CN211905185U - 一种高性能湿度检测器件用恒温结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高性能湿度检测器件用恒温结构。包括顶层Al₃N₄基片(1)，顶层Al₃N₄基片(1)上表面集成有薄膜热敏电阻(2)，顶层Al₃N₄基片(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)；所述的薄膜热敏电阻(2)上表面集成有绝缘介质层(5)，绝缘介质层(5)上表面经金属化层(6)粘贴有传感信号处理芯片(7)。本实用新型能够降低湿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。

Description

一种高性能湿度检测器件用恒温结构

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种高性能湿度检测器件用恒温结构。

背景技术

传统的湿度检测器件结构主要是，将传感信号处理芯片、湿敏电阻、金属焊接区、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。但该结构的湿度检测器件会存在下述问题：整个器件在自然环境中工作时，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，从而影响湿度的检测精度。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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种高性能湿度检测器件用恒温结构。本实用新型能够降低湿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。

本实用新型的技术方案：一种高性能湿度检测器件用恒温结构,包括顶层Al3N4基片，顶层Al3N4基片上表面集成有薄膜热敏电阻，顶层Al3N4基片下表面集成有TEC单元，TEC单元下表面集成有底层Al3N4基片；所述的薄膜热敏电阻上表面集成有绝缘介质层，绝缘介质层上表面经金属化层粘贴有传感信号处理芯片。

前述的高性能湿度检测器件用恒温结构中，所述的顶层Al3N4基片上表面还集成有由Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜构成的导带和键合区。

前述的高性能湿度检测器件用恒温结构中，TEC单元上、下表面分别经Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜与顶、底层Al3N4基片连接。

前述的高性能湿度检测器件用恒温结构中，所述的复合金属薄膜的总厚度为1～2μm，其中金层厚度为0.3～0.8μm。

前述的高性能湿度检测器件用恒温结构中，所述的绝缘介质层是由Al2O3构成的绝缘介质层。

前述的高性能湿度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。

前述的高性能湿度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。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型应用在湿敏器件中时，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，本实用新型采用薄膜热敏电阻与传感信号处理芯片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。

本实用新型中，采用薄膜热敏电阻与传感信号处理芯片一体化集成技术结构，实现了薄膜热敏电阻与传感信号处理芯片在最大接触面的无间隙接触，且属原子间接触；该结构，能最大程度、最快地将传感信号处理芯片的热量传导给薄膜热敏电阻，经信号处理后，迅速将信号传送到TEC单元(即半导体热电致冷单元)，以控制TEC单元的电流方向，从而控制升温或降温频率，进而达到温度控制的目的；通过薄膜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的结构，当该温控器件外界工作环境温度发生变化时，能将环境工作温度的变化范围控制在设定温度的±3℃以内，从而降低湿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，提高检测精度。

本实用新型中，通过Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜连接各层结构，由于该结构的复合金属薄膜，其在导电性、导热性及可焊性优良方面均表现优良，因此不仅能够有效确保信号的快速传输和精密处理，而且更能够方便各元器件的焊接，降低元器件集成的制造难度，优化了制造工艺；且实用新型人在研究中发现，当复合金属薄膜的总厚度为1～2μm(最优为1.5μm)，且其中金层厚度为0.3～0.8μm(最优为0.5μm)时，其导电、导热性能及焊接性能表现最佳。同时实用新型人还研究发现：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。

本实用新型主要用于精密测量、精密控制领域的湿敏器件上。采用本实用新型制作的湿敏器件，能够对传感器信号进行快速传输、精密处理和放大。同时，该湿敏器件冷端与热端的温差ΔT在常温下能达到70℃以上，典型工作环境温度在-40℃～85℃，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是传统湿敏器件的结构图；

图2是本实用新型制作的湿敏器件的结构图。

附图标记：1-顶层Al₃N₄基片，2-薄膜热敏电阻，3-TEC单元，4-底层Al₃N₄基片，5-绝缘介质层，6-金属化层，7-传感信号处理芯片，8-湿敏电阻，9-金属焊接区，10-器件基座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例。一种高性能湿度检测器件用恒温结构，构成如图2所示，包括顶层Al₃N₄基片1，顶层Al₃N₄基片1上表面集成有薄膜热敏电阻2，顶层Al₃N₄基片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；所述的薄膜热敏电阻2上表面集成有绝缘介质层5，绝缘介质层5上表面经金属化层6粘贴有传感信号处理芯片7。

图2中，TEC单元3两侧的黑色方条为其引脚。

前述的顶层Al₃N₄基片1上表面还集成有由Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜构成的导带和键合区。

前述的TEC单元3上、下表面分别经Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜与顶、底层Al₃N₄基片连接。

前述的复合金属薄膜的总厚度为1～2μm，其中金层厚度为0.3～0.8μm。

前述的绝缘介质层5是由Al₂O₃构成的绝缘介质层。

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。

前述的高性能湿度检测器件用恒温结构的制备方法，按下述步骤制备：

a.在顶层Al₃N₄基片1下表面刻蚀集成连接TEC单元3的电路图Ⅰ；

b.采用选择性金属掩模进行薄膜溅射，在顶层Al₃N₄基片1上表面形成薄膜热敏电阻2(即是铂薄膜热敏电阻)；

c.采用选择性金属掩模进行薄膜溅射，在薄膜热敏电阻2表面形成绝缘介质层5，之后再在绝缘介质层5表面形成粘贴传感信号处理芯片7所需的金属化层6；

d.在底层Al₃N₄基片4上表面刻蚀集成连接TEC单元3的电路图Ⅱ；

e.将TEC单元3上下表面分别与电路图Ⅰ、Ⅱ按规定位置对齐连接，再使用固定夹具进行定位、固定后，进行TEC单元3的合金焊接，使顶层Al₃N₄基片1、TEC单元3、底层Al₃N₄基片4构成一体化基片；

f.将传感信号处理芯片7再焊接到一体化基片的金属化层6上即得。

前述的步骤a、d中，电路图的刻蚀包括下述步骤：

a1.采用薄膜溅射和光刻的方法，在Al₃N₄基片表面形成一层Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜；

a2.在复合金属薄膜上刻蚀电路图。

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，按规定的尺寸进行划片，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。

使用本实用新型制作湿敏器件时，其湿敏器件的结构参见图2，直接将薄膜结构的湿敏电阻8(即是镍铬薄膜电阻)薄膜溅射和光刻在薄膜热敏电阻2旁的顶层Al₃N₄基片1上表面，此外，再将其他有源或无源元器件等分离元器件直接装贴在基片上，最后，进行电路焊接，完成整个电器连接，形成高性能湿敏器件；该湿敏器件使用时，将其使用常规焊接工艺焊接在器件基座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7的热量传导给薄膜热敏电阻2，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 (7)

1.一种高性能湿度检测器件用恒温结构，其特征在于：包括顶层Al₃N₄基片(1)，顶层Al₃N₄基片(1)上表面集成有薄膜热敏电阻(2)，顶层Al₃N₄基片(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)；所述的薄膜热敏电阻(2)上表面集成有绝缘介质层(5)，绝缘介质层(5)上表面经金属化层(6)粘贴有传感信号处理芯片(7)。

2.根据权利要求1所述的高性能湿度检测器件用恒温结构，其特征在于：所述的顶层Al₃N₄基片(1)上表面还集成有由Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜构成的导带和键合区。

3.根据权利要求1所述的高性能湿度检测器件用恒温结构，其特征在于：TEC单元(3)上、下表面分别经Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜与顶、底层Al₃N₄基片连接。

4.根据权利要求2或3所述的高性能湿度检测器件用恒温结构，其特征在于：所述的复合金属薄膜的总厚度为1～2μm，其中金层厚度为0.3～0.8μm。

5.根据权利要求1所述的高性能湿度检测器件用恒温结构，其特征在于：所述的绝缘介质层(5)是由Al₂O₃构成的绝缘介质层。

6.根据权利要求1所述的高性能湿度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。

7.根据权利要求6所述的高性能湿度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。

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