基于晶圆级封装的MEMS气体传感器及其制造方法技术

本公开涉及一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器及其制造方法。传感器包括：介质层覆盖在第一衬底的第一面上；各硅通孔贯穿第一衬底和介质层；第一绝缘层覆盖在第一衬底的第二面且暴露出各硅通孔；各电极位于第一衬底的第二面且与硅通孔连接；传感器主体的加热电极在介质层上且与对应的硅通孔连接、第二绝缘层至少覆盖加热电极；测试电极在第二绝缘层上方且目标区域与加热电极重叠并通过连接到对应的各硅通孔、气敏材料层覆盖在目标区域上；盖帽层的第二衬底设置有容纳至少部分传感器主体的容置槽、与容置槽连接的通气孔；盖帽层的键合环将基体和盖帽层固定连接。所制造的传感器抗冲击与抗污染性能好、成本低、均一性好、工业生产效率高。生产效率高。生产效率高。

【技术实现步骤摘要】
基于晶圆级封装的MEMS气体传感器及其制造方法


[0001]本公开涉及集成电路封装
，尤其涉及一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器及其制造方法。

技术介绍

[0002]随着AI技术与智能设备的不断发展，气体传感器作为感知环境重要媒介，已得到了长足的发展，并被广泛应用于环境、医疗、化工、国防等重要领域，成为微电子器件领域发展的重要方向之一。随着微纳加工技术的不断进步，气体传感器也逐渐走向高级程度与微型化。
[0003]随着制造水平的提高，微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术被逐渐应用于气体传感器领域。相比于传统传感器，MEMS传感器体积更小、重量更轻、功耗更低、成本更低，更加适用于在智能设备与可穿戴设备上的集成。因此，MEMS气体传感器逐渐成为该领域的重要方向之一。
[0004]在推动MEMS气体传感器走向高集成度、小尺寸的同时，其微型化也导致了MEMS气体传感器存在以下问题：测试区域与电极区域距离减小，在一些腐蚀性气体测试环境中，金属电极与互联线路长期暴露在环境中会导致其受到严重腐蚀，从而大大缩短传感器的服役时间。
[0005]此外，器件的微型化对键合精度提出了更高的要求。相关技术中，单器件键合工艺在生产中效率低下且难以保证键合精度的均一性，不利于工业化生产。
[0006]因此，如何提供一种能够解决上述问题的MEMS气体传感器及制造方法是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本公开提出了一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器及其制造方法。
[0008]根据本公开的一方面，提供了一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器，所述传感器包括：基体、用于对外部气体进行检测的传感器主体、盖帽层和多个电极；
[0009]所述基体包括：第一衬底、介质层、第一绝缘层和多个硅通孔，所述介质层覆盖在所述第一衬底的第一面的至少部分区域；各所述硅通孔贯穿于所述第一衬底和所述介质层；所述第一绝缘层覆盖在所述第一衬底的第二面且至少暴露出对应于各所述硅通孔的通孔区域，所述第一衬底包括硅衬底；
[0010]各所述电极设置于对应的所述通孔区域且与对应的所述硅通孔电连接；
[0011]所述传感器主体包括加热电极、第二绝缘层、测试电极和气敏材料层，所述加热电极位于所述介质层上方且与对应的各所述硅通孔连接；所述第二绝缘层位于所述介质层上方且至少覆盖所述加热电极；所述测试电极位于所述第二绝缘层上方且目标区域与所述加热电极重叠，并通过所述第二绝缘层中的通孔连接到对应的各所述硅通孔；所述气敏材料层位于所述第二绝缘层上方且覆盖在所述测试电极的所述目标区域上；
[0012]所述盖帽层包括第二衬底和键合环，所述第二衬底的第一面设置有容置槽，至少部分所述传感器主体处于所述容置槽中；所述第二衬底的第二面设置有与所述容置槽连接的、位置对应于所述目标区域的通气孔；所述键合环设置于所述第二衬底的第一面且闭合环绕所述容置槽，用于将所述基体和所述盖帽层固定连接在一起。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述盖帽层还包括：
[0014]透气膜层，位于所述第二衬底的第二面的上方且至少覆盖所述通气孔。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述盖帽层还包括：
[0016]防尘网层，位于所述第二衬底的第二面且至少覆盖在所述透气膜层的与所述通气孔对应的区域，所述防尘网层的对应于所述通气孔的部分设置有多个通孔。
[0017]在一种可能的实现方式中，所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层，所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者
[0018]所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层的对应于所述容置槽的区域，所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽内；或者
[0019]所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层的全部区域，所述键合环与所述第二绝缘层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述气敏材料层位于所述容置槽内。
[0020]在一种可能的实现方式中，所述加热电极的形状包括可延展形状，所述可延展形状包括蛇形、S形中的任意一种；并且/或者
[0021]所述测试电极包括叉指电极，所述目标区域为所述叉指电极的周期性图案区域，所述加热电极的可延展形状区域和所述目标区域的尺寸匹配且位置重叠。
[0022]根据本公开的另一方面，提供了一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，用于制造上述传感器，所述方法包括：基体制造步骤、传感器主体制造步骤、盖帽层制造步骤、固定连接步骤和电极制造步骤，
[0023]所述基体制造步骤包括：在第一衬底的第一面制备介质层；对所述第一衬底和所述介质层进行刻蚀、并对所述第一衬底进行减薄，形成多个硅通孔；在所述第一衬底的第二面制备第一绝缘层，并对所述第一绝缘层进行刻蚀以至少暴露出各所述硅通孔对应的通孔区域，得到所述传感器的基体；
[0024]所述传感器主体制造步骤包括：在所述介质层的上方依次制造加热电极和第二绝缘层，且使所述第二绝缘层至少覆盖所述加热电极；对所述第二绝缘层进行刻蚀，暴露出用于与测试电极连接的硅通孔；在所述第二绝缘层上制造出目标区域与所述加热电极重叠的测试电极，并使所述测试电极与被所述第二绝缘层暴露的硅通孔连接；在所述目标区域的上方制造气敏材料层，得到传感器主体；
[0025]所述盖帽层制造步骤包括：在第二衬底的第一面制备键合环；对所述第二衬底进行刻蚀，形成贯穿所述第二衬底且对应于所述目标区域的通气孔；对所述第二衬底的第一面进行刻蚀，形成与所述通气孔连接的容置槽，得到所述传感器的盖帽层；
[0026]固定连接步骤：通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，以使
至少部分所述传感器主体处于所述容置槽中；
[0027]电极制造步骤：在各所述通孔区域植球，形成所述传感器的电极，完成所述传感器的制备。
[0028]在一种可能的实现方式中，所述盖帽层制造步骤，还包括：
[0029]将预先制备的透气膜贴合在所述第二衬底的第二面并至少覆盖所述通气孔，形成透气膜层。
[0030]在一种可能的实现方式中，所述盖帽层制造步骤，还包括：
[0031]在所述透气膜层上方进行防尘网层制备，形成至少覆盖所述透气膜层的部分带有多个通孔的防尘网层。
[0032]在一种可能的实现方式中，通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，包括以下任意一个步骤：
[0033]若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器，其特征在于，所述传感器包括：基体、用于对外部气体进行检测的传感器主体、盖帽层和多个电极；所述基体包括：第一衬底、介质层、第一绝缘层和多个硅通孔，所述介质层覆盖在所述第一衬底的第一面的至少部分区域；各所述硅通孔贯穿于所述第一衬底和所述介质层；所述第一绝缘层覆盖在所述第一衬底的第二面且至少暴露出对应于各所述硅通孔的通孔区域，所述第一衬底包括硅衬底；各所述电极设置于对应的所述通孔区域且与对应的所述硅通孔电连接；所述传感器主体包括加热电极、第二绝缘层、测试电极和气敏材料层，所述加热电极位于所述介质层上方且与对应的各所述硅通孔连接；所述第二绝缘层位于所述介质层上方且至少覆盖所述加热电极；所述测试电极位于所述第二绝缘层上方且目标区域与所述加热电极重叠，并通过所述第二绝缘层中的通孔连接到对应的各所述硅通孔；所述气敏材料层位于所述第二绝缘层上方且覆盖在所述测试电极的所述目标区域上；所述盖帽层包括第二衬底和键合环，所述第二衬底的第一面设置有容置槽，至少部分所述传感器主体处于所述容置槽中；所述第二衬底的第二面设置有与所述容置槽连接的、位置对应于所述目标区域的通气孔；所述键合环设置于所述第二衬底的第一面且闭合环绕所述容置槽，用于将所述基体和所述盖帽层固定连接在一起。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述盖帽层还包括：透气膜层，位于所述第二衬底的第二面的上方且至少覆盖所述通气孔。3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述盖帽层还包括：防尘网层，位于所述第二衬底的第二面且至少覆盖在所述透气膜层的与所述通气孔对应的区域，所述防尘网层的对应于所述通气孔的部分设置有多个通孔。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层，所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层的对应于所述容置槽的区域，所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽内；或者所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层的全部区域，所述键合环与所述第二绝缘层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述气敏材料层位于所述容置槽内。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述加热电极的形状包括可延展形状，所述可延展形状包括蛇形、S形中的任意一种；并且/或者所述测试电极包括叉指电极，所述目标区域为所述叉指电极的周期性图案区域，所述加热电极的可延展形状区域和所述目标区域的尺寸匹配且位置重叠；并且/或者所述气敏材料层为球状气敏材料的自组装团簇。6.一种基于晶圆级封装的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，用于制造权利要
求1
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琛，张思勉，邓晓楠，柯声贤，李正操，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：