一种基于晶圆级封装的微型热导检测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于晶圆级封装的微型热导检测器及其制备方法，涉及气体检测领域，所述微型热导检测器包括具有气流沟道的硅基片、热敏电阻、电极、支撑介质层的微结构以及用于封装的玻璃基片顶层，在所述玻璃基片的表面，制作具有与硅基片相匹配的气流沟道以及与相邻检测器单元的气流沟道的间隔区域的图形化凹槽阵列；所述玻璃的图形化凹槽的长度A长于检测器气流沟道长度B；所述玻璃的图形化凹槽的宽度M小于两相邻检测器单元的气流沟道的间距N。该结构能够防止划片的碎屑落入微型检测器的气流沟道中，避免由此堵塞气流沟道，提高了批量制作检测器单元的成品率；并且，能够快速、准确、有效地暴露微型热导检测器的电极，克服电极与外部电路的快速、准确、有效连接问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于晶圆级封装的微型热导检测器及其制备方法
本专利技术涉及气体检测领域，具体涉及一种基于晶圆级封装的微型热导检测器及其制备方法。
技术介绍
随着化工、石油、生物、能源等各个领域的快速发展，对于物质的成分和浓度进行定性和定量分析的要求越来越严格。近年发展的采用微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems，MEMS)技术制作的微型热导检测器具有重量轻、体积小、灵敏度高、响应速度快等优点，而且容易集成到检测系统中，这对于推动便携式的微型气体检测器工业化生产具有重要意义。目前，人们已经发展了几种类型的微型热导检测器。例如，孙建海等人报导的集成温度传感器的微型热导检测器、采用并行热敏电阻的微型热导检测器等。前者利用复合支撑梁结构使热敏电阻产生的热量分布集中，减少结构的热损失。后者通过设置并行电阻于同一个热导池中，消除工艺上带来的电阻阻值不一致性，由此提升微型热导检测器的灵敏度(详参见崔大付，孙建海，张璐璐，陈兴等，“一种微型热导检测器集成芯片其制造方法”，中国专利技术专利，2011年4月1日申报，专利申请号201110082184.7；孙建海，薛宁，刘春秀，马天军等，“微型热导检测器”，中国专利技术专利，2018年7月10日申报，专利申请号201810750496.2)。但是，前人文献主要集中在提升单个检测器单元的检测灵敏度的方法，还未见关于能够大批量制作微型热导检测器的封装方法的文献报道。而基于MEMS技术制备的微型器件的一大特点是可批量生产。由于微型热导检测器需要利用电极外接电路，收集惠斯通电桥的电位差信号，据此对检测气体进行定性和定量的分析。因此，对于基于晶圆级封装的微型热导检测器单元，首先需要解决检测器单元的电极与外部电路的快速、准确连接的问题。但是，如果采用键合工艺直接进行封装，上下两个基片的表面被紧密地键合在一起。这将导致在利用划片机切割、分离得到单个微型热导检测器的时候，由于位于硅基片表面的电极区域已被键合在一起的玻璃完全覆盖，所以在不损伤电极及微结构的情况下，难于快速、准确地剥离特定区域的玻璃。这影响了微结构的电极与外部电路的快速、准确连接，限制了微型热导检测器的快速、批量化生产。因此，本领域亟待提供一种易于快速、准确地与电路连接并且可以大批量生产的微型热导检测器制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述存在的问题，本专利技术专利提供一种基于晶圆级封装的微型热导检测器及其制备方法，防止划片的碎屑落入微型检测器的气流沟道中，避免由此堵塞气流沟道，提高了批量制作检测器单元的成品率；能够快速、准确、有效地暴露微型热导检测器的电极，克服电极与外部电路的快速、准确、有效连接问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于晶圆级封装的微型热导检测器，所述微型热导检测器包括具有气流沟道的硅基片、热敏电阻、电极、支撑介质层的微结构以及用于封装的玻璃基片顶层，在所述玻璃基片的表面，制作具有与硅基片相匹配的气流沟道以及与相邻检测器单元的气流沟道的间隔区域的图形化凹槽阵列，所述的玻璃基片图形化凹槽与硅基片表面的电极区域形成空腔；所述玻璃基片图形化凹槽的长度A长于气流沟道长度B；所述玻璃基片图形化凹槽的宽度M小于两相邻检测器单元的气流沟道的间距N。优选的，所述玻璃基片图形化凹槽的长度A和气流沟道的长度B的比值为J＝A:B，J的取值范围为1～100；玻璃基片图形化凹槽的宽度M和两相邻检测器单元的气流沟道的间距N的比值为K＝M:N，K的取值范围为0.001～1。优选的，所述玻璃基片图形化凹槽阵列为矩形、菱形、椭圆形当中的一种或几种复合的周期性结构图形。优选的，所述的在玻璃基片的表面制作图形化凹槽阵列的方法为湿法腐蚀、干法刻蚀、激光切割当中的一种或几种方法。一种基于晶圆级封装的微型热导检测器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：加工硅基片：在清洁的硅基片的表面制作相互平行的气流沟道，分别作为参考臂气流沟道和测量臂气流沟道，沉积支撑介质层、热敏电阻层和电极层，热敏电阻都通过支撑介质层悬浮于参考臂气流沟道和测量臂气流沟道中，形成检测器单元阵列；步骤二：加工玻璃基片；在清洁的玻璃基片的表面制作出与硅基片相匹配的气流沟道以及相邻检测器单元的间隔区域的图形化凹槽阵列；步骤三：将步骤一制作的硅基片的气流沟道与步骤二制作的玻璃基片的气流沟道对准并键合密封，使得与硅基片的电极区域相对应的玻璃区域形成空腔；步骤四：采用划片机，利用图形化的矩形凹槽阵列的横向边界和纵向边界作为划片标记，先后对玻璃基片和硅基片进行切割、分离，得到单个的微型热导检测器单元；同时剥离图形化凹槽阵列区域的玻璃基片，暴露出硅基片表面的电极区域；步骤五：采用打孔仪，在微型检测器的气流沟道两侧的进样和出样的位置，各打一个直径为3-2000μm的圆形小孔，制作出微型热导检测器的进样口和出样口；步骤六：在检测器的进样口和出样口位置，通入毛细钢管，封胶密封，即完成单个的微型热导检测器的制作。优选的，所述硅基片的加工步骤包括如下步骤：(1)清洗硅基片；(2)在硅基片上分别沉积厚度为20-2000nm的氧化硅和氮化硅薄膜；(3)涂覆光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的结构图形，沉积厚度为10-800nm的热敏电阻和厚度为10-800nm的电极；(4)涂覆光刻胶，光刻显影出支撑介质层的结构图形，利用反应离子刻蚀技术，刻蚀经(2)沉积的氧化硅和氮化硅层，制作出网状的支撑介质层结构；(5)利用深槽刻蚀技术刻蚀出硅基底上的气流沟道，宽度为3-500μm，深度为3-400μm，并将热敏电阻都通过支撑介质层悬浮于微型气流沟道中，形成检测器单元阵列。优选的，所述热敏电阻材料由铂、钨、钛、铝、镍、银、铁镍合金、镍铬合金、钛钨合金、铼钨合金、氧化钒、氧化钛、硅化钛、氮化钨、硅化钨当中的具有高电阻温度系数的一种或者几种热敏电阻材料组成。优选的，所述电极材料由铝、铁、锌、铜、金、铂、钛、氧化锌、氧化钛、硅化钛当中的一种或者几种复合导电材料组成。优选的，所述玻璃基片的加工步骤如下：(1)清洗玻璃基片；(2)在玻璃基片的表面沉积一层厚度为3-500nm的铬，然后沉积一层厚度为3-500nm的金，作为刻蚀玻璃基片的掩膜层；(3)涂覆负光刻胶，光刻显影出气流沟道的图形以及设计的图形化凹槽阵列；(4)采用刻蚀剂，刻蚀经(2)步骤制备的金属掩膜层，暴露出图形化凹槽阵列下方的玻璃表面；(5)利用氢氟酸缓冲液，湿法腐蚀玻璃基片，使玻璃的腐蚀深度与硅基片上气流沟道的深度相一致，然后清洗玻璃基片，除去表层的金属掩膜层。优选的，步骤三中键合工艺为金属键合、阳极键合、室温共价键合、粘连键合、玻璃浆料键合当中的一种或几种工艺。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术所设计的顶层玻璃的图形化凹槽阵列，能够为微型热导检测器阵列在划片过程中提供标记，便于划片机沿着图形的边界或者端点位置分离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于晶圆级封装的微型热导检测器，所述微型热导检测器包括具有气流沟道的硅基片、热敏电阻、电极、支撑介质层的微结构以及用于封装的玻璃基片顶层，其特征在于：在所述玻璃基片的表面，制作具有与硅基片相匹配的气流沟道以及与相邻检测器单元的气流沟道的间隔区域的图形化凹槽阵列，玻璃基片的图形化凹槽与硅基片表面的电极区域形成空腔；玻璃基片的图形化凹槽的长度A长于检测器气流沟道长度B；玻璃基片的图形化凹槽的宽度M小于两相邻检测器单元气流沟道的间距N。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于晶圆级封装的微型热导检测器，所述微型热导检测器包括具有气流沟道的硅基片、热敏电阻、电极、支撑介质层的微结构以及用于封装的玻璃基片顶层，其特征在于：在所述玻璃基片的表面，制作具有与硅基片相匹配的气流沟道以及与相邻检测器单元的气流沟道的间隔区域的图形化凹槽阵列，玻璃基片的图形化凹槽与硅基片表面的电极区域形成空腔；玻璃基片的图形化凹槽的长度A长于检测器气流沟道长度B；玻璃基片的图形化凹槽的宽度M小于两相邻检测器单元气流沟道的间距N。


2.根据权利要求1所述的一种基于晶圆级封装的微型热导检测器，其特征在于：玻璃基片的图形化凹槽的长度A和气流沟道的长度B的比值为J＝A:B，J的取值范围为1～100；玻璃基片图形化凹槽的宽度M和两相邻检测器单元的气流沟道的间距N的比值为K＝M:N，K的取值范围为0.001～1。


3.根据权利要求1所述的一种基于晶圆级封装的微型热导检测器，其特征在于：玻璃基片图形化凹槽阵列为矩形、菱形、椭圆形当中的一种或几种复合的周期性结构图形。


4.根据权利要求1所述的一种基于晶圆级封装的微型热导检测器，其特征在于：所述的在玻璃基片的表面制作图形化凹槽阵列的方法为湿法腐蚀、干法刻蚀、激光切割当中的一种或几种方法。


5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于晶圆级封装的微型热导检测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：加工硅基片：在清洁的硅基片的表面制作相互平行的气流沟道，分别作为参考臂气流沟道和测量臂气流沟道，沉积支撑介质层、热敏电阻层和电极层，热敏电阻都通过支撑介质层悬浮于参考臂气流沟道和测量臂气流沟道中，形成检测器单元阵列；
步骤二：加工玻璃基片；在清洁的玻璃基片的表面制作出与硅基片相匹配的气流沟道以及相邻检测器单元的间隔区域的图形化凹槽阵列；
步骤三：将步骤一制作的硅基片的气流沟道与步骤二制作的玻璃基片的气流沟道对准并键合密封，使得与硅基片的电极区域相对应的玻璃区域形成空腔；
步骤四：采用划片机，利用图形化的矩形凹槽阵列的横向边界和纵向边界作为划片标记，先后对玻璃基片和硅基片进行切割、分离，得到单个的微型热导检测器单元；同时剥离图形化凹槽阵列区域的玻璃基片，暴露出硅基片表面的电极区域；
步骤五：采用打孔仪，在微型检测器的气流沟道两侧的进样和出样的位置，各打一个直径为3-2000μm的圆形小孔，制作出微型热导检测器的进...

【专利技术属性】
技术研发人员：许向东，胡君杰，熊可，冯元婷，张敏刚，蒋亚东，谷雨，成晓梦，刘晋荣，周玉龙，李尤，徐明辉，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51