基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构及制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构及制备方法，所述结构包括绝缘衬底、器件和盖帽，所述器件包括温度敏感膜、电极，所述绝缘衬底的上方设置所述温度敏感膜，所述温度敏感膜的上方设置所述电极，所述温度敏感膜通过所述电极与外界实现信号传输，所述盖帽位于所述绝缘衬底的上方，所述盖帽连接所述绝缘衬底，所述绝缘衬底直接作为封装管壳，使温度传感器更加接近热源，使所述盖帽与所述绝缘衬底形成封装空间，实现所述器件的封装。本发明专利技术使传感器测量敏感膜的值更加接近实际温度值，提高了传感器的测量精度，同时简化了传感器的封装结构，有效缩小封装尺寸，降低制作成本。

【技术实现步骤摘要】
基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构及制备方法
本专利技术涉及深低温温度传感器
，具体地，涉及一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构及制备方法。
技术介绍
低温测量广泛应用在航空航天、生物医疗、超导电子学、高能物理、能源等尖端科技领域，其中深低温温度传感器在低温测量中占有重要的地位。深低温温度传感器根据敏感膜的电学信号随温度变化而变化，通过测量电学信号，实现测量温度。在采用深低温温度传感器进行温度测量时，为了避免环境因素对温度传感器测量产生影响，必须对温度传感器进行封装，实现对温度传感器的可靠性防护。就目前的研究现状，采取的封装方式为先制备好深低温温度传感器芯片，然后根据实际情况将芯片封装到不同的管壳中。目前，SamuelScottCourts在《Cryogenics》64(2014)248-254上撰文“AstandardizedCernoxTMcryogenictemperaturesensorforaerospaceapplications”，该文提及了关于深低温温度传感器的一种封装方式。首先是将传感器敏感元件集成到衬底材料上，形成传感器芯片，然后把制备好的芯片固定在封装壳体中，最后加上封装盖帽，实现封装。这种封装方式的温度传感器，敏感元件与外界环境之间有衬底材料和封装壳体两层材料隔开，且两层材料之间需要进行粘结，导致温度传感器响应时间长，不利于高频率的实时监测，同时影响测量精度。这也是目前深低温温度传感器普遍存在的问题。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中的不足，本专利技术提出了一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构及制备方法，本结构通过将具有温度敏感膜的绝缘衬底直接作为封装壳体，缩短温度敏感膜与外界环境的热传导距离，提高了传感器的测量精度，提高了传感器的响应速度，同时简化了传感器的封装结构，有效缩小封装尺寸，降低制作成本。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，包括绝缘衬底、器件和盖帽，所述器件包括温度敏感膜、电极，所述绝缘衬底的上方设置所述温度敏感膜，所述温度敏感膜的上方设置所述电极，所述温度敏感膜通过所述电极与外界实现信号传输，所述盖帽位于所述绝缘衬底的上方，所述盖帽连接所述绝缘衬底，所述绝缘衬底直接作为封装管壳，使温度传感器更加接近热源；使所述盖帽与所述绝缘衬底形成封装空间，实现所述器件的封装。绝缘衬底既是传感器的衬底也是封装管壳的一部分，使温度传感器更加接近热源，有效减小温度测量热阻，从而提高传感器测量准确度，提高传感器的响应速度。优选地，所述盖帽通过键合材料连接所述绝缘衬底，所述电极上设置电极绝缘层，用以隔离所述电极的导线与所述键合材料。通常情况键合材料可以是导电的，通过设置电极绝缘层，使两个电极不与键合材料接触，避免发生短路；同时电极绝缘层也可以在键合的过程中保护电极。当键合材料本身为绝缘材料时，不需要设置电极绝缘层。绝缘材料可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝等材料。优选地，所述绝缘衬底与所述键合材料的之间设置所述电极绝缘层。优选地，所述盖帽具有一个容置腔体，所述盖帽具有绝缘层，所述绝缘层设置于所述容置腔体的内表面及与所述键合材料的接触面，使所述盖帽实现电气绝缘。优选地，所述电极引出到传感器外的引线采用两线制引线或四线制引线。其中，四线制引线即将引出的电极一分为二，形成两个焊盘，也可以直接引出四根电极。更加优选地，采用四线制引线，可以避免引线电阻对传感器测量产生影响，提高测量准确度。优选地，封装结构还包括金属化层，所述金属化层设置于所述温度敏感膜与所述电极之间、所述绝缘衬底与所述键合材料之间，以及所述键合材料与所述盖帽之间；-所述金属化层包括黏附层，所述黏附层用以增强各部分结构之间的连接强度；-所述金属化层还包括阻挡层，所述阻挡层设置于所述绝缘衬底与所述键合材料之间，以及所述键合材料与所述盖帽之间，所述阻挡层用以避免在键合过程中所述黏附层与所述键合材料直接接触，造成所述黏附层融入所述键合材料；更加优选地，封装结构还具有如下一种或多种特征：-所述黏附层，材料为钛、钒、锆、铬、铌、猛、钼、氮化钛中的一种或多种；-所述阻挡层材料为镍、锰、钼、钛、金、铜、银、铂、钯、锌、镉和氮化钛中的一种或多种。优选地，所述绝缘衬底的材料为蓝宝石、氧化铍陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化硅、氧化镁陶瓷、碳化硅陶瓷、表面有氧化层的硅片、通过绝缘处理的金属材料和/或通过绝缘处理的高导热率材料中的一种或者两种以上的复合材料。优选地，所述温度敏感膜为钛、锆、铪、铌或钽金属氮氧物中任意一种；优选地，所述电极为金、铜或铝中任意一种；更加优选地，采用Au做电极，低温性能稳定。优选地，所述键合材料为有机物、玻璃焊料、金属焊料或合金焊料中任意一种。优选地，所述封装空间为气密性封装空间和/或真空封装空间。更加优选地，采用气密性封装和真空封装，采用真空封装是保证空腔刚封装时里面没有气体；气密性封装是保证外部气体不会渗透到空腔里面，保持空腔里面的真空。本专利技术的第二个方面，提供一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构的制备方法，包括在绝缘衬底上制作温度敏感膜，之后在所述温度敏感膜的上方制作电极，将盖帽通过键合材料连接所述绝缘衬底，实现所述盖帽与所述绝缘衬底形成封装空间，实现器件封装。更加优选地，按照以下执行：S1：在所述绝缘衬底上制作温度敏感膜。S2：在所述温度敏感膜的上方制作电极，使所述电极和所述温度敏感膜形成良好的欧姆接触。S3：在所述电极上制作电极绝缘层。S4：在所述电极绝缘层上制作所述键合材料，或者直接采用预成型的焊环。S5：将所述盖帽安装到所述键合材料上，通过键合工艺，实现所述盖帽与所述绝缘衬底之间的键合，实现器件的封装。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：现有常规的温度传感器封装结构中，一般是在衬底的上面设置传感器，然后将衬底安装到管壳里面，实现封装，这使得热源与温度传感器之间隔着衬底材料和管壳，增大了热源与传感器之间的热阻，影响传感器的检测精度和响应速度；且传统封装方式需要复杂且昂贵的陶瓷工艺制备管壳，封装过程包括：芯片键合、引线键合、盖帽键合；传统封装方式不但增加了结构和工艺的复杂性，而且影响传感器的检测精度和响应速度。本专利技术打破现有常规路线，直接将传感器衬底作为封装管壳，不再需要单独制备管壳，不但简化了结构和工艺，而且使温度传感器更加接近热源，有效减小温度测量热阻，同时，使得传感器测量敏感膜的值更加接近实际温度值，提高了传感器的测量精度及响应速度，降低制作成本，进一步降低了封装尺寸。本专利技术广泛应用于低温温度测量，包括惯性核聚变温度监测、超导温度测量、太空探测、低温生物医疗等。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一优选实施例的结构示意图；图2为本专利技术一优选实施例中温度敏感膜、电极和电极绝缘层的制备工艺示意图；图3为本专利技术一优选实施例中图1的A-A剖视图；图4为本专利技术一优选实施例中盖帽的制备工艺示意图；图5为本专利技术一优选实施例中绝缘衬底与盖帽的键合工艺示意图；图中标记分别表示为：绝缘衬底1、温度敏感膜2、电极3、电极绝缘层4、键合材料5、盖帽6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：所述结构包括绝缘衬底、器件和盖帽，所述器件包括温度敏感膜、电极，所述绝缘衬底的上方设置所述温度敏感膜，所述温度敏感膜的上方设置所述电极，所述温度敏感膜通过所述电极与外界实现信号传输，所述盖帽位于所述绝缘衬底的上方，所述盖帽连接所述绝缘衬底，所述绝缘衬底直接作为封装管壳使温度敏感膜更加接近热源，使所述盖帽与所述绝缘衬底形成封装空间，实现所述器件的封装。

【技术特征摘要】
1.一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：所述结构包括绝缘衬底、器件和盖帽，所述器件包括温度敏感膜、电极，所述绝缘衬底的上方设置所述温度敏感膜，所述温度敏感膜的上方设置所述电极，所述温度敏感膜通过所述电极与外界实现信号传输，所述盖帽位于所述绝缘衬底的上方，所述盖帽连接所述绝缘衬底，所述绝缘衬底直接作为封装管壳使温度敏感膜更加接近热源，使所述盖帽与所述绝缘衬底形成封装空间，实现所述器件的封装。2.根据权利要求1所述一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：所述盖帽通过键合材料连接所述绝缘衬底，所述电极上设置电极绝缘层，用以隔离所述电极的导线与所述键合材料。3.根据权利要求1所述一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：所述绝缘衬底与所述键合材料的之间设置所述电极绝缘层。4.根据权利要求1所述一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：所述盖帽具有一个容置腔体，所述盖帽具有绝缘层，所述绝缘层设置于所述容置腔体的表面一层，使所述盖帽实现电气绝缘。5.根据权利要求1所述一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：所述电极引出到传感器外的引线采用两线制引线或四线制引线。6.根据权利要求1所述一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构，其特征在于：具有如下一种或多种特征：-所述封装结构还包括金属化层，所述金属化层设置于所述温度敏感膜与所述电极之间、所述绝缘衬底与所述键合材料之间，以及所述键合材料与所述盖帽之间；-所述金属化层包括黏附层，所述黏附层用以增强各部分结构之间的连接强...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景全，黎云，战光辉，白毅韦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31