CN220323185U - 陶瓷悬置式低功耗敏感器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件。所述陶瓷悬置式低功耗敏感器件包括沿指定方向层叠设置的陶瓷基底、电热结构、绝缘导热层以及敏感结构；陶瓷基底至少由陶瓷粉料或陶瓷浆料形成，成型孔隙率为10‑60％，包括架体、悬臂梁以及悬置结构；电热结构包括发热体，敏感结构包括敏感材料体，发热体和敏感材料体均设置于悬置结构沿指定方向进行投影所形成的投影区域中。本实用新型形成了具有一定孔隙度的陶瓷衬底，减少常规致密陶瓷衬底的热损耗高的问题，工艺更为简单、成型率高、成本大大降低、可实施性强；可以根据器件热散要求，调整陶瓷粉料、浆料的组分、结构以及工艺来满足器件性能要求，工艺灵活。

Description

陶瓷悬置式低功耗敏感器件

技术领域

本实用新型涉及敏感器件技术领域，尤其涉及一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件。

背景技术

敏感器件包含的种类多种多样，例如温度敏感器件、气体敏感器件以及光电敏感器件等等，其主要的原理是利用敏感材料对于环境变化的响应性，通过测试电路测量该敏感材料的一系列变化，例如电阻、电容或电压等，来反馈该敏感材料所感应到的物理量的变化。并且，在一些敏感器件中，为了测量准确性，需要对敏感材料进行加热以维持其处于适当的温度区间，这些加热的电路结构在使用过程中造成了一些功耗，在实际应用中，如何通过器件结构设计在保证加热效果的前提下降低功耗是具有非常重要的价值的。

作为气体敏感器件的气体传感器广泛应用于检测可燃性气体、有毒、有害气体以及大气成分。目前随着器件集成化程度的提高，对气体传感器的要求也越来越高，其中以MEMS工艺为基础的微热板式气体传感器以其低功耗、体积小、易集成的特点成为当前低功耗气体传感器领域的研究热点。

目前常用的半导体气体传感器气体敏感器有硅基底、玻璃基底、陶瓷基底气敏传感器，陶瓷基底的制备工艺通常包括混料、流延、预烧、压制、烧结等工艺，工艺复杂，烧结温度高，形成陶瓷基底的致密度高，导致陶瓷基衬底热量易流失，热损耗高；而对于梁式结构，陶瓷基底敏感器存在不易加工，生产工艺难度大的问题。

因此，领域内迫切需要研发一种制造工艺简单、性能好、容易集成、功耗低的敏感元件，尤其在消费电子、白色家电等应用领域。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

第一方面，本实用新型提供一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其包括沿指定方向层叠设置的陶瓷基底、电热结构、绝缘导热层以及敏感结构；所述陶瓷基底至少由陶瓷粉料或陶瓷浆料形成，成型孔隙率为10-60％，且所述陶瓷基底包括架体、悬臂梁以及悬置结构，所述架体环绕所述悬置结构设置且所述架体和悬置结构之间还具有间隔空间，所述悬臂梁设置于所述间隔空间中，用于连接所述架体和悬置结构；所述电热结构包括发热体，所述敏感结构包括敏感材料体，所述发热体和敏感材料体均设置于所述悬置结构沿所述指定方向进行投影所形成的投影区域中。

第二方面，本实用新型还提供一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件的制备方法，其包括：

提供陶瓷基底，所述陶瓷基底至少由陶瓷粉料或陶瓷浆料形成，并具有多孔结构，且所述陶瓷基底包括架体、悬臂梁以及悬置结构，所述架体环绕所述悬置结构设置，所述悬臂梁用于连接所述架体和悬置结构；

以及，至少在所述悬置结构的表面依次覆设电热结构、绝缘导热层以及敏感结构的步骤。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

本实用新型所提供的技术方案基于陶瓷粉料或浆料通过注塑或压制形成悬臂梁式结构，可形成具有一定孔隙度的陶瓷衬底，减少常规致密陶瓷衬底的热损耗高的问题，而注塑或压制成型的陶瓷衬底，可以降低成型温度，节约能源，对设备要求低，可批量生产，更为重要的是较常规工艺形成的陶瓷基底敏感器件不易形成悬臂梁式结构而言，陶瓷粉料或浆料通过注塑或压制工艺可一次成型悬臂梁式结构，工艺更为简单、成型率高、成本大大降低、可实施性强；可以根据器件热散要求，调整陶瓷粉料、浆料的组分、结构以及工艺来满足器件性能要求，工艺灵活。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施案例提供的陶瓷悬置式低功耗敏感器件的侧面结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施案例提供的陶瓷悬置式低功耗敏感器件的正面结构示意图；

图3是本实用新型一典型实施案例提供的陶瓷悬置式低功耗敏感器件的整体制备流程示意图；

图4a-图4g是本实用新型一典型实施案例提供的陶瓷悬置式低功耗敏感器件的分步制备过程示意图。

附图标记说明：

101、架体；102、悬臂梁；103、悬置结构；200、绝热层；301、加热电路；302、发热体；303、金属通孔；400、绝缘导热层；501、测试电路；502、敏感材料体。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1和图2，本实用新型实施例提供一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其包括沿指定方向层叠设置的陶瓷基底、电热结构、绝缘导热层400以及敏感结构；所述陶瓷基底包括架体101、悬臂梁102以及悬置结构103，所述架体101环绕所述悬置结构103设置且所述架体101和悬置结构103之间还具有间隔空间，所述悬臂梁102设置于所述间隔空间中，用于连接所述架体101和悬置结构103；所述电热结构包括发热体302，所述敏感结构包括敏感材料体502，所述发热体302和敏感材料体502均设置于所述悬置结构103沿所述指定方向进行投影所形成的投影区域中。

当然，为了进一步降低热量损失，陶瓷基底和电热结构之间还可以设置一层绝热层200，但该绝热层200并非必须的。

在一些实施方案中，所述架体101、悬臂梁102以及悬置结构103一体化设置；以所述指定方向为轴，沿轴的径向方向观察，所述悬臂梁102的宽小于10-1000μm，厚小于300μm。为了形成热阻隔效果良好的低功耗陶瓷基底，本实用新型通过悬臂梁102将悬置结构103架设在架体101之中，热量主要通过悬臂梁102的热传导作用而散发，因此，为了取得强度与低功耗性能的最佳平衡，该悬臂梁102的尺寸参数最好是处于上述数值范围之内。

更加具体的，在一些实施方案中，在所述指定方向上，所述悬臂梁102的厚度为所述悬置结构103的厚度的1/10-3/4，厚度太薄，不足以支持悬置结构10的重量；厚度太厚，增加热损耗。

陶瓷衬底的组分可以常规的陶瓷浆料或陶瓷粉料，如粉体A1₂O₃等，为了降低导热率，陶瓷浆料或陶瓷粉料还可以采用多孔材料，如多孔二氧化锆、多孔二氧化铝、或多孔二氧化硅，不限于此。

而关于陶瓷基底的微观结构，孔隙率为10-60％；在一些实施方案中，所述陶瓷基底为多孔结构，孔径为5-500μm，多孔的陶瓷结构对于阻止热量传导是具有显著帮助的，能够阻挡热量通过热传导而散失，在实际应用中，通常通过陶瓷基底的制备工艺来形成上述多孔结构。

在更为优选的实施案例中，所述陶瓷基底的不同部位的孔隙率设置为不同的，例如，至少所述悬臂梁102的孔隙率高于所述悬置结构103的孔隙率，而悬置结构103的孔隙率可以设置得较低，为10-30％左右，悬臂梁作为要的散热渠道，通过提高悬臂梁103的孔隙率，形成阻热结构，使得所产生的主要热量在传导中被阻挡，而设置孔隙率更低的悬置结构103，可以在保证悬置结构103的力学承载能力的基础上实现悬置结构103的较小的横截面积；进一步，悬置结构103可设置为多层结构，各层孔隙率可选择不同，例如所述多层结构中远离所述电热结构的下层的孔隙率高于靠近所述点热结构的上层的孔隙率，这样既可以保证悬置结构的承载能力，并进一步减少热量损失，降低耗损。具体的孔隙率差异化方法可以通过不同位置的不同成型工艺来实现，具体例如下述制备方法中的具体示例方案所示，但不仅限于此。

上述是关于陶瓷基底的结构与组成，而关于加热及敏感等功能，在一些实施方案中，所述电热结构还包括电连接所述发热体302的多个加热电路301，所述敏感结构还包括电连接所述敏感材料体502的多个测试电路501；所述加热电路301和测试电路501设置于所述悬臂梁102所处位置的表面，并向远离所述悬置结构103的方向延伸。由此，所述悬臂梁102不仅作为固设悬置结构103的固定结构，还提供了测试电路501和加热电路301的延伸载体，测试电路501和加热电路301沿着悬臂梁102的延伸方向进行铺展延伸，充分利用了结构空间，且使得器件与外电路的连接更加规整。

在一些实施方案中，所述悬臂梁102绕所述悬置结构103呈放射状设置有至少4个；多个所述加热电路301以及测试电路501中的任一者均设置于不同的所述悬臂梁102上。具体例如图1和图2所示(图1为从图2的一个角的方向进行侧视)，具体的示例中，图2中的上下左右各有4根悬臂梁102，上下一对悬臂梁102分别用于铺设测试电路501的两根电路，左右一对悬臂梁102用于铺设加热电路301的两根电路。这种具体结构通过不同的方位使不同的电路分别引出，外电路的布置非常明确且方便。

合并参见图3，对应于上述陶瓷悬置式低功耗敏感器件的结构特点，本实用新型实施例还提供了一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件的制备方法，其包括如下的步骤：

提供陶瓷基底，所述陶瓷基底包括架体101、悬臂梁102以及悬置结构103，所述架体101环绕所述悬置结构103设置，所述悬臂梁102用于连接所述架体101和悬置结构103；

以及，至少在所述悬置结构103的表面依次覆设电热结构、绝缘导热层400以及敏感结构的步骤。

在一些实施方案中，所述制备方法具体包括如下的子步骤：

提供陶瓷粉体，通过注塑工艺或压制烧结工艺形成所述陶瓷基底；

其中所述注塑工艺包括使所述陶瓷粉体与粘结剂混合后注塑成型的步骤。

为了形成上述更优的差异化孔隙率分布，在一些更加优选的实施方案中，还可以提供第一陶瓷粉体或第二陶瓷粉体，所述第一陶瓷粉体为多孔粉体，所述第二陶瓷粉体为实心粉体(或孔径大小和/或孔隙率低于第一陶瓷粉体)，所述第一陶瓷粉体至少用于形成所述悬臂梁102，所述第二陶瓷粉体至少用于形成所述悬置结构103。

例如在压制成型并烧结的工艺中，在模具的不同部位(悬置结构103和悬臂梁102所对应的不同位置)填充上述不同的陶瓷粉体，来实现孔隙率差异分布。

更加具体的，所述第一陶瓷粉体和第二陶瓷粉体最好是相同材质的，这样两种粉体的结合性更优。

而更加优选的实施方案中，所述悬置结构103亦可以采用垂直差异化的孔隙率分布，例如，其背向所述发热体302的一侧(底层)为低孔隙率的，朝向所述发热体302的一侧(表层)为高孔隙率的，对应的制备方法中，第二陶瓷粉体用于形成背向所述发热体302的一侧，第二陶瓷粉体用于形成朝向发热体302的一侧。

例如在压制成型并烧结的工艺中，在悬置结构103的对应的模具位置中，分两层依次填充上述第一陶瓷粉体和第二陶瓷粉体这样，第一陶瓷粉体一体化地形成了悬臂梁102和悬置结构103的底层，保证了结合强度、减少热损耗，保证了力学结合性。

对应的制备方法中，也可以设置第一陶瓷粉体用于形成背向所述发热体302的一侧，第二陶瓷粉体用于形成朝向发热体302的一侧；

在一些实施方案中，所述制备方法具体包括如下的具体步骤：

在所述陶瓷基底的表面沉积金属并刻蚀形成金属导线，所述金属导线包括设置于所述悬置结构103处的发热体302，以及与所述发热体302电连接并沿所述悬臂梁102处的表面向远离所述悬置结构103方向延伸的加热电路301，所述发热体302和加热电路301构成所述电热结构；

沉积绝缘导热材料，形成至少覆盖所述发热体302的绝缘导热层400；

在所述绝缘导热层400表面沉积金属并刻蚀形成多个测试电路501，并在对应的测试电路501的末端之间覆设敏感材料，形成敏感材料体502，所述测试电路501和敏感材料体502构成所述敏感结构。

当然，若需形成绝热层200，亦可在所述陶瓷基底的表面先沉积绝热材料，形成所述绝热层200，所述绝热层200至少覆盖所述悬置结构103的表面，然后再在所述绝热层200表面沉积金属并刻蚀形成金属导线。

在一些实施方案中，还具体包括如下的步骤/过程：

沉积形成所述测试电路501后，对负载有所述测试电路501的相应结构进行第一烧结处理的步骤；和/或，涂覆所述敏感材料后进行第二烧结处理，以使所述敏感材料固化成型的步骤。

作为上述技术方案的一些典型的应用示例，所述陶瓷悬置式低功耗敏感器件例如是一种低功耗陶瓷气体传感器，以陶瓷为基底，中间为陶瓷的悬置结构103，悬置结构103上依次形成加热结构、绝缘导热层400、测试结构；四周为悬臂梁102进行支撑并连接架体101。

上述多孔陶瓷气体传感器制备方法以陶瓷粉体为基材，通过注塑成型形成对应的悬臂梁102基底结构，然后沉积加热结构，然后在加热结构上面印刷形成后续的绝缘导热层400和测试结构。

关于具体的材质选择，所述基底材料为多孔材料，孔径在5-500μm，厚度在100-2000μm；所述绝缘导热层400的厚度例如可以为100-5000nm；所述测试电极为金属Au、Ag、Cu、Ni等形成的电路以及与两个电路两端相连的敏感材料体502，用于使电路在各层之间连通或引出的金属通孔303直径在50-600μm，尤其是加热电路可以通过该金属通孔303(层间连通的金属柱)与上层的焊盘连通，当然，不采用金属通孔而采用本领域常见的其他形式例如架体侧面出线的方式亦可；所述加热电路301为金属Pt、Au、Ag、Cu等，厚度为100-5000nm，加热结构中的发热体302例如是上述金属细线排列形成的丝状发热体302，亦可是电热材料涂覆形成的。

需要额外指出，在附图中，部分膜层可能会出现悬空的情况，但这是为了绘制图像方便而产生的现象，而非指示该位置是悬空的状态，例如绝缘导热层400，实际器件中其本身是覆盖在表面的，而非悬空状态。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本实用新型的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本实用新型，而不限制本实用新型的范围。

实施例1

本实施例示例一陶瓷悬置式低功耗敏感器件的结构以及制备过程，具体如下所示：

参见图3和图4a-图4g所示，首先准备氧化铝陶瓷粉体；然后将上述氧化铝陶瓷粉体注塑成型，形成一体化的悬臂梁式陶瓷基底，该陶瓷基底外围为正方框形状的架体101，架体101边长为1500μm，边框的宽度为300μm，厚度为500μm；架体101正中央为悬置结构103，其也是正方形的片状，边长为400μm，厚度为300μm；架体101和悬置结构103之间通过上下左右4根悬臂梁102连接，悬臂梁102的厚度为200μm，宽度为300μm。

陶瓷基底预烧350℃，形成整体孔隙率为30％左右的陶瓷基底。

在上述陶瓷基底的端面上沉积绝热层200，绝热层200材质为氧化铝，厚度为50μm。

在绝热层200上沉积金属铂加热电路301，厚度500nm，电路分别在左右两根悬臂梁102上向外延伸，并且在悬置结构103的位置，电路为较细的U型往复结构，形成中央的发热体302。

在上表面继续沉积氧化铝绝缘导热层400，厚度1000nm；

沉积金属金形成的测试电路501，厚度500nm，该测试电路501包括两段(正负极电路)，且依附于着上下两根悬臂梁102延伸，中央区域空余敏感材料的涂覆区域；

进行敏感材料的涂覆，所选用的敏感材料具体为氧化锌材料，厚度20um，形成敏感材料体502，并与上述测试电路501电连接；

对所获结构进行烧结，温度800℃，时间为30min，最终获得一陶瓷悬置式低功耗气体敏感器件。

经过批量试制，本实施例所提供的制备方法，注塑成型陶瓷悬臂敏感器件功耗210mW，而作为对比，采用现有技术中的常规陶瓷衬底制备的敏感器件的功耗500mW，功耗大大降低。

实施例2

本实施例亦示例一陶瓷悬置式低功耗敏感器件的结构以及制备过程，与实施例1大体相同，区别主要在于：

将氧化铝陶瓷粉体替换为多孔二氧化锆，本实施例所获得的陶瓷悬臂敏感器件功耗180mW，低于实施例1。

实施例3

本实施例亦示例一陶瓷悬置式低功耗敏感器件的结构以及制备过程，与实施例1大体相同，区别主要在于：

将悬臂梁102厚度调整为100μm，功耗200mW，低于实施例1。

实施例4

本实施例亦示例一陶瓷悬置式低功耗敏感器件的结构以及制备过程，与实施例1大体相同，区别主要在于：

在制备陶瓷基底时，提供两种粉体，一种是实心的氧化铝粉体，另一种是空心的氧化铝粉体，采用模具压制的方法，在模具中对应于悬臂梁102的位置完全填充空心的氧化铝粉体，对应于悬置结构103的位置先填充底层空心的氧化铝粉体，约为悬置结构103高度的一半，剩余的部分以实心氧化铝粉体继续填充至完全。然后在模具中压制后，再烧结成型，获得不同位置的孔隙率不同的陶瓷基底。

其余步骤及材料与实施例1相同。

本实施例所获得的器件仍能取得了更低的功耗，仅为170mW，显著低于上述实施例

基于上述实施例，可以明确，本实用新型实施例所提供的技术方案基于陶瓷原料形成悬臂梁式结构，不仅悬臂结构一体成型，成型快，大大减低器件功耗；通过可控陶瓷组分比例、悬臂梁的尺寸，可灵活获得低功耗的敏感器件，加工工艺简便，成本较低。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，沿指定方向至少层叠设置有陶瓷基底、电热结构、绝缘导热层以及敏感结构；

所述陶瓷基底至少由陶瓷粉料或陶瓷浆料形成，成型衬底为多孔结构；且所述陶瓷基底包括架体、悬臂梁以及悬置结构，所述架体环绕所述悬置结构设置且所述架体和悬置结构之间还具有间隔空间，所述悬臂梁设置于所述间隔空间中，用于连接所述架体和悬置结构；

所述电热结构包括发热体，所述敏感结构包括敏感材料体，所述发热体和敏感材料体均设置于所述悬置结构沿所述指定方向进行投影所形成的投影区域中。

2.根据权利要求1所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，所述架体、悬臂梁以及悬置结构一体化设置。

3.根据权利要求2所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，在所述指定方向上，所述悬臂梁的厚度为所述悬置结构的厚度的1/10-3/4。

4.根据权利要求1或2所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，所述陶瓷基底的孔径为5-500μm，孔隙率为10-60％。

5.根据权利要求1或2所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，所述陶瓷衬底包括多孔陶瓷材料。

6.根据权利要求1或2所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，所述悬臂梁的孔隙率高于所述悬置结构的孔隙率。

7.根据权利要求1或2所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，悬置结构为多层结构，所述多层结构中的至少两层具有不同的孔隙率。

8.根据权利要求7所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，所述多层结构中远离所述电热结构的下层的孔隙率高于靠近所述电热结构的上层的孔隙率。

9.根据权利要求1所述的陶瓷悬置式低功耗敏感器件，其特征在于，所述电热结构还包括电连接所述发热体的多个加热电路，所述敏感结构还包括电连接所述敏感材料体的多个测试电路；

所述加热电路和测试电路设置于所述悬臂梁上，并向远离所述悬置结构的方向延伸，多个所述加热电路以及测试电路中的任一者均设置于不同的所述悬臂梁上。