半導(dǎo)體氣體傳感器芯片、傳感器及傳感器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種半導(dǎo)體氣體傳感器芯片、傳感器及其制備方法，其中，半導(dǎo)體氣體傳感器芯片包括：基底，包括相對(duì)設(shè)置的第一基底表面和第二基底表面；設(shè)置于第一基底表面上的加熱層和功能層及設(shè)置于第二基底表面上的絕熱層；絕緣介質(zhì)層，設(shè)置于功能層和加熱層之間；加熱層較功能層靠近第一基底表面，加熱層包括相互電性連接的加熱電阻和加熱電極，功能層包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，通過絕熱層固定于基座上形成半導(dǎo)體氣體傳感器，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器制備工藝相比，具有更小的封裝尺寸和更低的功耗；與MEMS氣體傳感器制備工藝相比，制備工藝更簡(jiǎn)單。
【專利說明】
半導(dǎo)體氣體傳感器芯片、傳感器及傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體氣體傳感器芯片、傳感器及傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境的污染問題也越來越嚴(yán)重，例如，汽車尾氣中的CO、NOx、SOx等有害氣體，室內(nèi)裝修中存在的甲醛、甲苯等，煤礦中泄漏的甲烷氣體，化工生產(chǎn)中產(chǎn)生的易燃、易爆、毒害性氣體等，這些有毒氣體對(duì)人們的身體健康造成了嚴(yán)重的威脅。為了確保人身安全和防患于未然，人們研制了各種檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器，其中，氣體傳感器在家居生活、排放監(jiān)測(cè)、航空、醫(yī)療、衛(wèi)生等領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。
[0003]目前氣體傳感器種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，大致可分為半導(dǎo)體式、電化學(xué)式、接觸燃燒式、固體電解質(zhì)式和紅外線式等。其中，半導(dǎo)體傳感器因?yàn)闄z測(cè)靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間短、元件尺寸微小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉而越來越受到人們的重視。尤其是近年來隨著微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體氣體傳感器更是向著集成化、智能化方向發(fā)展。
[0004]現(xiàn)有的半導(dǎo)體氣體傳感器通常由基底、加熱電極、信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感材料組成。由于半導(dǎo)體氣體傳感器在一定高溫下才能工作，因此最大程度的減少熱量的傳導(dǎo)才能保證傳感器具有較低的功耗。
[0005]傳統(tǒng)的半導(dǎo)體氣體傳感器通過在加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極粘結(jié)鉑絲，并將鉑絲焊接在金屬支架上使傳感器處于懸空狀態(tài)，由于空氣的熱導(dǎo)率比較低(室溫下為0.026 W/(m.K))，使傳感器懸空可以達(dá)到降低傳感器功耗的目的。但這種傳感器封裝體積比較大，管座直徑大于10mm，管帽的高度也大于10mm，在PCB電路板中占用的空間比較大，不利于電子器件的微型化，同時(shí)，鉑絲的使用也增加了傳感器的成本。而且，空氣熱導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的上升而逐步上升(200°C時(shí)熱導(dǎo)率為0.037W/(m.K))，不利于功耗的進(jìn)一步降低。
[0006]再者，目前基于MEMS技術(shù)制備的氣體傳感器，通過微納加工在硅片上制備二氧化硅懸膜，并在懸膜上制備加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極，這種工藝也是通過將二氧化硅懸膜懸空起來，達(dá)到降低功耗的目的。雖然基于MEMS技術(shù)制備的氣體傳感器體積微小，但要經(jīng)過復(fù)雜的半導(dǎo)體制備工藝，不利于成本的降低和環(huán)境的保護(hù)。而且，空氣熱導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的上升而逐步上升(200°C時(shí)熱導(dǎo)率為0.037 ff/m.°C)，不利于功耗的進(jìn)一步降低。
[0007 ]綜上，現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體氣體傳感器主要存在以下問題:
(1)傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器封裝尺寸較大，不利于微型化；
(2)基于MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體氣體傳感器工藝復(fù)雜；
(3)采用懸膜方式，不利于傳感器功耗的進(jìn)一步降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的之一在于提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，該芯片采用絕熱性能較佳的材料作為基底，從而使得半導(dǎo)體氣體傳感器的功耗降低。
[0009]本發(fā)明的目的還在于提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器；
本發(fā)明的目的還在于提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器的制備方法。
[0010]為解決上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其包括:
基底，包括相對(duì)設(shè)置的第一基底表面和第二基底表面；
設(shè)置于所述第一基底表面上的加熱層和功能層及設(shè)置于所述第二基底表面上的絕熱層；
絕緣介質(zhì)層，設(shè)置于所述功能層和所述加熱層之間；
其中，所述加熱層較所述功能層靠近所述第一基底表面，所述加熱層包括相互電性連接的加熱電阻和加熱電極，所述功能層包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感層。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述絕熱層采用納米微孔絕熱材料，所述納米微孔絕熱材料包括二氧化硅氣凝膠納米顆粒、硅酸鹽納米微孔材料及增強(qiáng)纖維。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述絕熱層通過高溫粘結(jié)劑與所述第二基底表面粘接。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述基底選自雙面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化鋁陶瓷片、氮化鋁陶瓷片、氮化硅陶瓷片、碳化硅陶瓷片、氧化鋯陶瓷片、聚酰亞胺薄膜中的任意一種，所述基底的厚度為1um?500um。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極的厚度均為0.1um?10011111，所述加熱電極或者信號(hào)感測(cè)電極選自？1:、411、48、(]11、41、附、1、48/?(1、？1:/^11中的任意一種。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱電阻的厚度為0.1um?200um;所述加熱電阻的幾何形狀為蛇形曲線、鋸齒曲線、方波曲線、正方形或者長(zhǎng)方形中的一種或多種的組合;所述加熱電阻由金屬薄膜或合金薄膜或金屬氧化物薄膜制得，所述金屬薄膜選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的任意一種，所述合金薄膜選自附/0、]\10/]\111、(]11/211、厶8/?(1、？1:/^11、卩6/&3中的任意一種，所述金屬氧化物薄膜選自R11O2或Sn02: Sb203中的任意一種。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述氣體敏感層組成材料選自N型金屬氧化物半導(dǎo)體材料或P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料或P、N雙性金屬氧化物半導(dǎo)體材料。
[0017]為實(shí)現(xiàn)上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器，其包括:
基座，包括相對(duì)設(shè)置的第一基座表面和第二基座表面，所述第一基座表面設(shè)有至少一個(gè)第一電連接件，所述第二基座表面設(shè)有至少一個(gè)與所述第一電連接件電性導(dǎo)通的第二電連接件；
權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片與所述基座電性連接；
引線，將所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極分別與所述第一電連接件電性連接；
防塵罩，設(shè)于所述第一基座表面上，并覆蓋所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述防塵罩具有若干通孔，所述防塵罩的材質(zhì)為金屬或塑料或陶瓷。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一基座表面具有一開口，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的至少部分絕熱層位于所述開口中。
[0020]為實(shí)現(xiàn)上述又一發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體氣體傳感器的制備方法，所述制備方法包括:
提供一表面帶有開口的基座；
在基座的開口內(nèi)填充納米微孔絕熱材料，以在基座內(nèi)形成絕熱層；
提供半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片包括:
基底，包括相對(duì)設(shè)置的第一基底表面和第二基底表面；
設(shè)置于所述第一基底表面上的加熱層和功能層；
絕緣介質(zhì)層，設(shè)置于所述功能層和所述加熱層之間；
其中，所述加熱層較所述功能層靠近所述第一基底表面，所述加熱層包括相互電性連接的加熱電阻和加熱電極，所述功能層包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感層；將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的第二基底表面與絕熱層粘接；
提供引線，將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座電性連接；
提供一防塵罩，覆蓋在半導(dǎo)體氣體傳感器芯片上。
[0021]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述“在開口內(nèi)填充納米微孔絕熱材料，在基座內(nèi)形成絕熱層”步驟具體為:
將二氧化硅氣凝膠納米顆粒、硅酸鹽納米微孔材料、增強(qiáng)纖維混合并通過漿料填充燒結(jié)法或制成型燒結(jié)法或絕熱板切割填充法三種方法的任意一種在基座內(nèi)形成絕熱層。
[0022]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述“提供引線，將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座實(shí)現(xiàn)電性連接”步驟具體為:
通過熱壓鍵合或熱超聲鍵合工藝用金絲電性連接半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，通過絕熱層固定于基座上形成半導(dǎo)體氣體傳感器，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器制備工藝相比，具有更小的封裝尺寸和更低的功耗;與MEMS氣體傳感器制備工藝相比，制備工藝更簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中半導(dǎo)體氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中基底上覆蓋加熱電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中基底上覆蓋加熱電極和加熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中基底上覆蓋加熱層和絕緣介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中基底上覆蓋加熱層、絕緣介質(zhì)層及信號(hào)感測(cè)電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中基底上覆蓋加熱層、絕緣介質(zhì)層及功能層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中制備半導(dǎo)體氣體傳感器的方法步驟圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0026]在本申請(qǐng)的各個(gè)圖示中，為了便于圖示，結(jié)構(gòu)或部分的某些尺寸會(huì)相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)或部分夸大，因此，僅用于圖示本申請(qǐng)的主題的基本結(jié)構(gòu)。
[0027]參圖1所示，介紹本發(fā)明半導(dǎo)體氣體傳感器的一【具體實(shí)施方式】，半導(dǎo)體氣體傳感器10包括:基座11和半導(dǎo)體氣體傳感器芯片及將基座11和半導(dǎo)體氣體傳感器芯片電性連接的引線(圖未示)。
[0028]基座11，其包括相對(duì)設(shè)置的第一基座表面111和第二基座表面113，在第一基座表面111上設(shè)有一開口 112，用來收容半導(dǎo)體氣體傳感器芯片。優(yōu)選地，基座11的材質(zhì)為陶瓷。在第一基座表面111上還設(shè)有至少一個(gè)第一電連接件114，在第二基座表面112上設(shè)有至少一個(gè)第二電連接件115，第一電連接件114和第二電連接件115電性導(dǎo)通，第二電連接件115用于與外部PCB電路板(圖未示)進(jìn)行焊接實(shí)現(xiàn)電性連接。
[0029]半導(dǎo)體氣體傳感器芯片包括基底122、絕熱層121、加熱層123、絕緣介質(zhì)層124及功能層125。具體地，該基底122具有相對(duì)設(shè)置的第一基底表面1221和第二基底表面1222，加熱層123、絕緣介質(zhì)層124及功能層124設(shè)置于第一基底表面1221上，絕緣介質(zhì)層124設(shè)置于功能層125和加熱層123之間，加熱層123較功能層125靠近第一基底表面1221。絕熱層121則設(shè)置于第二基底表面上1222。絕熱層121是通過高溫粘結(jié)劑與第二基底表面1222進(jìn)行粘接的。當(dāng)絕熱層121與第二基底表面1222粘接后，至少部分絕熱層121位于基座11的開口 112中。
[0030]進(jìn)一步地，基底122選自雙面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化鋁陶瓷片、氮化鋁陶瓷片、氮化硅陶瓷片、碳化硅陶瓷片、氧化鋯陶瓷片、聚酰亞胺薄膜中的任意一種，基底122的厚度為10咖~500111110
[0031]進(jìn)一步地，半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的加熱層123包括相互電性連接的加熱電阻1231和加熱電極1232，功能層125包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極1251和氣體敏感層1252ο
[0032]加熱電極1232和信號(hào)感測(cè)電極1251的厚度均為0.1um?100 um，所述加熱電極或者信號(hào)感測(cè)電極選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W、Ag/Pd、Pt/Au中的任意一種。
[0033]在兩個(gè)加熱電極1232的上方形成加熱電阻1231，加熱電阻1231的厚度為0.1um?200um;加熱電阻1231的幾何形狀為蛇形曲線、鋸齒曲線、方波曲線、正方形或者長(zhǎng)方形中的一種或多種的組合。加熱電阻的形狀根據(jù)加熱層的不同形狀做適當(dāng)調(diào)整，但無論為何種形狀，加熱電極與加熱電阻均電性連接，加熱電阻根據(jù)需要設(shè)置成特定的形狀，加熱后為半導(dǎo)體氣體傳感器的工作提供特定的溫度。如在本實(shí)施方式中設(shè)置為長(zhǎng)方形，在其他實(shí)施方式中也可以設(shè)置為正方形、蛇形曲線、鋸齒曲線或者方波曲線等，通過改變加熱電阻幾何形狀的長(zhǎng)度、寬度以得到合理的電阻值。加熱電阻1231由金屬薄膜或合金薄膜或金屬氧化物薄膜制得，金屬薄膜選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的任意一種，合金薄膜選自Ni/Cr、Mo/Mn、?11/2]1、六8/?(1、？1:/^11、？6/(]0中的任意一種，金屬氧化物薄膜選自1?1102或31102:3匕203中的任意一種。
[0034]氣體敏感層1252的組成材料選自N型金屬氧化物半導(dǎo)體材料或P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料或P、N雙性金屬氧化物半導(dǎo)體材料。所述N型金屬氧化物半導(dǎo)體包括Mg0、Ca0、1102、2抑2、￥205、恥205、1&205、]?003、胃03、2110、厶1203、63203、111203、31102;所述？型金屬氧化物半導(dǎo)體包括丫203、1^203丄602、]\111203、(:0304、附0、？(10^820、8乜03、313203、了602;所述？4雙性金屬氧化物半導(dǎo)體包括Hf O2、Cr2O3、Fe2O3、CuO。
[0035]引線(圖未示)，用于將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的加熱電極1232和信號(hào)感測(cè)電極1251分別與基座11的第一電連接件114電性連接。具體地，加熱電極1232包括第一加熱電極和第二加熱電極，信號(hào)感測(cè)電極1251包括第一信號(hào)感測(cè)電極和第二信號(hào)感測(cè)電極，基座11的第一電連接件114的數(shù)量為四個(gè)，通過引線將第一加熱電極、第二加熱電極、第一信號(hào)感測(cè)電極和第二信號(hào)感測(cè)電極分別與一個(gè)第一電連接件114形成電性連接。
[0036]防塵罩(圖未示)，設(shè)于第一基座表面111上，并覆蓋半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，優(yōu)選地，防塵罩具有若干通孔，這些通孔的孔徑很微小，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體自由擴(kuò)撒到半導(dǎo)體氣體傳感器芯片表面，同時(shí)具有防塵和芯片保護(hù)作用。防塵罩的材質(zhì)為金屬或塑料或陶瓷。
[0037]優(yōu)選地，絕熱層采用納米微孔絕熱材料，納米微孔絕熱材料包括二氧化硅氣凝膠納米顆粒、硅酸鹽納米微孔材料及增強(qiáng)纖維。增強(qiáng)纖維的作用是提供二氧化硅氣凝膠納米顆粒和硅酸鹽納米微孔材料的支架，二氧化硅氣凝膠氣凝膠納米顆粒和硅酸鹽納米微孔材料的作用是絕熱保溫。在比例上，以二氧化硅氣凝膠納米顆粒和硅酸鹽納米微孔材料為主，增強(qiáng)纖維為輔，加入少量的其他粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)。納米微孔絕熱材料因具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)80-99.8%，室溫下的熱導(dǎo)率可抵達(dá)0.013W/(m.K)，是迄今為止絕熱性能最好的材料。熱流在其內(nèi)部傳遞時(shí)只能沿著氣孔壁傳遞，而近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于無窮長(zhǎng)路徑效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限；而納米微孔絕熱材料中氣孔直徑非常小，氣孔內(nèi)的空氣分子失去了自由流動(dòng)的能力，使得納米微孔絕熱材料處于近似真空狀態(tài)，產(chǎn)生零對(duì)流效應(yīng)，使對(duì)流傳熱降低最低；又由于材料內(nèi)部氣孔壁趨于無窮多，每一個(gè)氣孔壁都具有遮熱板作用，產(chǎn)生無窮多遮熱板效應(yīng)，使輻射傳熱降到最低。
[0038]結(jié)合圖7所示，介紹本發(fā)明制備半導(dǎo)體氣體傳感器方法的一【具體實(shí)施方式】，在本實(shí)施方式中，該方法包括以下步驟:
S1、提供一表面帶有開口的基座?；?1包括相對(duì)設(shè)置的第一基座表面111和第二基座表面113，開口 112設(shè)置在第一基座表面111。優(yōu)選地，開口 112的截面可為正方形、長(zhǎng)方形、圓形等?；?1由陶瓷封裝工藝制備而成，包括生胚片的制作、沖片與導(dǎo)孔成型、厚膜導(dǎo)線成型、疊壓、燒結(jié)、表面電鍍、引腳接合與測(cè)試?；?1的外尺寸長(zhǎng)寬高在2mm X 2mm X 2mm?7mmX 7mm X 7mm范圍內(nèi)，基座11開口 112的內(nèi)腔的長(zhǎng)寬高在1.5mm X 1.5mm X 1.5mm?6.5mm X6.5mmX6.5mm之間?；?1的第二基座表面113有至少一個(gè)第二電連接件115，適用于PCB電路板貼片工藝，優(yōu)選地，第二電連接件115的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)第二電連接件115均勻分布在第二基座表面113上。第一基座表面111上設(shè)有至少一個(gè)第一電連接件114，優(yōu)選地，第一電連接件114的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)第一電連接件114與四個(gè)第二電連接件115一一對(duì)應(yīng)，均勻分布在第一基座表面111上，四個(gè)第一電連接件114與四個(gè)第二電連接件115分別形成電連接。
[0039]S2、在開口內(nèi)填充納米微孔絕熱材料，在基座內(nèi)形成絕熱層。絕熱層121是降低傳感器熱功耗、減少熱損失的關(guān)鍵一層，同時(shí)提供氣體傳感器芯片的機(jī)械支撐。絕熱層121的制備方法分為漿料填充燒結(jié)法、壓制成型燒結(jié)法和絕熱板切割填充法。這里需要說明的是，絕熱層121的填充厚度可以大于開口 112的深度，也可以等于開口 112的深度，更可以小于開口 112的深度，即開口 112內(nèi)的絕熱層121可凸出于開口 112、也可與開口 112平齊，更可以內(nèi)陷與開口 112。
[0040]其中，漿料填充燒結(jié)法制備工藝為:將一定比例的二氧化硅氣凝膠、硅酸鹽納米微孔材料、增強(qiáng)纖維混合后，加入有機(jī)粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑并混合均勻，得到絕熱保溫漿料，然后通過點(diǎn)膠或者涂抹方法將絕熱保溫漿料填充到基座的開口 112中，在100?800°C的溫度下固化燒結(jié)I?120min，得到絕熱層。
[0041 ]絕熱板切割填充法的制備工藝為:將硅溶膠直接浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維進(jìn)行一次復(fù)合，然后經(jīng)歷凝膠老化、改性、干燥，得到Imm?7mm厚的絕熱板，然后根據(jù)基座開口 112的尺寸進(jìn)行切割，并填充到開口 112中。
[0042]壓制成型燒結(jié)法是將二氧化硅氣凝膠納米顆粒、硅酸鹽納米微孔材料、增強(qiáng)纖維進(jìn)行混合后，根據(jù)開口 112尺寸用特定壓力和模具壓制成絕熱體，在一定溫度下固化燒結(jié)后得到的絕熱體填充到開口 112中；也可以將混合物直接填充到開口 112中，進(jìn)行壓力燒結(jié)。
[0043]S3、提供半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片包括:
基底，包括相對(duì)設(shè)置的第一基底表面和第二基底表面；
設(shè)置于所述第一基底表面上的加熱層和功能層；
絕緣介質(zhì)層，設(shè)置于所述功能層和所述加熱層之間；
其中，所述加熱層較所述功能層靠近所述第一基底表面，所述加熱層包括相互電性連接的加熱電阻和加熱電極，所述功能層包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感層。
[0044]具體地，參圖2-6所示，在基底上依次印刷加熱層、絕緣介質(zhì)層和功能層陣列，通過切割解理成一個(gè)個(gè)小的芯片。優(yōu)選地，信號(hào)感測(cè)電極、加熱電極、加熱電阻全部或部分通過真空蒸鍍、磁控濺射、絲網(wǎng)印刷中的一種或多種方法制備而成。絕緣介質(zhì)層通過絲網(wǎng)印刷厚膜介質(zhì)漿料并高溫?zé)Y(jié)得到，燒結(jié)溫度為500?100tC，實(shí)現(xiàn)加熱層和功能層的電絕緣，絕緣介質(zhì)層的厚度為5um?50um。除了加熱電極，絕緣介質(zhì)層要完全覆蓋在整個(gè)基底之上，使得后續(xù)制備的信號(hào)感測(cè)電極和加熱電極之間完全電絕緣。在絕緣介質(zhì)層的上表面沉積氣體敏感材料，形成氣體敏感層，該氣體敏感層與信號(hào)感測(cè)電極電性連接，根據(jù)檢測(cè)氣體的不同，氣體敏感層可以選擇不同的氣體敏感材料。
[0045]S4、將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的第二基底表面通過高溫粘結(jié)劑與絕熱層粘接。
[0046]S5、提供引線，將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座實(shí)現(xiàn)電性連接。通過熱壓鍵合或熱超聲鍵合工藝用金絲電性連接半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座。具體地，加熱電極設(shè)置為縱長(zhǎng)型，并以半導(dǎo)體氣體傳感器芯片為中心對(duì)稱分布。為了方便后續(xù)的引線焊接，第一加熱電極和第二加熱電極在靠近半導(dǎo)體氣體傳感器芯片邊緣處分別形成一個(gè)正方形的焊盤。信號(hào)感測(cè)電極設(shè)置為縱長(zhǎng)型，并以半導(dǎo)體氣體傳感器芯片為中心對(duì)稱分布。為了方便后續(xù)的引線焊接，第一信號(hào)感測(cè)電極和第二信號(hào)感測(cè)電極在靠近半導(dǎo)體氣體傳感器芯片邊緣處分別形成一個(gè)正方形的焊盤，用熱超聲鍵合工藝將金絲焊接在傳感器芯片和基座的電連接件上，使第一加熱電極、第二加熱電極、第一信號(hào)感測(cè)電極和第二信號(hào)感測(cè)電極分別與基座的四個(gè)第一電連接件形成電連接。
[0047]S6、提供一防塵罩，覆蓋在半導(dǎo)體氣體傳感器芯片上。防塵罩是貼裝到基座上的。防塵罩具有若干通孔，這些通孔的孔徑很微小，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體自由擴(kuò)撒到半導(dǎo)體氣體傳感器芯片表面，同時(shí)具有防塵和芯片保護(hù)作用。防塵罩的材質(zhì)為金屬或塑料或陶瓷。
[0048]為了更好的闡述本發(fā)明，以下提供一些制備半導(dǎo)體氣體傳感器方法的具體實(shí)施例。
[0049]實(shí)施例1
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為3_X3_X2mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為2.4mm X 2.4mm X 1.7mm。然后將二氧化娃氣凝膠納米顆粒、納米微孔絕熱材料、增強(qiáng)纖維按照質(zhì)量比5:4:1混合后，加入有機(jī)粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑并混合均勻，得到絕熱保溫漿料，然后通過點(diǎn)膠工藝將絕熱保溫漿料填充到陶瓷基座的內(nèi)腔中，在600°C的溫度下燒結(jié)30min，使得絕熱保溫層的高度為1.7mm。
[0050]在氧化鋁陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷Au加熱電極和RuO2加熱電阻，800°C高溫?zé)Y(jié)后再絲網(wǎng)印刷20um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在700 °C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再絲網(wǎng)印刷Au電極，800°C高溫?zé)Y(jié)后得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷二氧化錫氣敏漿料，600°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0051]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0052]實(shí)施例2
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為4_X4_X3mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為3.4mm X 3.4mmX 2.7mm。然后將二氧化娃氣凝膠、納米微孔絕熱材料、、增強(qiáng)纖維按照質(zhì)量比4:4:2混合后，加入有機(jī)粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑并混合均勻，得到絕熱保溫漿料，然后通過點(diǎn)膠工藝將絕熱保溫漿料填充到陶瓷基座的內(nèi)腔中，在200°C的溫度下固化60min，使得絕熱保溫層的高度為2.9_。
[0053]在氧化鋁陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷Au加熱電極和RuO2加熱電阻，800°C高溫?zé)Y(jié)后再絲網(wǎng)印刷40um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在800 °C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再絲網(wǎng)印刷Au電極，800°C高溫?zé)Y(jié)后得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷氧化鎳氣敏漿料，600°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0054]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0055]實(shí)施例3
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為5_X5_X4mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為4mm X 4mm X 3.5mm。然后將二氧化娃氣凝膠、納米微孔絕熱材料、增強(qiáng)纖維按照質(zhì)量比3:5: 2混合后，加入有機(jī)粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑并混合均勻，得到絕熱保溫漿料，然后通過點(diǎn)膠工藝將絕熱保溫漿料填充到陶瓷基座的內(nèi)腔中，在300°C的溫度下燒結(jié)60min，使得絕熱保溫層的高度為3.3_。
[0056]在氧化鋁陶瓷片上通過磁控濺射和掩膜版制備Au加熱電極和鎳鉻合金加熱電阻，然后絲網(wǎng)印刷20um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在600°C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再通過掩膜版真空蒸鍍Au電極，得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷氧化鎳氣敏漿料，600°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0057]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0058]實(shí)施例4
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為6_X6_X4mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為4.5mm X 4.5mm X 3.5mm。將硅溶膠直接浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維，然后經(jīng)歷凝膠老化、改性、干燥，得到4mm厚的絕熱板，然后將絕熱板切割成4.5mm X 4.5mm X 4.0mm大小的方塊，并填充到內(nèi)腔中。
[0059]在氧化鋁陶瓷片上通過磁控濺射和掩膜版制備Pt/Au加熱電極和Ag/Pd合金加熱電阻，然后絲網(wǎng)印刷1um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在600°C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再通過掩膜版和磁控濺射制備Pt/Au電極，得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷三氧化鎢氣敏漿料，600°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0060]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0061 ] 實(shí)施例5
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為7_X7_X6mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為6.5mm X 6.5mm X 5.5mm。將娃溶膠直接浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維，然后經(jīng)歷凝膠老化、改性、干燥，得到5mm厚的絕熱板，然后將絕熱板切割成6.5mmX6.5mmX 5.0mm大小的方塊，并填充到內(nèi)腔中。
[0062]在氧化鋁陶瓷片上通過磁控濺射和掩膜版制備Ag加熱電極和鎢加熱電阻，然后絲網(wǎng)印刷20um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在700°C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再通過掩膜版和磁控濺射制備Ag電極，得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷氧化銅氣敏漿料，400°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0063]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0064]實(shí)施例6
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為3_X3_X2mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為2.4mm X 2.4mm X 1.7mm。然后將二氧化娃氣凝膠納米顆粒、納米微孔絕熱材料、增強(qiáng)纖維按照質(zhì)量比4:5:1混合后，填充到模具中，然后用2.5MPa的壓力壓制然后在800°C的溫度下燒結(jié)30min，得到的絕熱保溫層填充到微型陶瓷基座中。
[0065]在氧化鋁陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷Au加熱電極和RuO2加熱電阻，800°C高溫?zé)Y(jié)后再絲網(wǎng)印刷20um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在700 °C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再絲網(wǎng)印刷Au電極，800°C高溫?zé)Y(jié)后得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷二氧化錫氣敏漿料，600°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0066]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0067]實(shí)施例7
通過陶瓷封裝工藝制備微型陶瓷基座，其中外尺寸長(zhǎng)寬高為3.8_X3.8_X3mm，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為3.0mm X 3.0mm X 2.7mm。然后將二氧化娃氣凝膠納米顆粒、納米微孔絕熱材料、增強(qiáng)纖維按照質(zhì)量比5:4:1混合后，填充到微型陶瓷基座中，然后用1.5MPa的壓力壓制，并在900°C的溫度下燒結(jié)60min，得到含有絕熱層的微型陶瓷基座。
[0068]在氧化鋁陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷Au加熱電極和RuO2加熱電阻，800°C高溫?zé)Y(jié)后再絲網(wǎng)印刷30um厚玻璃介質(zhì)漿料，并在700 °C燒結(jié)，得到絕緣介質(zhì)層，然后再絲網(wǎng)印刷Au電極，800°C高溫?zé)Y(jié)后得到信號(hào)感測(cè)電極，再通過絲網(wǎng)印刷氧化鈷氣敏漿料，600°C燒結(jié)后得到含有氣體敏感層的傳感器芯片。
[0069]將傳感器芯片用高溫粘結(jié)劑粘貼于絕熱保溫層上，并通過超聲波金絲球焊工藝，將傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極與陶瓷基座的四個(gè)焊盤相連接，再貼裝上防塵帽即可得到微型半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0070]應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
[0071]上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，包括: 基底，包括相對(duì)設(shè)置的第一基底表面和第二基底表面； 設(shè)置于所述第一基底表面上的加熱層和功能層及設(shè)置于所述第二基底表面上的絕熱層； 絕緣介質(zhì)層，設(shè)置于所述功能層和所述加熱層之間； 其中，所述加熱層較所述功能層靠近所述第一基底表面，所述加熱層包括相互電性連接的加熱電阻和加熱電極，所述功能層包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，所述絕熱層采用納米微孔絕熱材料，所述納米微孔絕熱材料包括二氧化娃氣凝膠納米顆粒、娃酸鹽納米微孔材料及增強(qiáng)纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，所述絕熱層通過高溫粘結(jié)劑與所述第二基底表面粘接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，所述基底選自雙面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化鋁陶瓷片、氮化鋁陶瓷片、氮化硅陶瓷片、碳化硅陶瓷片、氧化鋯陶瓷片、聚酰亞胺薄膜中的任意一種，所述基底的厚度為1um?500um。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，所述加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極的厚度均為0.1um?10um，所述加熱電極或者信號(hào)感測(cè)電極選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W、Ag/Pd、Pt/Au 中的任意一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，所述加熱電阻的厚度為0.lum-200um ；所述加熱電阻的幾何形狀為蛇形曲線、鋸齒曲線、方波曲線、正方形或者長(zhǎng)方形中的一種或多種的組合;所述加熱電阻由金屬薄膜或合金薄膜或金屬氧化物薄膜制得，所述金屬薄膜選自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的任意一種，所述合金薄膜選自Ni/Cr、Mo/Mn、?11/2]1、48/?(1、？1:/^11、？6/(]0中的任意一種，所述金屬氧化物薄膜選自1?1102或31102:3匕203中的任意一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，其特征在于，所述氣體敏感層組成材料選自N型金屬氧化物半導(dǎo)體材料或P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料或P、N雙性金屬氧化物半導(dǎo)體材料。8.一種半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，包括: 基座，包括相對(duì)設(shè)置的第一基座表面和第二基座表面，所述第一基座表面設(shè)有至少一個(gè)第一電連接件，所述第二基座表面設(shè)有至少一個(gè)與所述第一電連接件電性導(dǎo)通的第二電連接件； 權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片與所述基座電性連接； 引線，將所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的加熱電極和信號(hào)感測(cè)電極分別與所述第一電連接件電性連接； 防塵罩，設(shè)于所述第一基座表面上，并覆蓋所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述防塵罩具有若干通孔，所述防塵罩的材質(zhì)為金屬或塑料或陶瓷。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述第一基座表面具有一開口，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的至少部分絕熱層位于所述開口中。11.一種半導(dǎo)體氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括: 提供一表面帶有開口的基座； 在基座的開口內(nèi)填充納米微孔絕熱材料，以在基座內(nèi)形成絕熱層； 提供半導(dǎo)體氣體傳感器芯片，所述半導(dǎo)體氣體傳感器芯片包括: 基底，包括相對(duì)設(shè)置的第一基底表面和第二基底表面； 設(shè)置于所述第一基底表面上的加熱層和功能層； 絕緣介質(zhì)層，設(shè)置于所述功能層和所述加熱層之間； 其中，所述加熱層較所述功能層靠近所述第一基底表面，所述加熱層包括相互電性連接的加熱電阻和加熱電極，所述功能層包括相互電性連接的信號(hào)感測(cè)電極和氣體敏感層；將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片的第二基底表面與絕熱層粘接； 提供引線，將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座電性連接； 提供一防塵罩，覆蓋在半導(dǎo)體氣體傳感器芯片上。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述“在開口內(nèi)填充納米微孔絕熱材料，在基座內(nèi)形成絕熱層”步驟具體為: 將二氧化硅氣凝膠納米顆粒、硅酸鹽納米微孔材料、增強(qiáng)纖維混合并通過漿料填充燒結(jié)法或制成型燒結(jié)法或絕熱板切割填充法三種方法的任意一種在基座內(nèi)形成絕熱層。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體氣體傳感器，其特征在于，所述“提供引線，將半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座實(shí)現(xiàn)電性連接”步驟具體為: 通過熱壓鍵合或熱超聲鍵合工藝用金絲電性連接半導(dǎo)體氣體傳感器芯片和基座。
【文檔編號(hào)】G01N27/00GK106018484SQ201610550247
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】張克棟, 顧唯兵, 王玲, 崔錚
【申請(qǐng)人】蘇州納格光電科技有限公司