列分布；或所述凝胶为条状凝胶，包括一条或两条凝胶，位于传感器芯片的绝缘层的边缘处对应的基座上。

根据本实用新型的还一方面，提供一种传感器芯片的封装方法，包括：提供上述任意一个实施例所述的传感器芯片；将所述传感器芯片粘结在基座上。

在一个实施例中，在所述基座上点涂凝胶，以将所述传感器芯片粘结在基座上。

在一个实施例中，所述凝胶包括四点，四点凝胶成2×2阵列分布；或所述凝胶包括五点，其中的四点凝胶成2×2阵列分布，另一点凝胶位于2×2的阵列的中心处；或所述凝胶包括六点，六点凝胶成2×3阵列分布；或所述凝胶为条状凝胶，包括一条或两条凝胶，位于传感器芯片的底面的边缘处对应的基座上。

本实用新型实施例至少具有如下有益效果：

一方面，传感器芯片由于在衬底的底面键合有一层绝缘层，因此，可以解决传感器芯片漏电的问题，另外，在将传感器芯片封装为传感器芯体时，无需额外增加陶瓷基板，可以直接将传感器芯片粘结在基座上，节省了粘结陶瓷基板的步骤，降低了封装难度，提高了传感器芯片封装的一致性和可靠性，并且降低了封装应力，保证了传感器的性能。

另一方面，绝缘层上设置有应力消除结构，进一步减小了在传感器芯片中引入的应力；

再一方面，通过低应力点胶法(例如四点、五点、六点或条状点胶法)将传感器芯片粘结在基座上，可以进一步减小在传感器芯片中引入的封装应力。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片的结构示意图；

图2是根据本实用新型的另一个实施例的传感器芯片的结构示意图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯体的结构示意图；

图4示出了现有技术中的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图；

图5是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图；

图6是根据本实用新型的另一个实施例的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图；

图7是根据本实用新型的又一个实施例的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图；

图8是根据本实用新型的再一个实施例的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图；

图9是根据本实用新型的还一个实施例的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图；

图10是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片的制造方法的示意图；

图11是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片的封装方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

现有的硅-硅结构的传感器芯片(裸芯片)由于厚度较小，在将传感器芯片封装时必须在芯片和基座之间，再增加一个衬底，例如通常采用陶瓷基板，而这会增加封装的难度，造成封装一致性、可靠性的下降，并且粘结陶瓷基板时会引入很大的封装应力，降低了传感器芯片的性能。

本实用新型提出一种新颖的传感器芯片，该传感器芯片包括作为下部结构的衬底和在衬底上的上部结构，其中，衬底的底面键合有绝缘层。这里，对于不同的传感器芯片来说，上部结构可能也不相同，但在衬底的底面均键合有绝缘层。优选地，该绝缘层是通过阳极键合工艺与衬底键合在一起的。作为一个非限制性示例，阳极键合工艺可以通过如下方式来进行：将衬底接电源正极，绝缘层接电源负极，然后将衬底和绝缘层加热到300-500℃。在500-1000V的电压作用下，绝缘层中的阳离子(例如钠例子)将向负极方向漂移，在紧邻衬底的绝缘层表面形成耗尽层，耗尽层宽度约为几微米。耗尽层带有负电荷，衬底带正电荷，衬底和绝缘层之间存在较大的静电引力，使二者紧密接触。在加热和加压条件下，绝缘层中的阳离子与衬底在紧密接触的界面会发生化学反应，形成牢固的化学键(例如，Si-O-Si化学键)，从而在衬底和绝缘层接触的界面形成了良好的封接。

阳极键合工艺键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好，并且不用任何粘结剂即可以使得绝缘层与衬底之间依靠静电结合在一起，降低了在传感器芯片中引入的应力。

优选地，传感器芯片的衬底为硅衬底；更优选地，为单晶硅衬底。然而，本实用新型并不限于此，上述衬底也可以是其他半导体材料的衬底。

本实用新型的传感器芯片由于在衬底的底面键合有一层绝缘层，因此，可以解决传感器芯片漏电的问题，另外，在将传感器芯片封装为传感器芯体时，无需额外增加陶瓷基板，可以直接将传感器芯片粘结在基座上，节省了粘结陶瓷基板的步骤，降低了封装难度，提高了传感器芯片封装的一致性和可靠性，并且降低了封装应力。

需要说明的是，除非特别指出，否则本文中提及的术语“芯片“均表示未经封装的裸芯片，“芯体”表示将芯片封装后的结构。

作为一个优选实施例，在衬底的底面键合的绝缘层可以为硼硅酸盐玻璃，例如Pyrex7740玻璃、BF33玻璃、GG-17号玻璃、95号玻璃等；或者可以为微晶玻璃。在衬底为硅衬底时，由于上述玻璃与硅衬底的材料属性相近，尤其二者的热膨胀系数相近，因此在将二者键合时，不会在硅衬底和玻璃中产生较大的应力，从而可以进一步降低在传感器芯片中引入的应力。另外，绝缘层的厚度可以根据实际情况进行调整。作为一个非限制性示例，绝缘层的厚度范围可以是约200μm至约800μm，例如200μm、300μm、500μm、600μm、800μm等等。

本实用新型提供的传感器芯片包括但不限于压力传感器芯片、温度传感器芯片、湿度传感器芯片、陀螺仪传感器芯片或麦克风传感器芯片。下面以压力传感器芯片为例对本实用新型的传感器芯片进行说明。

图1是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片的结构示意图，本实施例中的传感器芯片为微机电系统(MEMS)压力传感器芯片。如图1所示，MEMS压力传感器芯片包括：衬底101，衬底101的顶部具有空腔111，该空腔111的形状可以示例性地为梯形；在衬底101的底面键合的绝缘层102，例如为玻璃层；在衬底101上的敏感膜103，例如为单晶硅；在敏感膜103中的敏感元件104，例如为压敏电阻；以及在敏感膜103和敏感元件104上的钝化层105，例如为硅的氧化层，典型地为二氧化硅层。

这里，衬底101作为传感器芯片的下部结构，敏感膜103、敏感元件104和钝化层105作为传感器芯片的上部结构。对于MEMS压力传感器芯片来说，上部结构并不限于这里示出的形式，例如上部结构可以省略这里示出的某些元件或者也可以包括一些其他的元件。

可选地，如图1所示，MEMS压力传感器芯片还可以包括：与敏感元件104连接的金属引线106。

图2是根据本实用新型的另一个实施例的传感器芯片的结构示意图。如图2所示，本实施例中的绝缘层102与衬底101键合的表面具有应力消除结构201。该应力消除结构201的设置可以更进一步减小在传感器芯片中引入的应力，以提升传感器芯片的性能。

作为一个非限制性示例，如图2所示，应力消除结构201可以是在在绝缘层102的表面加工的凹陷，该凹陷的存在一方面减小了绝缘层102与衬底101的接触面积，减小了接触应力；另一方面，也有利于应力的释放。示例性地，凹陷的形状可以是例如环形、方形、十字形、或X形。然而，应理解，这里所列举的凹陷的形状并不作为对本实用新型的限制，凹陷的形状也可以是其他的形状。此外，凹陷在绝缘层上的位置可以根据实际情况来设定，例如，可以在芯片的敏感区域下方的绝缘层上设置凹陷。

需要指出的是，尽管以MEMS压力传感器芯片为例示出了应力消除结构及其示例性的实现方式，但是应明白，应力消除结构同样适用于其他类型的传感器芯片，在此不再赘述。

在本实用新型传感器芯片的另一个实施例中，传感器芯片的衬底的底面可以具有绝缘层，该绝缘层与衬底接触的表面具有应力消除结构。与上面的描述类似地，这里的应力消除结构可以是如图2所示的应力消除结构201。进一步地，应力消除结构可以是环形、方形、十字形、或X形的凹陷。

本实用新型的传感器芯片可以封装成传感器芯体，在传感器芯体的一个实施例中，传感器芯体可以包括基座和上述任意一个实施例所述的传感器芯片。其中，传感器芯片粘结在基座上。

本实施例的传感器芯体，由于传感器芯片的衬底的底面键合有一层绝缘层，解决了传感器芯片漏电的问题，另外，传感器芯片直接粘结在基座上，没有额外增加的陶瓷基板，降低了封装应力。

图3是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯体的结构示意图，该实施例中的传感器芯体包括MEMS压力传感器芯片301和基座302。如图3所示，MEMS压力传感器芯片301粘结在基座302上。

具体地，基座302可以设置有空腔，MEMS压力传感器芯片301可以粘结在空腔的底面上。空腔里填充有硅油303，硅油303可以通过基座的注油孔来填充。空腔的顶部设置有波纹片304。示例性地，波纹片304可以是不锈钢材料。MEMS压力传感器芯片301可以通过金丝引线305和引线306相连，其中，金丝引线305分别连接MEMS压力传感器芯片301的金属引线和引线306。另外，引线306的周围可以设置有玻璃绝缘子307，以起到绝缘保护的作用；在空腔内的引线的周围可以设置有陶瓷座308，以起到稳定金丝引线305的作用；在基座302上还可以设置有密封圈309。

压力传感器芯体在工作时，外加压力通过波纹片304传导给硅油303，继而传导给MEMS压力传感器芯片301中的敏感膜，敏感膜发生形变，引起敏感元件通过金丝引线305和引线306输出相应的信号。

在本实用新型传感器芯体的另一个实施例中，传感器芯片可以通过点涂在基座上的的凝胶粘结在基座上。通过减小绝缘层和基座之间的粘结面积，可以进一步减小在传感器芯片中引入的应力。

图4示出了现有技术中的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图。如图4所示，在基座上大面积涂敷凝胶，芯片的整个底面均与基座粘结，这种方式会在传感器芯片中引入很大的应力。

图5-图9示出了根据本实用新型的一些实施例的传感器芯片与基座的粘结方法的示意图。下面结合图5-图9分别进行介绍。

如图5所示，可以通过四点点胶法将传感器芯片与基座粘结。本实施例中，施加的凝胶可以包括四点，四点凝胶成2×2阵列分布。例如，四点凝胶分别位于传感器芯片的底面的四个角的位置处。

如图6所示，可以通过五点点胶法将传感器芯片与基座粘结。本实施例中，施加的凝胶可以包括五点，其中的四点凝胶成2×2阵列分布，另一点凝胶位于2×2的阵列的中心处。

如图7所示，可以通过六点点胶法将传感器芯片与基座粘结。本实施例中，施加的凝胶可以包括六点，六点凝胶成2×3阵列分布。

如图8和图9所示，可以通过条状点胶法将传感器芯片与基座粘结。在这两个实施例中，施加的凝胶均为条状凝胶，可以包括一条凝胶(如图8所示)或两条凝胶(如图9所示)，条状凝胶可以位于传感器芯片的绝缘层的边缘处。

本领域技术人员明白，上述四点、五点、六点或条状点胶法均是示例性的，可以采用其他形式的点胶法将传感器芯片与基座粘结，只要减小二者之间的粘结面积，即可减小在传感器芯片中引入的应力。

与传感器芯片和传感器芯体对应的，本实用新型还提供了一种传感器芯片的制造方法和一种传感器芯片的封装方法，下面将分别进行说明。

图10是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片的制造方法的示意图。如图10所示，包括：

步骤1002，提供包括衬底的初始传感器芯片。

其中，衬底优选为硅衬底；更优选为单晶硅衬底。初始传感器芯片除了包括衬底，还包括衬底上的上部结构。

步骤1004，在衬底的底面键合绝缘层，以形成传感器芯片。

优选地，通过阳极键合工艺在衬底的底面键合绝缘层。绝缘层优选为玻璃层。阳极键合工艺可以参照上面的描述，在此不再赘述。

根据本实用新型的另一个实施例，绝缘层与衬底键合的表面具有应力消除结构。应力消除结构例如可以是环形、方形、十字形、X形的凹陷。

根据上述方法所形成的传感器芯片包括但不限于压力传感器芯片、温度传感器芯片、湿度传感器芯片、陀螺仪传感器芯片或麦克风传感器芯片。

图11是根据本实用新型的一个实施例的传感器芯片的封装方法的示意图。如图11所示，包括：

步骤1102，提供上述任意一个实施例所述的传感器芯片。

提供传感器芯片的方法可以是上述任意一个实施例所述的传感器芯片的制造方法。

步骤1104，将传感器芯片粘结在基座上。

优选地，通过在基座上点涂凝胶，即，通过点胶法在基座放置传感器芯片的区域上施加凝胶，以将传感器芯片粘结在基座上。具体施加凝胶的方式可以参照图5-图9的描述。

根据本实用新型的另一个实施例，在执行步骤1104之前，可以对基座进行清洗。

根据本实用新型的又一个实施例，传感器芯片为MEMS压力传感器芯片，传感器芯片的封装方法还可以包括：将金丝引线通过金丝球焊工艺与MEMS压力传感器芯片和引线相连，引出压力传感器的电极；将波纹片焊接在基座上；真空填充硅油，最后，封注油孔。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (13)

1.一种传感器芯片，其特征在于，包括：作为下部结构的衬底，在所述衬底上的上部结构，以及在所述传感器芯片的衬底的底面键合的绝缘层。

2.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，所述绝缘层是通过阳极键合工艺与所述衬底键合在一起的。

3.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，所述绝缘层与所述衬底键合的表面具有应力消除结构。

4.根据权利要求3所述的传感器芯片，其特征在于，所述应力消除结构为环形、方形、十字形、或X形的凹陷。

5.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，

所述衬底为硅衬底；或

所述绝缘层为玻璃层。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片为MEMS压力传感器芯片；

所述MEMS压力传感器芯片包括：

所述衬底，所述衬底的顶部具有空腔；

所述上部结构包括：

在所述衬底上的敏感膜；

在所述敏感膜中的敏感元件；

在所述敏感膜和所述敏感元件上的钝化层。

7.根据权利要求6所述的传感器芯片，其特征在于，所述压力传感器芯片还包括：与所述敏感元件连接的金属引线。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片为温度传感器芯片、湿度传感器芯片、陀螺仪传感器芯片或麦克风传感器芯片。

9.一种传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片的衬底的底面具有绝缘层，所述绝缘层与衬底接触的表面具有应力消除结构。

10.根据权利要求9所述的传感器芯片，其特征在于，所述应力消除结构为环形、方形、十字形、或X形的凹陷。

11.一种传感器芯体，其特征在于，包括：

基座；

传感器芯片，粘结在所述基座上；

其中，所述传感器芯片是权利要求1-8、9或10中任意一项所述的传感器芯片。

12.根据权利要求11所述的传感器芯体，其特征在于，所述传感器芯片通过点涂在所述基座上的凝胶粘结在所述基座上。

13.根据权利要求12所述的传感器芯体，其特征在于，

所述凝胶包括四点，四点凝胶成2×2阵列分布；或

所述凝胶包括五点，其中的四点凝胶成2×2阵列分布，另一点凝胶位于2×2的阵列的中心处；或

所述凝胶包括六点，六点凝胶成2×3阵列分布；或

所述凝胶为条状凝胶，包括一条或两条凝胶，位于传感器芯片的绝缘层的边缘处对应的基座上。