一種基于倒裝焊封裝的甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器及其制備方法，屬于MEMS甲烷傳感器及其制備方法。該甲烷傳感器首先采用MEMS技術(shù)加工制備單片高溫加熱器與單片甲烷氣體檢測(cè)器與環(huán)境溫度檢測(cè)器，然后通過(guò)倒裝焊封裝技術(shù)將單片高溫加熱器與單片甲烷氣體檢測(cè)器形成一個(gè)整體的疊層結(jié)構(gòu)形式的微型甲烷傳感器。其中的單片高溫加熱器獨(dú)立加熱至500℃以上高溫；單片甲烷氣體檢測(cè)器獨(dú)立檢測(cè)因甲烷出現(xiàn)及濃度變化造成的溫度下降，其測(cè)量電路與單片高溫加熱器的電路相互獨(dú)立，互不影響。該傳感器的制備工藝與CMOS工藝兼容，該甲烷傳感器功耗低、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)。
【專利說(shuō)明】一種基于倒裝焊封裝的甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種甲烷傳感器及其制備方法，特別是一種適用于工礦物聯(lián)網(wǎng)中使用的基于倒裝焊封裝的甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)前的甲烷傳感器無(wú)法滿足單兵裝備對(duì)低功耗、長(zhǎng)壽命、低成本的檢測(cè)低濃度甲烷的甲烷傳感器的需求。目前用于煤礦井下檢測(cè)低濃度甲烷的仍是基于傳統(tǒng)鉬絲加熱的催化燃燒式甲烷傳感器，其功耗較大，尤其是催化劑的使用導(dǎo)致甲烷檢測(cè)性能不穩(wěn)定、校驗(yàn)時(shí)間短等缺點(diǎn)；而紅外甲烷傳感器價(jià)格高、傳感元件受粉塵與水汽嚴(yán)重影響；這兩種甲烷傳感器都不能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)低功耗甲烷傳感器的應(yīng)用需求。而其它的甲烷傳感器亦無(wú)法適應(yīng)煤礦井下高濕度的環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱元件與測(cè)量元件平行相對(duì)，使測(cè)量元件具有大的感受加熱元件高溫的感溫面積，能高靈敏度的檢測(cè)低濃度甲烷(O?4%)的基于倒裝焊封裝的甲烷傳感器及其制備方法與應(yīng)用。
[0004]針對(duì)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的目的是基于MEMS加工技術(shù)與倒裝焊封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，具體如下:該基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器包括單片高溫加熱器、單片甲烷氣體檢測(cè)器和環(huán)境溫度檢測(cè)器；
[0005]所述單片高溫加熱器包括:支座A、加熱元件、2個(gè)固定端A、2個(gè)鍵合固定端、多個(gè)電極引出端、多個(gè)支撐端；
[0006]所述單片甲烷氣體檢測(cè)器包括支座B、測(cè)溫元件、2個(gè)固定端B、若干鍵合支撐端；
[0007]所述環(huán)境溫度檢測(cè)器包括兩個(gè)電極端及測(cè)量電阻；所述環(huán)境溫度檢測(cè)器設(shè)在單片高溫加熱器的支座A上，或單片甲烷氣體檢測(cè)器的支座B上，或在單片高溫加熱器的支座A與單片甲烷氣體檢測(cè)器的支座B上都設(shè)置有環(huán)境溫度檢測(cè)器；
[0008]所述支座A與支座B都包括硅襯底與硅襯底之上的埋層氧化硅；
[0009]所述固定端A、鍵合固定端、支撐端、電極引出端與電極端均相互獨(dú)立的設(shè)在支座A上的埋層氧化硅上；固定端A及電極端均由硅層加工而成，并在硅層上設(shè)有氧化硅層、在氧化硅層上設(shè)有金屬層；所述固定端A及電極端的硅層內(nèi)均設(shè)有摻雜硅層，金屬層均通過(guò)氧化硅層的窗口與摻雜硅層直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸；鍵合固定端、電極引出端與支撐端均由娃層加工而成，并在娃層上設(shè)有氧化娃層，在氧化娃層上設(shè)有金屬層；加熱兀件同樣由硅層加工而成，并在硅層的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層；所述加熱元件設(shè)有高溫加熱單元、兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的硅懸臂；所述高溫加熱單元為圓環(huán)狀，或多個(gè)加熱條的并聯(lián)；所述硅懸臂的長(zhǎng)度大于300um ;所述單個(gè)的娃懸臂的一端與高溫加熱單兀相連,另一端與支座A上的一個(gè)固定端A相連；電極引出端也設(shè)在支座A的埋層氧化娃上；每個(gè)鍵合固定端、固定端A均與一個(gè)對(duì)應(yīng)的電極引出端的一端相連，尤其是金屬層是相連接的；電極引出端遠(yuǎn)離固定端A和鍵合固定端，其間距離應(yīng)使單片甲烷氣體檢測(cè)器倒裝焊在單片高溫加熱單元上之后，電極引出端與電極端不被單片甲烷氣體檢測(cè)器遮擋，在電極引出端和電極端上可以向外進(jìn)行引線鍵合；在鍵合固定端、支撐端的金屬層上設(shè)有高度相同的金屬凸塊；2個(gè)鍵合固定端與2個(gè)固定端A并排間隔布置，排列順序分別為一個(gè)鍵合固定端、一個(gè)固定端A、另一個(gè)固定端A、另一個(gè)鍵合固定端；
[0010]所述測(cè)溫元件設(shè)有測(cè)溫單元、兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的連接臂，2個(gè)對(duì)稱設(shè)置的支撐臂；所述測(cè)溫單元、連接臂、支撐臂、固定端B依次相連；所述測(cè)溫單元與單片高溫加熱器的高溫加熱單元結(jié)構(gòu)形狀相同，尺寸稍大；所述鍵合支撐端、固定端B均相互獨(dú)立的設(shè)在支座B上的埋層氧化硅上；若在支座B上設(shè)有環(huán)境溫度檢測(cè)器，則環(huán)境溫度檢測(cè)器與固定端B及若干鍵合支撐端相互獨(dú)立、不存在硅層上的連接；所述鍵合支撐端、固定端B均由硅層加工而成，均包括娃層、設(shè)在娃層外的氧化娃層、設(shè)在氧化娃層上的金屬層；固定端B的娃層內(nèi)設(shè)有摻雜硅層，金屬層通過(guò)氧化硅層的窗口與固定端B的摻雜硅層直接接觸構(gòu)成歐姆接觸；測(cè)溫元件由硅層加工而成，并在硅層的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層，懸在空氣中的測(cè)溫元件通過(guò)固定端固定在支座B上的埋層氧化硅上，兩個(gè)固定端構(gòu)成測(cè)溫元件的電通路的兩個(gè)端子;
[0011]單片甲烷氣體檢測(cè)器的正面與單片高溫加熱器的正面平行相對(duì)，對(duì)準(zhǔn)后通過(guò)金屬凸點(diǎn)的金屬鍵合實(shí)現(xiàn)二者的緊密固定與電連接；對(duì)準(zhǔn)后的單片甲烷氣體檢測(cè)器在單片高溫加熱器上的投影特征為:單片甲烷氣體檢測(cè)器的2個(gè)固定端分別與單片高溫加熱器的2個(gè)鍵合固定端重合，單片甲烷氣體檢測(cè)器的鍵合支撐端分別與單片高溫加熱器對(duì)應(yīng)的支撐端重合，測(cè)溫單元的中心與單片高溫加熱器的高溫加熱單元的中心重合，二者的中心到各自的支座具有相同的距離；單片甲烷氣體檢測(cè)器與單片高溫加熱器通過(guò)金屬凸點(diǎn)金屬鍵合固定后，測(cè)溫單元與單片高溫加熱器的高溫加熱單元之間的距離范圍為3至200um;單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件通過(guò)兩個(gè)固定端B、單片高溫加熱器的兩個(gè)鍵合固定端及其上的金屬凸點(diǎn)、與鍵合固定端相連接的兩個(gè)電極引出端在單片高溫加熱器上構(gòu)成一個(gè)二端子器件，并在所述的與鍵合固定端相連接的兩個(gè)電極引出端上進(jìn)行引線鍵合可實(shí)現(xiàn)與外部電路的連接；
[0012]一種基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的應(yīng)用方法，使用時(shí)使該基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的單片甲烷氣體檢測(cè)器位于基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的單片高溫加熱器上的下方，給單片甲烷氣體檢測(cè)器與環(huán)境溫度檢測(cè)器通以微弱電流不使測(cè)溫元件與測(cè)量電阻發(fā)熱；而給單片高溫加熱器通電后則使加熱元件加熱至500°C以上的高溫，使加熱元件進(jìn)入其電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作區(qū)域，所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；功耗在10mW左右；當(dāng)沒(méi)有甲烷氣體時(shí)，單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件受加熱元件的加熱高溫影響溫度升高，電阻增大；而當(dāng)甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)及濃度增加時(shí)，加熱元件的溫度降低，測(cè)溫元件受其影響溫度也降低，導(dǎo)致自身電阻的降低，于是通過(guò)電學(xué)檢測(cè)的方法可以檢測(cè)甲烷的出現(xiàn)及甲烷濃度變化；環(huán)境溫度檢測(cè)器獨(dú)立探測(cè)本發(fā)明微型甲烷傳感器的片上溫度用于甲烷濃度數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償。
[0013]基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的制備方法，其包括兩種制備方法，
[0014]制備方法(一)首先制備分離的單片高溫加熱器與分離的單片甲烷氣體檢測(cè)器，所述的單片高溫加熱器單片甲烷氣體檢測(cè)器采用SOI硅片加工，單片高溫加熱器與單片甲烷氣體檢測(cè)器制備時(shí)可以在同一 SOI硅片上加工，或者在不同的SOI硅片上加工；然后將加工好的分離的單片高溫加熱器與分離的單片甲烷氣體檢測(cè)器采用倒裝焊封裝制備成整體結(jié)構(gòu)形式的本發(fā)明的微型甲烷傳感器；
[0015]制備方法(一)的具體制備步驟為:
[0016]第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層；
[0017]第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0018]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層；
[0019]第四步，制備金屬，并圖形化所制備的金屬形成固定端B、若干鍵合支撐端、固定端A、鍵合固定端、支撐端、電極引出端上與電極端的金屬層以及固定端A、鍵合固定端與電極引出端之間的連接金屬層；
[0020]第五步，光刻形成正面結(jié)構(gòu)的刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE干法刻蝕去除所述刻蝕窗口圖形中的第一步生成的氧化硅層及其下的硅層，刻蝕停止于埋層氧化硅，在埋層氧化硅上形成加熱元件、固定端A、鍵合固定端、電極引出端、多個(gè)支撐端、測(cè)量元件、測(cè)溫元件、固定端B、鍵合支撐端與環(huán)境溫度檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)及劃片槽；
[0021]第六步，在SOI硅片的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG (磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個(gè)SOI硅片的正面；
[0022]第七步，在SOI硅片背面光刻形成背面刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底，刻蝕停止于埋層氧化硅；
[0023]第八步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底露出的埋層氧化硅，釋放出加熱元件、測(cè)溫元件；
[0024]第九步，去除第六步所形成的刻蝕保護(hù)層；
[0025]第十步，對(duì)暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0026]第十一步，采用保護(hù)層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除加熱元件、測(cè)溫元件懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻以外的SOI硅片正面部分；可采用光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備所述光刻膠；也可使用覆蓋在SOI的正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述光刻膠，所述掩蔽版露出除加熱元件、測(cè)溫元件懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻，其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮擋??；
[0027]第十二步，采用ALD原子層沉積方法在熱元件、測(cè)溫元件懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，與第十步形成的薄層氧化硅層共同構(gòu)成鈍化保護(hù)層；
[0028]第十三步，去除第十一步制備的保護(hù)層，干燥；
[0029]第十四步，劃片、裂片后得到數(shù)量眾多分立的單片高溫加熱器與分立的單片甲烷氣體檢測(cè)器；
[0030]第十五步，將制備好的單片高溫加熱器的正面與單片甲烷氣體檢測(cè)器的正面貼合對(duì)準(zhǔn)，隨后將單片高溫加熱器的鍵合固定端、支撐端的金屬層上的金屬凸塊與對(duì)應(yīng)的單片甲烷氣體檢測(cè)器上的固定端B、鍵合支撐端上的金屬相接觸并施加壓力、升溫進(jìn)行鍵合形成整體的疊層結(jié)構(gòu)形式的本發(fā)明的微型甲烷傳感器；
[0031]或制備方法(二)為圓片級(jí)倒裝焊封裝制備權(quán)利要求1所述的微型甲烷傳感器，單片高溫加熱器在一個(gè)SOI硅圓片上加工，單片甲烷氣體檢測(cè)器在另一個(gè)SOI硅圓片上加工；然后采用圓片級(jí)倒裝焊封裝制備成本發(fā)明的微型甲烷傳感器。
[0032]制備方法(二)具體步驟為:
[0033]第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層；
[0034]第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0035]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層；
[0036]第四步，制備金屬，并圖形化所制備的金屬分別形成固定端B、若干鍵合支撐端、固定端A、鍵合固定端、支撐端、電極引出端與電極端上的金屬層以及固定端A、鍵合固定端與電極引出端之間的連接金屬層；
[0037]第五步，光刻形成正面結(jié)構(gòu)的刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE干法刻蝕去除所述刻蝕窗口圖形中的第一步生成的氧化硅層及其下的硅層，刻蝕停止于埋層氧化硅，在埋層氧化硅上形成加熱元件、固定端A、鍵合固定端、電極引出端、多個(gè)支撐端、測(cè)量元件、測(cè)溫元件、固定端B、鍵合支撐端與環(huán)境溫度檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)；
[0038]第六步，在SOI硅片的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG (磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個(gè)SOI硅片的正面；
[0039]第七步，在SOI硅圓片的背面光刻形成背面劃片槽的刻蝕窗口圖形，采用RIE刻蝕SOI硅片背面的氧化硅與底層硅，形成劃片槽；
[0040]第八步，在SOI硅片背面光刻形成背面刻蝕窗口圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底，刻蝕停止于埋層氧化硅，釋放出加熱元件、測(cè)溫元件；
[0041]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底露出的埋層氧化硅，釋放出加熱元件、測(cè)溫元件；
[0042]第十步，去除第六步所形成的刻蝕保護(hù)層；
[0043]第十一步，對(duì)暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0044]第十二步，采用保護(hù)層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除加熱元件、測(cè)溫元件懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻以外的SOI硅片正面部分；可采用光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備所述光刻膠；也可使用覆蓋在SOI的正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述光刻膠，所述掩蔽版露出除加熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032，其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮擋住；
[0045]第十三步，采用ALD原子層沉積方法在熱元件、測(cè)溫元件懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，與第十一步形成的薄層氧化硅層一起構(gòu)成鈍化保護(hù)層；
[0046]第十四步，去除第十二步制備的保護(hù)層，干燥；
[0047]上述第一步至第十四步為單片高溫加熱器、單片甲烷氣體檢測(cè)器在各自SOI硅圓片上的加工步驟；
[0048]第十五步，將制備好有單片高溫加熱器的硅圓片的正面與制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器的硅圓片的正面貼合對(duì)準(zhǔn)，隨后將單片高溫加熱器的鍵合固定端、支撐端的金屬層上的金屬凸塊與對(duì)應(yīng)的單片甲烷氣體檢測(cè)器上固定端B、若干鍵合支撐端接觸并施加壓力、升溫進(jìn)行鍵合形成含有單片高溫加熱器的硅圓片與含有單片甲烷氣體檢測(cè)器的硅圓片為一體的疊層式硅圓片；
[0049]第十六步，沿第七步所述在制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器的SOI硅圓片背面上的劃片槽劃片，沿本步驟所述劃片槽劃片的切割深度只有一個(gè)SOI硅圓片的厚度，去除掉所述制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器的SOI硅圓片上的切割的硅，露出單片高溫加熱器上的電極引出端；
[0050]第十七步，沿第七步所述在制備有單片高溫加熱器的SOI硅圓片背面上的劃片槽劃片；沿本步驟所述劃片槽劃片的切割深度為兩個(gè)SOI硅圓片的厚度；裂片后得到本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器。
[0051]有益效果，本發(fā)明的微型甲烷傳感器的首先以SOI硅圓片為襯底采用MEMS工藝加工單片高溫加熱器、單片甲烷氣體檢測(cè)器與境溫度檢測(cè)器，繼而采用倒裝焊封裝方法獲得本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器，由于采用了上述方案，具有以下有效效果:
[0052]1、本發(fā)明的甲烷傳感器不使用催化劑，使用單片高溫加熱器與單片甲烷氣體檢測(cè)器便可實(shí)現(xiàn)低濃度甲烷氣體的檢測(cè)；同時(shí)，本發(fā)明的甲烷傳感器對(duì)甲烷的檢測(cè)無(wú)需氧氣參與，因此不受空氣中氧氣的影響；
[0053]2、本發(fā)明的單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件具有與單片高溫加熱器的加熱元件相同的形狀，且通過(guò)疊層的形式面面平行相對(duì)，使本發(fā)明的單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件具有更大的受熱面積，而獨(dú)立的高溫加熱單元與獨(dú)立的溫度檢測(cè)器的單片集成方式則無(wú)法實(shí)現(xiàn)本發(fā)明溫度檢測(cè)器大的感熱面積，因此使本發(fā)明的單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件能更加有效的獨(dú)立感受高溫加熱單元的溫度變化信息；上述因素都使得本發(fā)明的甲烷傳感器具有更聞的靈敏度；
[0054]3、本發(fā)明的甲烷傳感器不含有催化劑與催化載體，因此，傳感器的性能不受催化劑的影響，不存在催化劑活性降低導(dǎo)致的靈敏度降低、中毒、激活等問(wèn)題；
[0055]4、本發(fā)明的甲烷傳感器的硅加熱器與單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件都懸在空氣中且遠(yuǎn)離各自的支座，距離大于300um以上，以較低的電功率即可將硅加熱器加熱到500°C以上的高溫，因此具有功耗低的優(yōu)勢(shì)；其次，本發(fā)明的單片高溫加熱器的加熱元件與單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件相互獨(dú)立，沒(méi)有直接接觸，即不存在固態(tài)介質(zhì)連接，因此不存在從加熱元件到測(cè)溫元件的熱傳導(dǎo)形式的能量損失，因此有效降低了單片高溫加熱器的加熱元件的加熱到工作狀態(tài)時(shí)的功耗；并且，本發(fā)明的甲烷傳感器僅單片高溫加熱器的一個(gè)加熱元件需要加熱到高溫；單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件與環(huán)境溫度檢測(cè)器都只需極低的電流即可工作，而無(wú)需加熱至高溫，因此單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件與環(huán)境溫度檢測(cè)器的功耗都極低；并且，在使用時(shí)，單片甲烷氣體檢測(cè)器位于單片高溫加熱器的下方，這也有助于降低高溫加熱器的加熱元件的功耗；上述的綜合措施使本發(fā)明的甲烷傳感器的整體功耗得以大幅降低；
[0056]5、本發(fā)明的單片高溫加熱器的加熱元件、單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件、環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻都是硅材料，使得加工工藝統(tǒng)一、簡(jiǎn)單、成本較低；
[0057]6、本發(fā)明的單片高溫加熱器的加熱元件、單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件都是采用性能穩(wěn)定的單晶硅加工得到，這使本發(fā)明的甲烷傳感器在高溫工作狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性與長(zhǎng)的壽命；這是因?yàn)閱尉Ч璨淮嬖阢f、鎢等金屬加熱材料在500攝氏度以上的高溫容易揮發(fā)、遷移等缺點(diǎn)、也不存在多晶硅電阻在高溫下晶界電阻易于變化、無(wú)法掌控的缺點(diǎn)；同時(shí)，在本發(fā)明的單片高溫加熱器的加熱元件、單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件及環(huán)境溫度檢測(cè)器的測(cè)量電阻的外表面設(shè)置的鈍化層也降低了外界環(huán)境對(duì)上述元器件的影響，從而進(jìn)一步提高了本發(fā)明的甲烷傳感器性能的穩(wěn)定性；
[0058]7、本發(fā)明的微型甲烷傳感器的單片高溫加熱器的加熱元件、單片甲烷氣體檢測(cè)器的測(cè)溫元件及環(huán)境溫度檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立，不再受傳統(tǒng)的單一元件加熱與測(cè)溫功能復(fù)用的限制，可以單獨(dú)調(diào)控加熱元件、同時(shí)單獨(dú)對(duì)測(cè)溫元件進(jìn)行檢測(cè)，加熱與測(cè)溫不存在耦合，從而可對(duì)加熱元件與測(cè)溫元件分別進(jìn)行精確的調(diào)控，這使本發(fā)明的甲烷傳感器可具有多種工作模式，且使調(diào)控配置簡(jiǎn)單、靈活，繼而提高甲烷傳感器的智能化水平及傳感性倉(cāng)泛;
[0059]8、本發(fā)明的環(huán)境溫度檢測(cè)器用于獨(dú)立檢測(cè)環(huán)境溫度，這為本發(fā)明的甲烷檢測(cè)提供了與加熱元件、測(cè)溫元件距離最近、最真實(shí)的溫度數(shù)據(jù)，有利于溫度補(bǔ)償特性的提高、同時(shí)也為甲烷傳感器智能化提供了良好基礎(chǔ)；
[0060]9、本發(fā)明的甲烷傳感器采用MEMS工藝加工，尺寸小不但使傳感器功耗低，并且響應(yīng)速度快，可達(dá)40ms左右；由于采用自加熱效應(yīng)低的單片甲烷氣體檢測(cè)器檢測(cè)甲烷濃度，其熱噪聲的降低使傳感器的靈敏度得到提高；
[0061]10、本發(fā)明的甲烷傳感器可采用CMOS工藝批量生產(chǎn)，可具有良好的一致性，因此還可批量校準(zhǔn)，因此能進(jìn)一步提高傳感器性能并降低傳感器校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的成本；
[0062]優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的一種基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器，只使用一個(gè)高溫加熱元件，整體功耗低；設(shè)置的測(cè)溫元件具有更大的受熱面積，使靈敏度得到更高；具有更長(zhǎng)的使用壽命；其制備方法可與CMOS工藝兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性；易于進(jìn)行溫度補(bǔ)償；可批量校準(zhǔn)；能夠滿足煤礦井下環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)單兵裝備對(duì)高性能甲烷傳感器的需求。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0063]圖1 (a)為本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的單片高溫加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0064]圖1(b)為本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的單片甲烷氣體檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0065]圖2為圖1中的A-A截面剖視圖，即單片甲烷氣體檢測(cè)器的固定端B的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0066]圖3為本發(fā)明的單片高溫加熱器的高溫加熱單元采用多個(gè)加熱條并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式的示意圖。
[0067]圖4為本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的倒裝焊封裝制的順序示意圖。
[0068]圖5為使用本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器時(shí)的放置示意圖。
[0069]圖6本發(fā)明的單片高溫加熱器的加熱元件的電流-電阻特性曲線。
[0070]圖中:1-單片高溫加熱器，2-單片甲烷氣體檢測(cè)器，3-環(huán)境溫度檢測(cè)器，11-硅襯底，12-埋層氧化娃,21-娃層,22-金屬層,23-氧化娃層,24-摻雜娃層,25-鈍化保護(hù)層，101-支座A，102-固定端A，103-加熱元件，104-電極引出端，105-支撐端，106-鍵合固定端A，201-支座B，202-固定端B，203-測(cè)溫元件，204-鍵合支撐端B，500-金屬凸點(diǎn)，1031-高溫加熱單元，1032-硅懸臂，1041-電極端，1041-電極端，2031-測(cè)溫單元，2032-支撐臂，2033-連接臂。

【具體實(shí)施方式】
[0071]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0072]如圖1(a)、圖1(b)、圖2、圖3中，該微型甲烷傳感器包括所示單片高溫加熱器、單片甲烷氣體檢測(cè)器和環(huán)境溫度檢測(cè)器；
[0073]所述單片高溫加熱器I包括:支座A 101、加熱元件103、2個(gè)固定端A 102,2個(gè)鍵合固定端A106、多個(gè)電極引出端104、多個(gè)支撐端105 ；
[0074]所述單片甲烷氣體檢測(cè)器2包括支座B 201、測(cè)溫元件203、2個(gè)固定端B 202、若干鍵合支撐端204 ；
[0075]所述環(huán)境溫度檢測(cè)器3包括兩個(gè)電極端1041及測(cè)量電阻32 ;所述環(huán)境溫度檢測(cè)器3設(shè)在單片高溫加熱器I的支座A 101上，或單片甲烷氣體檢測(cè)器2的支座B 201上，或在單片高溫加熱器I的支座A 101與單片甲烷氣體檢測(cè)器2的支座B 201上都設(shè)置有環(huán)境溫度檢測(cè)器3 ；
[0076]所述支座A 101與支座B 201都包括硅襯底11與硅襯底11之上的埋層氧化硅12 ；
[0077]所述固定端A 102、鍵合固定端A106、支撐端105、電極引出端104與電極端1041均相互獨(dú)立的設(shè)在支座A 101上的埋層氧化硅12上；固定端A 102及電極端1041均由硅層21加工而成，并在硅層21上設(shè)有氧化硅層23、在氧化硅層23上設(shè)有金屬層22 ;所述固定端A 102及電極端1041的硅層21內(nèi)均設(shè)有摻雜硅層24，金屬層22均通過(guò)氧化硅層23的窗口與摻雜硅層24直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸；鍵合固定端A106、電極引出端104與支撐端105均由娃層21加工而成,并在娃層21上設(shè)有氧化娃層23,在氧化娃層23上設(shè)有金屬層22 ;加熱兀件103同樣由娃層21加工而成，并在娃層21的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層25 ；所述加熱元件103設(shè)有高溫加熱單元1031、兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的硅懸臂1032 ;所述高溫加熱單元1031為圓環(huán)狀，或?yàn)槿鐖D3所示多個(gè)加熱條1013的并聯(lián)；所述硅懸臂1032的長(zhǎng)度大于300um ;所述單個(gè)的硅懸臂1032的一端與高溫加熱單元1031相連，另一端與支座AlOl上的一個(gè)固定端A102相連；電極引出端104也設(shè)在支座A 101的埋層氧化硅12上；每個(gè)鍵合固定端A106、固定端A 102均與一個(gè)對(duì)應(yīng)的電極引出端104的一端相連，尤其是金屬層22是相連接的；電極引出端104遠(yuǎn)離固定端A 102和鍵合固定端A106，其間距離應(yīng)使單片甲烷氣體檢測(cè)器2倒裝焊在單片高溫加熱單元上I之后，電極引出端104與電極端1041不被單片甲烷氣體檢測(cè)器2遮擋，在電極引出端104和電極端1041上可以向外進(jìn)行引線鍵合；在鍵合固定端A106、支撐端105的金屬層22上設(shè)有高度相同的金屬凸塊500 ；2個(gè)鍵合固定端A106與2個(gè)固定端A 102并排間隔布置,排列順序分別為一個(gè)鍵合固定端A106、一個(gè)固定端A102、另一個(gè)固定端A 102、另一個(gè)鍵合固定端A106 ；
[0078]如圖1 (b)所述測(cè)溫元件203設(shè)有測(cè)溫單元2031、兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的連接臂2033，2個(gè)對(duì)稱設(shè)置的支撐臂2032 ;所述測(cè)溫單元2031、連接臂2033、支撐臂2032、固定端B 202依次相連；所述測(cè)溫單元2031與單片高溫加熱器I的高溫加熱單元1031結(jié)構(gòu)形狀相同，尺寸稍大；所述鍵合支撐端204、固定端B 202均相互獨(dú)立的設(shè)在支座B 201上的埋層氧化硅12上；若在支座B 201上設(shè)有環(huán)境溫度檢測(cè)器3，則環(huán)境溫度檢測(cè)器3與固定端B 202及若干鍵合支撐端204相互獨(dú)立、不存在硅層21上的連接；所述鍵合支撐端204、固定端B 202均由硅層21加工而成，均包括硅層21、設(shè)在硅層21外的氧化硅層23、設(shè)在氧化硅層23上的金屬層22 ;固定端B 202的娃層21內(nèi)設(shè)有摻雜娃層24,金屬層22通過(guò)氧化娃層23的窗口與固定端B 202的摻雜硅層24直接接觸構(gòu)成歐姆接觸；測(cè)溫元件203由硅層21加工而成，并在硅層21的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層25，懸在空氣中的測(cè)溫元件203通過(guò)固定端B 202固定在支座B 201上的埋層氧化硅12上，兩個(gè)固定端B 202構(gòu)成測(cè)溫元件203的電通路的兩個(gè)端子；
[0079]單片甲烷氣體檢測(cè)器2的正面與單片高溫加熱器I的正面平行相對(duì)，對(duì)準(zhǔn)后通過(guò)金屬凸點(diǎn)500的金屬鍵合實(shí)現(xiàn)二者的緊密固定與電連接；對(duì)準(zhǔn)后的單片甲烷氣體檢測(cè)器2在單片高溫加熱器I上的投影特征為:單片甲烷氣體檢測(cè)器2的2個(gè)固定端B 202分別與單片高溫加熱器I的2個(gè)鍵合固定端A106重合，單片甲烷氣體檢測(cè)器2的鍵合支撐端204分別與單片高溫加熱器I對(duì)應(yīng)的支撐端105重合，測(cè)溫單元2031的中心與單片高溫加熱器I的高溫加熱單元1031的中心重合，二者的中心到各自的支座具有相同的距離；單片甲烷氣體檢測(cè)器2與單片高溫加熱器I通過(guò)金屬凸點(diǎn)500金屬鍵合固定后，測(cè)溫單元2031與單片高溫加熱器I的高溫加熱單元1031之間的距離范圍為3至200um ;單片甲烷氣體檢測(cè)器2的測(cè)溫元件203通過(guò)兩個(gè)固定端B 202、單片高溫加熱器I的兩個(gè)鍵合固定端A106及其上的金屬凸點(diǎn)500、與鍵合固定端A106相連接的兩個(gè)電極引出端104在單片高溫加熱器I上構(gòu)成一個(gè)二端子器件，在所述的與鍵合固定端A106相連接的兩個(gè)電極引出端104上進(jìn)行弓I線鍵合可實(shí)現(xiàn)與外部電路的連接。
[0080]一種基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的應(yīng)用方法，使用時(shí)如圖5所示，使單片甲烷氣體檢測(cè)器2位于單片高溫加熱器上I的下方。給單片甲烷氣體檢測(cè)器2與環(huán)境溫度檢測(cè)器3通以微弱電流不使測(cè)溫元件203與測(cè)量電阻32發(fā)熱；而給單片高溫加熱器I通電后則使加熱元件103加熱至500°C以上的高溫，使加熱元件103工作在如圖6所示的電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作區(qū)域，所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；加熱元件103的功耗在10mW左右；當(dāng)沒(méi)有甲烷氣體時(shí)，單片甲烷氣體檢測(cè)器2的測(cè)溫元件203受加熱元件103的加熱高溫影響溫度升高，電阻增大；而當(dāng)甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)及濃度增加時(shí)，加熱元件103的溫度降低，測(cè)溫元件203受其影響溫度也降低，導(dǎo)致自身電阻的降低，于是通過(guò)電學(xué)檢測(cè)的方法可以檢測(cè)甲烷的出現(xiàn)及甲烷濃度變化；環(huán)境溫度檢測(cè)器3獨(dú)立探測(cè)本發(fā)明微型甲烷傳感器的片上溫度用于甲烷濃度數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償。
[0081]基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的制備方法，包括兩種制備方法:
[0082]制備方法(一)首先制備分離的單片高溫加熱器I與分離的單片甲烷氣體檢測(cè)器2，所述的單片高溫加熱器I單片甲烷氣體檢測(cè)器2采用SOI硅片加工，單片高溫加熱器I與單片甲烷氣體檢測(cè)器2制備時(shí)可以在同一 SOI硅片上加工，或者在不同的SOI硅片上加工；然后將加工好的分離的單片高溫加熱器I與分離的單片甲烷氣體檢測(cè)器2采用倒裝焊封裝制備成整體結(jié)構(gòu)形式的本發(fā)明的微型甲烷傳感器。
[0083]制備方法(一)的具體制備步驟為:
[0084]第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層23 ；
[0085]第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層23，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0086]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層24 ；
[0087]第四步，制備金屬，并圖形化所制備的金屬形成固定端B 202、若干鍵合支撐端204、固定端A 102、鍵合固定端A106、支撐端105、電極引出端104上與電極端1041的金屬層22以及固定端A 102、鍵合固定端A106與電極引出端104之間的連接金屬層；
[0088]第五步，光刻形成正面結(jié)構(gòu)的刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE干法刻蝕第一步生成的氧化硅層23及其下的硅層21，刻蝕停止于埋層氧化硅12，在埋層氧化硅12上形成加熱元件103、固定端A 102、鍵合固定端A106、電極引出端104、多個(gè)支撐端105、測(cè)量元件102、測(cè)溫元件203、固定端B 202、鍵合支撐端204與環(huán)境溫度檢測(cè)器3的結(jié)構(gòu)及劃片槽；
[0089]第六步，在SOI硅片的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG (磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個(gè)SOI硅片的正面；
[0090]第七步，在SOI硅片背面光刻形成背面刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕)或 DRI (Deep Reactive 1nEtching，深反應(yīng)離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底11，刻蝕停止于埋層氧化硅12 ；
[0091]第八步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底11露出的埋層氧化硅12，釋放出加熱元件103、測(cè)溫元件203 ；
[0092]第九步，去除第七步所形成的刻蝕保護(hù)層；
[0093]第十步，對(duì)暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0094]第十一步，采用保護(hù)層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除加熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032以外的SOI硅片正面部分；可采用光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備所述光刻膠；也可使用覆蓋在SOI的正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述光刻膠，所述掩蔽版露出除加熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032，而其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮擋?。?br> [0095]第十二步，采用ALD (原子層沉積)方法在熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，與第十一步形成的薄層氧化硅層共同構(gòu)成鈍化保護(hù)層25 ；
[0096]第十三步，去除第十二步制備的保護(hù)層，干燥；
[0097]第十四步，劃片、裂片后得到數(shù)量眾多分立的單片高溫加熱器I與分立的單片甲烷氣體檢測(cè)器2 ；
[0098]第十五步，如圖4所示，將制備好的單片高溫加熱器I的正面與單片甲烷氣體檢測(cè)器2的正面貼合對(duì)準(zhǔn)(由a到b);隨后將單片高溫加熱器I的鍵合固定端A106、支撐端105的金屬層22上的金屬凸塊500與對(duì)應(yīng)的單片甲烷氣體檢測(cè)器2上的固定端B 202、鍵合支撐端204上的金屬相接觸并施加壓力、升溫進(jìn)行鍵合形成整體的疊層結(jié)構(gòu)形式的如圖5所示的本發(fā)明的微型甲烷傳感器(由b到c)。
[0099]或制備方法(二)為圓片級(jí)倒裝焊封裝制備權(quán)利要求1所述的微型甲烷傳感器，單片高溫加熱器I在一個(gè)SOI硅圓片上加工，單片甲烷氣體檢測(cè)器2在另一個(gè)SOI硅圓片上加工；然后采用圓片級(jí)倒裝焊封裝制備成本發(fā)明的微型甲烷傳感器。
[0100]制備方法(二)的具體步驟為:
[0101]第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層23 ;
[0102]第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層23，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ；
[0103]第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層24 ；
[0104]第四步，制備金屬，并圖形化所制備的金屬分別形成固定端B 202、若干鍵合支撐端204、固定端A 102、鍵合固定端A106、支撐端105、電極引出端104與電極端1041上的金屬層22以及固定端A 102、鍵合固定端A106與電極引出端104之間的連接金屬層；
[0105]第五步，光刻形成正面結(jié)構(gòu)的刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE干法刻蝕去除所述刻蝕窗口圖形中的第一步生成的氧化硅層23及其下的硅層21，刻蝕停止于埋層氧化硅12，在埋層氧化娃12上形成加熱元件103、固定端A 102、鍵合固定端A106、電極引出端104、多個(gè)支撐端105、測(cè)量元件102、測(cè)溫元件203、固定端B 202、鍵合支撐端204與環(huán)境溫度檢測(cè)器3的結(jié)構(gòu)；
[0106]第六步，在SOI硅片的正面制備刻蝕保護(hù)層，采用光刻膠或PSG (磷硅玻璃)作為刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個(gè)SOI硅片的正面；
[0107]第七步，在SOI硅圓片的背面光刻形成背面劃片槽的刻蝕窗口圖形，采用RIE刻蝕SOI硅片背面的氧化硅與底層硅，形成劃片槽；
[0108]第八步，在SOI硅片背面光刻形成背面刻蝕窗口圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE深反應(yīng)離子刻蝕等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底11，刻蝕停止于埋層氧化娃12 ；
[0109]第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底11露出的埋層氧化硅12，釋放出加熱元件103、測(cè)溫元件203 ；
[0110]第十步，去除第六步所形成的刻蝕保護(hù)層；
[0111]第十一步，對(duì)暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層；
[0112]第十二步，采用保護(hù)層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除加熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032以外的SOI硅片正面部分；可采用光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備所述光刻膠；也可使用覆蓋在SOI的正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述光刻膠，所述掩蔽版露出除加熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032，而其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮擋住；
[0113]第十三步，采用ALD方法在熱元件103、測(cè)溫元件203懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器3的測(cè)量電阻1032的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，與第十一步形成的薄層氧化硅層一起構(gòu)成鈍化保護(hù)層25 ；
[0114]第十四步，去除第十二步制備的保護(hù)層，干燥；
[0115]上述第一步至第十四步為單片高溫加熱器1、單片甲烷氣體檢測(cè)器2在各自SOI硅圓片上的加工步驟；
[0116]第十五步，將制備好有單片高溫加熱器I的硅圓片的正面與制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器2的硅圓片的正面貼合對(duì)準(zhǔn)，隨后將單片高溫加熱器I的鍵合固定端A106、支撐端105的金屬層22上的金屬凸塊500與對(duì)應(yīng)的單片甲烷氣體檢測(cè)器2上固定端B 202、若干鍵合支撐端204接觸并施加壓力、升溫進(jìn)行鍵合形成含有單片高溫加熱器I的硅圓片與含有單片甲烷氣體檢測(cè)器2的硅圓片為一體的疊層式硅圓片；
[0117]第十六步，沿第七步所述在制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器2的SOI硅圓片背面上的劃片槽劃片，沿本步驟所述劃片槽劃片的切割深度只有一個(gè)SOI硅圓片的厚度，去除掉所述制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器2的SOI硅圓片上的切割的硅，露出單片高溫加熱器I上的電極引出端104 ；
[0118]第十七步，沿第七步所述在制備有單片高溫加熱器I的SOI硅圓片背面上的劃片槽劃片；沿本步驟所述劃片槽劃片的切割深度為兩個(gè)SOI硅圓片的厚度；裂片得到本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器，其特征在于:它包括單片高溫加熱器(I)、單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)和環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)； 所述單片高溫加熱器(I)包括:支座A (101)、加熱元件(103)、2個(gè)固定端A (102),2個(gè)鍵合固定端A (106)、多個(gè)電極引出端(104)、多個(gè)支撐端(105)； 所述單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)包括支座B (201)、測(cè)溫元件(203)、2個(gè)固定端B (202)、若干鍵合支撐端(204)； 所述環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)包括兩個(gè)電極端(1041)及測(cè)量電阻(32);所述環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)設(shè)在單片高溫加熱器(I)的支座A (101)上，或單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的支座B (201)上，或在單片高溫加熱器(I)的支座A (101)與單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的支座B(201)上都設(shè)置有環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)； 所述支座A (101)與支座B (201)都包括硅襯底(11)與硅襯底(11)之上的埋層氧化硅(12)； 所述固定端A (102)、鍵合固定端A (106)、支撐端(105)、電極引出端(104)與電極端(1041)均相互獨(dú)立的設(shè)在支座A (101)上的埋層氧化硅(12)上；固定端A (102)及電極端(1041)均由硅層(21)加工而成，并在硅層(21)上設(shè)有氧化硅層(23)、在氧化硅層(23)上設(shè)有金屬層(22);所述固定端A (102)及電極端(1041)的硅層(21)內(nèi)均設(shè)有摻雜硅層(24 )，金屬層(22 )均通過(guò)氧化硅層(23 )的窗口與摻雜硅層(24 )直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸；鍵合固定端A (106)、電極引出端(104)與支撐端(105)均由娃層(21)加工而成,并在娃層(21)上設(shè)有氧化娃層(23),在氧化娃層(23)上設(shè)有金屬層(22);加熱兀件(103)同樣由娃層(21)加工而成，并在硅層(21)的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層(25);所述加熱元件(103)設(shè)有高溫加熱單元(1031)、兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的硅懸臂(1032);所述高溫加熱單元(1031)為圓環(huán)狀，或多個(gè)加熱條的并聯(lián)；所述硅懸臂(1032)的長(zhǎng)度大于300um ;所述單個(gè)的硅懸臂(1032)的一端與高溫加熱單元(1031)相連，另一端與支座A (101)上的一個(gè)固定端A (102)相連；電極引出端(104)也設(shè)在支座A (101)的埋層氧化硅(12)上；每個(gè)鍵合固定端A (106)、固定端A (102)均與一個(gè)對(duì)應(yīng)的電極引出端(104)的一端相連，尤其是金屬層(22)是相連接的；電極引出端(104)遠(yuǎn)離固定端A (102)和鍵合固定端A (106)，其間距離應(yīng)使單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)倒裝焊在單片高溫加熱單元上(I)之后，電極引出端(104)與電極端(1041)不被單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)遮擋，在電極引出端(104)和電極端(1041)上可以向外進(jìn)行弓I線鍵合；在鍵合固定端A (106)、支撐端(105)的金屬層(22)上設(shè)有高度相同的金屬凸塊(500) ;2個(gè)鍵合固定端A (106)與2個(gè)固定端A (102)并排間隔布置，排列順序分別為一個(gè)鍵合固定端A (106)、一個(gè)固定端A (102)、另一個(gè)固定端A (102)、另一個(gè)鍵合固定端A(106)； 所述測(cè)溫元件(203)設(shè)有測(cè)溫單元(2031)、兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的連接臂(2033)，2個(gè)對(duì)稱設(shè)置的支撐臂(2032);所述測(cè)溫單元(2031)、連接臂(2033)、支撐臂(2032)、固定端B (202)依次相連；所述測(cè)溫單元(2031)與單片高溫加熱器(I)的高溫加熱單元(1031)結(jié)構(gòu)形狀相同，尺寸稍大；所述鍵合支撐端(204)、固定端B (202)均相互獨(dú)立的設(shè)在支座B (201)上的埋層氧化硅(12)上；若在支座B (201)上設(shè)有環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)，則環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)與固定端B (202)及若干鍵合支撐端(204)相互獨(dú)立、不存在硅層(21)上的連接；所述鍵合支撐端(204)、固定端B (202)均由硅層(21)加工而成，均包括硅層(21)、設(shè)在硅層(21)外的氧化娃層(23)、設(shè)在氧化娃層(23)上的金屬層(22);固定端B (202)的娃層(21)內(nèi)設(shè)有摻雜娃層(24),金屬層(22)通過(guò)氧化娃層(23)的窗口與固定端B (202)的摻雜娃層(24)直接接觸構(gòu)成歐姆接觸；測(cè)溫元件(203)由硅層(21)加工而成，并在硅層(21)的外表面設(shè)有鈍化保護(hù)層(25)，懸在空氣中的測(cè)溫元件(203)通過(guò)固定端B (202)固定在支座B (201)上的埋層氧化硅(12)上，兩個(gè)固定端B (202)構(gòu)成測(cè)溫元件(203)的電通路的兩個(gè)端子；單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的正面與單片高溫加熱器(I)的正面平行相對(duì)，對(duì)準(zhǔn)后通過(guò)金屬凸點(diǎn)(500)的金屬鍵合實(shí)現(xiàn)二者的緊密固定與電連接；對(duì)準(zhǔn)后的單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)在單片高溫加熱器(I)上的投影特征為:單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的2個(gè)固定端B(202)分別與單片高溫加熱器(I)的2個(gè)鍵合固定端A (106)重合，單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的鍵合支撐端(204)分別與單片高溫加熱器(I)對(duì)應(yīng)的支撐端(105)重合，測(cè)溫單元(2031)的中心與單片高溫加熱器(I)的高溫加熱單元(1031)的中心重合，二者的中心到各自的支座具有相同的距離；單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)與單片高溫加熱器(I)通過(guò)金屬凸點(diǎn)(500)金屬鍵合固定后，測(cè)溫單元(2031)與單片高溫加熱器(I)的高溫加熱單元(1031)之間的距離的距離范圍為3至200um ;單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的測(cè)溫元件(203)通過(guò)兩個(gè)固定端B(202),單片高溫加熱器(I)的兩個(gè)鍵合固定端A (106)及其上的金屬凸點(diǎn)(500)、與鍵合固定端A (106 )相連接的兩個(gè)電極引出端(104 )在單片高溫加熱器(I)上構(gòu)成一個(gè)二端子器件，在所述的與鍵合固定端A (106)相連接的兩個(gè)電極引出端(104)上進(jìn)行引線鍵合可實(shí)現(xiàn)與外部電路的連接。
2.一種基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的應(yīng)用方法，使用時(shí)使單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)位于單片高溫加熱器上(I)的下方，給單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)與環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)通以微弱電流不使測(cè)溫元件(203)與測(cè)量電阻(32)發(fā)熱；而給單片高溫加熱器(I)通電后則使加熱元件(103)加熱至500°C以上的高溫，進(jìn)入電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)的工作區(qū)域；所述轉(zhuǎn)折點(diǎn)為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點(diǎn)，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時(shí)，電阻不再繼續(xù)增大反而減??；當(dāng)沒(méi)有甲烷氣體時(shí)，單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的測(cè)溫元件(203)受加熱元件(103)的加熱高溫影響溫度升高，電阻增大；而當(dāng)甲烷氣體出現(xiàn)時(shí)及濃度增加時(shí)，加熱元件(103)的溫度降低，測(cè)溫元件(203)受其影響溫度也降低，導(dǎo)致自身電阻的降低，于是通過(guò)電學(xué)檢測(cè)的方法可以檢測(cè)甲烷的出現(xiàn)及甲烷濃度變化；環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)獨(dú)立探測(cè)本發(fā)明微型甲烷傳感器的片上溫度用于甲烷濃度數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償。
3.如權(quán)利要求1所述的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器的制備方法，其特征是:其包括兩種制備方法:制備方法(一)首先制備分離的單片高溫加熱器(I)與分離的單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)，所述的單片高溫加熱器(I)單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)采用SOI硅片加工，單片高溫加熱器(I)與單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)制備時(shí)可以在同一 SOI硅片上加工，或者在不同的SOI硅片上加工；然后將加工好的分離的單片高溫加熱器(I)與分離的單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)采用倒裝焊封裝制備成整體結(jié)構(gòu)形式的本發(fā)明的微型甲烷傳感器； 其具體制備步驟為: 第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層(23)； 第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層(23)，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ； 第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層(24)； 第四步，淀積或蒸發(fā)制備金屬層，并圖形化所制備的金屬形成固定端B (202)、若干鍵合支撐端(204)、固定端A (102)、鍵合固定端A (106)、支撐端(105)、電極引出端(104)、電極端(1041)的金屬層(22)，以及固定端A (102)、鍵合固定端A (106)與電極引出端(104)之間的連接金屬層； 第五步，光刻形成正面結(jié)構(gòu)的刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE(Reactive 1n Etching,反應(yīng)離子刻蝕)干法刻蝕去除所述刻蝕窗口圖形中的第一步生成的氧化硅層(23)及其下的硅層(21 )，刻蝕停止于埋層氧化硅(12)，在埋層氧化硅(12)上形成加熱元件(103)、固定端A (102)、鍵合固定端A (106)、電極引出端(104)、多個(gè)支撐端(105)、測(cè)量元件(102)、測(cè)溫元件(203)、固定端B (202)、鍵合支撐端(204)與環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的結(jié)構(gòu)及劃片槽； 第六步，在SOI硅片的正面制備刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個(gè)SOI硅片的正面； 第七步，在SOI硅片背面光刻形成背面刻蝕窗口的圖形，采用濕法刻蝕或ICP (Inductively Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕)或 DRIE(Deep Reactive 1nEtching，深反應(yīng)離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底(11)，刻蝕停止于埋層氧化硅(12); 第八步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底(11)露出的埋層氧化硅(12)，釋放出加熱元件(103)、測(cè)溫元件(203),釋放出加熱元件、測(cè)溫元件； 第九步，去除第六步所形成的刻蝕保護(hù)層； 第十步，對(duì)暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層； 第十一步，采用保護(hù)層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除加熱元件(103)、測(cè)溫元件(203)懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的測(cè)量電阻(1032)以外的SOI硅片正面部分；可采用光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備所述光刻膠；也可使用覆蓋在SOI的正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述光刻膠，所述掩蔽版僅露出除加熱元件(103)、測(cè)溫元件(203)懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的測(cè)量電阻(1032)，而其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮擋住； 第十二步，采用ALD原子層沉積方法在熱元件(103)、測(cè)溫元件(203)懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的測(cè)量電阻(1032)的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，與第十步形成的薄層氧化硅層共同構(gòu)成鈍化保護(hù)層(25)； 第十三步，去除第十一步制備的保護(hù)層，干燥SOI硅片； 第十四步，劃片、裂片后得到數(shù)量眾多分立的單片高溫加熱器(I)與分立的單片甲烷氣體檢測(cè)器(2); 第十五步，將制備好的單片高溫加熱器(I)的正面與單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的正面貼合對(duì)準(zhǔn)，隨后將單片高溫加熱器(I)的鍵合固定端A (106)、支撐端(105)的金屬層(22)上的金屬凸塊(500)與對(duì)應(yīng)的單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)上的固定端B (202)、鍵合支撐端(204)上的金屬相接觸并施加壓力、升溫進(jìn)行鍵合形成整體的疊層結(jié)構(gòu)形式的本發(fā)明的微型甲烷傳感器；或制備方法(二)為圓片級(jí)倒裝焊封裝制備權(quán)利要求1所述的微型甲烷傳感器，單片高溫加熱器(I)在一個(gè)SOI硅圓片上加工，單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)在另一個(gè)SOI硅圓片上加工；然后采用圓片級(jí)倒裝焊封裝制備成本發(fā)明的微型甲烷傳感器； 其具體步驟為: 第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層(23)； 第二步，圖形化頂層硅之上的氧化硅層(23)，形成摻雜或離子注入所需的窗口 ； 第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層(24)； 第四步，制備金屬，并圖形化所制備的金屬分別形成固定端B (202)、若干鍵合支撐端(204)、固定端A (102)、鍵合固定端A (106)、支撐端(105)、電極引出端(104)與電極端(1041)上的金屬層(22)以及固定端A (102)、鍵合固定端A (106)與電極引出端(104)之間的連接金屬層； 第五步，光刻形成正面結(jié)構(gòu)的刻蝕窗口的圖形，隨后采用RIE干法刻蝕去除所述刻蝕窗口圖形中的第一步生成的氧化硅層(23)及其下的硅層(21)，刻蝕停止于埋層氧化硅(12)，在埋層氧化硅(12)上形成加熱元件(103)、固定端A (102)、鍵合固定端A (106)、電極引出端(104)、多個(gè)支撐端(105)、測(cè)量元件(102)、測(cè)溫元件(203)、固定端B (202)、鍵合支撐端(204)與環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的結(jié)構(gòu)； 第六步，在SOI硅片的正面制備刻蝕保護(hù)層，所述刻蝕保護(hù)層覆蓋整個(gè)SOI硅片的正面； 第七步，在SOI硅圓片的背面光刻形成背面劃片槽的刻蝕窗口圖形，采用RIE刻蝕SOI硅片背面的氧化硅與底層硅，形成劃片槽； 第八步，在SOI硅片背面光刻形成背面刻蝕窗口圖形，采用濕法刻蝕或ICP或DRIE(深反應(yīng)離子刻蝕)等干法刻蝕方法刻蝕SOI硅片的底層硅，即襯底(11)，刻蝕停止于埋層氧化硅(12)； 第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從襯底(11)露出的埋層氧化硅(12)，釋放出加熱元件(103)、測(cè)溫元件(203),釋放出加熱元件、測(cè)溫元件； 第十步，去除第六步所形成的刻蝕保護(hù)層； 第十一步，對(duì)暴露出的硅進(jìn)行氧化，形成薄層氧化硅層； 第十二步，采用保護(hù)層覆蓋SOI硅片的正面，所述保護(hù)層覆蓋除加熱元件(103)、測(cè)溫元件(203)懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的測(cè)量電阻(1032)以外的SOI硅片正面部分；可采用光刻膠作為保護(hù)層；可采用微噴印設(shè)備在精確定位后制備所述光刻膠；也可使用覆蓋在SOI的正面的掩蔽版采用噴涂的方法制備所述光刻膠，所述掩蔽版僅露出加熱元件(103)、測(cè)溫元件(203)懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的測(cè)量電阻(1032)，其余的SOI硅片正面部分被掩蔽版遮擋??； 第十三步，采用ALD原子層沉積方法在熱元件(103)、測(cè)溫元件(203)懸空結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度檢測(cè)器(3)的測(cè)量電阻(1032)的外表面制備氧化鉿，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，與第十一步形成的薄層氧化娃層一起構(gòu)成鈍化保護(hù)層(25)； 第十四步，去除第十二步制備的保護(hù)層，干燥； 上述第一步至第十四步為單片高溫加熱器(I)、單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)在各自SOI硅圓片上的加工步驟； 第十五步，將制備好有單片高溫加熱器(I)的硅圓片的正面與制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的硅圓片的正面貼合對(duì)準(zhǔn)，隨后將單片高溫加熱器(I)的鍵合固定端A (106)、支撐端(105)的金屬層(22)上的金屬凸塊(500)與對(duì)應(yīng)的單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)上固定端B (202)、若干鍵合支撐端(204)接觸并施加壓力、升溫進(jìn)行鍵合形成含有單片高溫加熱器(O的硅圓片與含有單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的硅圓片為一體的疊層式硅圓片； 第十六步，沿第七步所述在制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器(2)的SOI硅圓片背面上的劃片槽劃片，沿本步驟所述劃片槽劃片的切割深度只有一個(gè)SOI硅圓片的厚度，去除掉所述制備有單片甲烷氣體檢測(cè)器2的SOI硅圓片上的切割的硅，露出單片高溫加熱器(I)上的電極引出端(104); 第十七步，沿第七步所述在制備有單片高溫加熱器(I)的SOI硅圓片背面上的劃片槽劃片；沿本步驟所述劃片槽劃片的切割深度為兩個(gè)SOI硅圓片的厚度；裂片得到本發(fā)明的基于倒裝焊封裝的微型甲烷傳感器。
【文檔編號(hào)】G01K7/16GK104316577SQ201410607349
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】馬洪宇, 丁恩杰, 劉曉文, 趙小虎, 程婷婷 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)