CN209841755U - 一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于气敏传感器制造技术领域，并公开了一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件。包括多孔保护网罩、陶瓷微热板气敏阵列芯片、垫高环和半导体管壳；陶瓷微热板气敏阵列芯片设于所述多孔隙保护网罩下方，其与垫高环的一侧固定连接；半导体管壳与所述垫高环的另一侧固定连接，且所述陶瓷微热板气敏阵列芯片通过引线与所述焊盘连接。本实用新型既能使陶瓷微热板气敏阵列芯片中的气敏膜充分接触到气氛，又使器件具有一定的机械性能，有效避免了硅片在热冲击过程中因应力累积而发生破裂等问题，提高了产品的稳定性和可靠性，使得器件能广泛地应用在各种场合。
Description
技术领域
本实用新型属于气敏传感器制造技术领域，更具体地，涉及一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件。
背景技术
基于硅微加工技术的微热板(Micro Hot Plate,MHP)是微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)中常用的加热平台，已广泛用于微型气体传感器，薄膜量热卡计、微加速度计以及气压计等微器件。微热板的基本结构包括悬空介质薄膜以及电阻条。当电流通过电阻条时，电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板，另外一部分以传导、对流和辐射的方式耗散于周围环境中悬空结构，使微热板具有非常小的热惯性和非常高的电热耦合效率，毫瓦级热功率就能使其中心温区在几毫秒内迅速升温。因此微热板具有非常快的热响应时间和较低的热功耗。
基于MEMS方法制造气敏微热板结构器件，可以减小传感器的尺寸，降低器件功耗。目前基于MEMS技术制备的硅基微热板加工工艺主要有背面体硅加工、正面体硅加工和表面加工三种，主要工艺流程是采用化学气相沉积工艺在硅片基底上沉积一定厚度的氮化硅薄膜和氧化硅薄膜，再采用物理气相沉积工艺制备图形化的电阻加热膜，然后采用深硅刻蚀工艺将氮化硅和氧化硅薄膜下面的硅片基底刻蚀掉，使得氮化硅和氧化硅薄膜悬空，得到绝热性能良好的微热板。
通过上述分析可知，现有技术微热板的制备方法存在以下问题：(1)硅片容易在热冲击过程中累积应力而破裂，导致产品稳定性和可靠性较差；(2)常用电极材料Au、Pt在0～100℃的热膨胀系数分别14.2×10-6/K和9.0×10-6/K，硅片的热膨胀系数为：2.5×10-6/K(27℃)，因此电极和敏感膜热膨胀系数与硅片相差较大，在反复热冲击中容易脱落；(3)采用共面叠层式制造加热电极和敏感膜，加热电极与敏感膜中间没有温度缓冲，容易导致温度不均匀。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，既能使陶瓷微热板气敏阵列芯片中测温电极和测温电阻的气敏膜充分接触到气氛，且相互功能不干扰，又使器件具有一定的机械性能，有效避免了硅片在热冲击过程中因应力累积而发生破裂等问题，提高了产品的稳定性和可靠性，使得器件能广泛地应用在各种场合。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，包括多孔保护网罩、陶瓷微热板气敏阵列芯片、垫高环和半导体管壳；其中，
所述陶瓷微热板气敏阵列芯片设于所述多孔隙保护网罩下方，其与所述垫高环的一侧固定连接；
所述半导体管壳与所述垫高环的另一侧固定连接，所述半导体管壳的内侧设置有焊盘，且所述陶瓷微热板气敏阵列芯片通过引线与所述焊盘连接。
进一步的，所述陶瓷微热板气敏阵列芯片包括n个呈阵列排布的陶瓷微热板气敏阵列单元，其中，n为不小于1的整数。
进一步的，所述陶瓷微热板气敏阵列单元包括陶瓷基片、设于所述陶瓷基片一面的测温电极及测电阻电极，设于所述陶瓷基片另一面的加热电极。
进一步的，所述测温电极与测电阻电极为叠层设置，其中，所述测温电极设置于靠近所述陶瓷基片的一侧；优选的，所述测温电极与测电阻电极之间设有绝缘层，避免短路并使得所述测温电极与测电阻电极之间功能互不影响。
进一步的，所述测温电极与测电阻电极为共面设置，其中，所述测温电极与测电阻电极位于同一平面，且互不接触。
进一步的，所述陶瓷基片的厚度为10μm-500μm，所述陶瓷基片为三氧化二铝陶瓷基片。
进一步的，所述测电阻电极包括插齿以及覆盖在所述插齿上的气敏膜，所述气敏膜为金属氧化物。
进一步的，所述陶瓷基片中间设有温度缓冲结构，用于集成所述测温电极、测电阻电极和加热电极，所述温度缓冲结构四周环绕设有镂空结构，所述镂空结构为三角形、四边形、五边形等异形镂空结构；所述三角形、四边形、五边形等异形镂空结构的顶角均为倒圆角结构。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本实用新型的微热板气敏阵列器件，既能使陶瓷微热板气敏阵列芯片中测温电极和测温电阻的气敏膜充分接触到气氛，且相互功能不干扰，又使器件具有一定的机械性能，有效避免了硅片在热冲击过程中因应力累积而发生破裂等问题，提高了产品的稳定性和可靠性，使得器件能广泛地应用在各种场合。
2.本实用新型通过使陶瓷基片上设有温度缓冲结构，且温度缓冲结构四周环绕设有镂空结构，采用该特征结构来构成微热板气敏阵列器件中芯片的陶瓷基片，并在陶瓷基片正面设置测电阻电极以及测温电极，在反面设置加热电极，这种叠层及异面布置的结构使得加热电极与测电阻电极以及测温电极是分隔开的，因此具有一定的温度缓冲，使得温度分布较为均匀。
3.本实用新型通过采用陶瓷基片作为芯片材料来制造相应器件，其陶瓷基片为三氧化二铝，与采用硅片相比，热膨胀系数进一步接近了电极的气敏膜材料(为金属氧化物)，改善了在反复热冲击下电极与气敏膜容易脱落的窘况，因此在半导体器件制造工艺中，有广泛的应用价值。
4.本实用新型的加热单元均有温度缓冲结构，且温度缓冲结构四周环绕设有镂空结构，镂空结构环绕能防止单元内热量过快散失，提高升温效率，因此很大程度地降低了功耗。
5.本实用新型的微热板气敏阵列器件，绝缘层夹在测温电极与测电阻电极之间，避免短路并使得测温电极与测电阻电极之间功能互不影响。
6.本实用新型采用测温电极、测温电阻电极以及加热电极叠层或共面布置的方式，同时，对陶瓷基片(厚度为10μm-500μm)的以及相应测温电极、测温电阻电极的厚度和宽度进行了相应的限定，使得相互结构之间的功能不受影响，加热更加均匀，同时在满足微热板气敏阵列器件的尺寸要求外，具有结构紧凑，稳定性和可靠性高等特点。
附图说明
图1为本实用新型实施例一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件的结构示意图；
图2为本实用新型实施例陶瓷微热板气敏阵列芯片正面结构示意图；
图3为本实用新型实施例陶瓷微热板气敏阵列芯片反面结构示意图；
图4为本实用新型实施例测温电极与测电阻电极叠层式陶瓷微热板气敏阵列单元正面结构示意图；
图5为本实用新型实施例测温电极与测电阻电极共面式陶瓷微热板气敏阵列单元正面结构示意图；
图6为本实用新型实施例陶瓷微热板气敏阵列单元反面结构示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-多孔保护网、2-陶瓷微热板气敏阵列芯片、3-垫高环、4-半导体管壳、201-加热电极、202-测温电极、203-测电阻电极、204-绝缘层。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实用新型的实施例一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件示意图，该阵列器件包括多孔保护网罩1、陶瓷微热板气敏阵列芯片2、垫高环3和半导体管壳4。其中，陶瓷微热板气敏阵列芯片2设于多孔隙保护网罩1下方，陶瓷微热板气敏阵列芯片2通过特定胶与垫高环3的一侧固定粘结，且陶瓷微热板气敏阵列芯片2通过用引线绑定的方式与带有焊盘的半导体管壳4相连。这种结构既能使陶瓷微热板气敏阵列芯片2中的气敏膜充分接触到气氛，又使器件具有一定的机械性能，有效避免了硅片在热冲击过程中因应力累积而发生破裂等问题，提高了产品的稳定性和可靠性，使得器件能广泛地应用在各种场合。
如图2和图3所示，陶瓷微热板气敏阵列单元包括陶瓷基片、设于所述陶瓷基片一面的测温电极202及测电阻电极203，设于所述陶瓷基片另一面的加热电极201。所述陶瓷基片中间设有温度缓冲结构，用于集成所述测温电极202、测电阻电极203和加热电极201，所述温度缓冲结构四周环绕设有镂空结构，所述镂空结构为三角形、四边形、五边形等异形结构的镂空结构；所述三角形、四边形、五边形等异形结构的镂空结构的顶角均为倒圆角结构。所述镂空结构环绕布置能防止单元内热量过快散失，提高升温效率，因此很大程度地降低了功耗。
如图2和图3所示，在本实用新型其中一个实施例中，提供一种16阵列器件的结构，正面走线中分别有测温电极202图案和测电阻电极203图案，反面则是加热电极201图案。
进一步地，如图4、图5和图6所示，本实用新型中，所述陶瓷微热板气敏阵列芯片2包括n个呈阵列排布的陶瓷微热板气敏阵列单元，其中，n为不小于1的整数。陶瓷微热板气敏阵列单元结构具体为，包括加热电极201、陶瓷基片、测电阻电极203以及测温电极202。所述测温电极202与测电阻电极203为叠层设置，其中，所述测温电极202设置于靠近所述陶瓷基片的一侧；优选的，所述测温电极202与测电阻电极203之间设有绝缘层204，避免短路并使得所述测温电极202与测电阻电极203之间功能互不影响。
测温电极202与测电阻电极203为共面设置时，其中，所述测温电极202与测电阻电极203位于同一平面，且互不接触。
所述测电阻电极203包括插齿以及覆盖在所述插齿上的气敏膜，优选的，所述气敏膜为金属氧化物。
如图4、图5和图6所示，所述陶瓷基片的厚度为10μm-500μm，优选的，所述陶瓷基片的厚度为100μm，所述陶瓷基片为三氧化二铝陶瓷基片。
综上所述，本实用新型通过使陶瓷基片具有温度缓冲结构，且温度缓冲结构四周环绕设有镂空结构，本实用新型采用特征结构来构成微热板气敏阵列器件中芯片的陶瓷基片，并在陶瓷基片正面设置测电阻电极、测温电极，在反面设置加热电极，这种结构由于加热电极与气敏膜是分隔开的，因此具有一定的温度缓冲，使得温度分布较为均匀。本实用新型通过采用陶瓷基片作为芯片材料来制造相应器件，与采用硅片相比，热膨胀系数进一步接近了电极与气敏膜材料，改善了在反复热冲击下电极与气敏膜容易脱落的窘况，因此在半导体器件制造工艺中，有广泛的应用价值。
本实用新型提供的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件的制造方法是基于激光刻蚀以及MEMS工艺，主要包括微热板气敏阵列芯片的制造方法与相应器件的封装方法。
微热板气敏阵列芯片的制造方法的主要步骤包括：首先选用一定厚度的陶瓷片作为基片，其中，所述陶瓷基片的厚度为10μm-500μm，优选的，所述陶瓷基片的厚度为100μm，然后采用光刻和溅射的方式获得正面的测温电极、测电阻电极以及反面的加热电极，接着采取激光刻蚀的方式获得所用陶瓷基片的镂空结构，然后，最后采用微喷成膜的方式使得插齿上覆盖气敏膜。
微热板气敏阵列器件的封装方法主要包括以下步骤：首先将垫高环与半导体管壳胶连，然后将陶瓷微热板气敏阵列芯片与垫高环胶连，接着以引线绑定的方式将芯片与半导体管壳相连，进而引出信号，最后将多孔保护网罩与半导体管壳结合。
具体而言，微热板气敏阵列器件的制造方法包括如下步骤：
S1在所述陶瓷基片的正面刻蚀沉积测温电极202，在所述陶瓷基片的反面刻蚀沉积加热电极201。
S2在所述测温电极202的上面或者一侧刻蚀沉积制备测温电阻电极203。
若测温电极202与所述测温电阻电极203为叠层布置，则在所述测温电极202上方制备绝缘层204，在所述绝缘层204及所述陶瓷基片的正面刻蚀插齿，并在所述插齿表面覆盖气敏膜，制备得到测温电阻电极203；
若测温电极202与所述测温电阻电极203为共面布置，则在所述测温电极202的一侧刻蚀插齿，并在所述插齿表面覆盖气敏膜，制备得到测温电阻电极203；
S3根据所述加热电极201、测温电极202以及测温电阻电极203的图案，在所述温度缓冲结构的四周刻蚀镂空结构，制备得到陶瓷微热板气敏阵列单元。
S4将n个所述陶瓷微热板气敏阵列单元阵列排布，制备得到陶瓷微热板气敏阵列芯片2，其中，n为不小于1的整数。
S5将垫高环3一侧固定在半导体管壳4上，再将所得陶瓷微热板气敏阵列芯片2固定在垫高环3的另一侧。
S6将半陶瓷微热板气敏阵列芯片2通过引线与设置有焊盘的半导体管壳4连接，引出信号。
S7将多孔保护网罩1与半导体管壳4直接插接得到微热板气敏阵列器件。
在本实用新型的一个实施例中，基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件的制造方法流程如下：
S1选用100μm的陶瓷片作为基片，采用光刻和溅射的方式获得正面的测温电极以及反面的加热电极，接着通过丝网印刷的方式获得中间的绝缘层，然后再次采用光刻和溅射的方式获得测插齿；采用微喷成膜的方式，使插齿上附着气敏膜，用于制备测电阻电极。具体而言，照匀胶100s，软烘:热板95℃、180s，曝光时间：150s，反转烘烤：热板100℃、90s，显影90s，坚膜：热板110℃、180s的参数获得正面的插齿、测温电极以及反面的加热电极图案，其中，所述测电阻电极及所述测温电极的厚度为10nm-1000nm，优选的为100nm，所述测电阻电极及所述测温电极的线宽为1μm-100μm，优选的为30μm。
(2)根据所述加热电极、测温电极以及测温电阻电极的图案，将带有电极的陶瓷基片进行激光刻蚀，采用镂空、打孔、划片的顺序加工得到图2所示的镂空结构。
(3)将n个所述陶瓷微热板气敏阵列单元阵列排布，制备得到陶瓷微热板气敏阵列芯片，其中，n为不小于1的整数。
(4)先将垫高环一面以胶连的方式固定在半导体管壳上，再将所得微热板气敏阵列芯片用胶连的方式固定在垫高环的另一侧上。
(5)将半导体芯片上的电极以引线绑定的方式与带有焊盘的半导体管壳连接，从而引出信号。
(6)将多孔保护网罩与半导体管壳直接插接得到微热板气敏阵列器件。
本实用新型提供了基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件的制造方法，实现了陶瓷基片的激光刻蚀，实现了正面完成测温测电阻、反面进行加热的功能，实现了陶瓷微热板气敏阵列器件的批量生产。在半导体器件制造工业中有广泛的应用价值。这对基于MEMS工艺制造陶瓷基片基底的芯片，提高生产及使用效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，包括多孔保护网罩(1)、陶瓷微热板气敏阵列芯片(2)、垫高环(3)和半导体管壳(4)；其中，
所述陶瓷微热板气敏阵列芯片(2)设于所述多孔保护网罩(1)下方，并与所述垫高环(3)的一侧固定连接；
所述半导体管壳(4)与所述垫高环(3)的另一侧固定连接，所述半导体管壳(4)的内侧设置有焊盘，且所述陶瓷微热板气敏阵列芯片(2)通过引线与所述焊盘连接。
2.根据权利要求1所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述陶瓷微热板气敏阵列芯片(2)包括n个呈阵列排布的陶瓷微热板气敏阵列单元，其中，n为不小于1的整数。
3.根据权利要求1或2所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述陶瓷微热板气敏阵列单元包括陶瓷基片、设于该陶瓷基片一面的测温电极(202)及测电阻电极(203)，设于所述陶瓷基片另一面的加热电极(201)。
4.根据权利要求3所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述测温电极(202)与测电阻电极(203)叠层设置，其中，所述测温电极(202)设置于靠近所述陶瓷基片的一侧，所述测温电极(202)与测电阻电极(203)之间设有绝缘层(204)。
5.根据权利要求3所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述测温电极(202)与测电阻电极(203)共面设置，其中，所述测温电极(202)与测电阻电极(203)位于同一平面，且互不接触。
6.根据权利要求3所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述陶瓷基片的厚度为10μm～500μm。
7.根据权利要求3所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述陶瓷基片为三氧化二铝陶瓷基片。
8.根据权利要求4或5所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述测电阻电极(203)包括插齿以及覆盖在所述插齿上的气敏膜，所述气敏膜为金属氧化物。
9.根据权利要求3所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述陶瓷基片中间设有温度缓冲结构，用于集成所述测温电极(202)、测电阻电极(203)和加热电极(201)。
10.根据权利要求9所述的基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件，其特征在于，所述温度缓冲结构四周环绕设有镂空结构，所述镂空结构为三角形、四边形、五边形这些异形镂空结构，所述三角形、四边形、五边形这些异形镂空结构的顶角均为倒圆角结构。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109900749A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-18 | 华中科技大学 | 一种基于陶瓷基片的微热板气敏阵列器件及制造方法 |
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2019
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