【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于mems器件，具体涉及一种mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构及其制备方法。
技术介绍
1、在气体传感器领域，mems(微机电系统)技术已被广泛应用于传感器的制造和封装。mems气体传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点，因此在环境监测、工业安全、医疗诊断和智能家居等领域有很大的应用潜力。而mems气体传感器的封装技术是确保其工作稳定性和测试可靠性的关键。
2、目前，常见的气体传感器封装结构包括传统直插引脚式金属管壳封装、贴片式陶瓷基座封装以及贴片式无钉脚表面塑料封装(dfn)。然而，这些常用的气体传感器封装方式还存在着许多限制和不足之处。
3、金属管壳封装与晶体管的to封装类似，但在管壳顶部改用透气金属网格用于使气体敏感元件与外界气体环境连通，其主要局限在于体积大，不适用于芯片式mems气体传感器，难以用于智能手机等移动电子装置中。
4、贴片式陶瓷基座是mems气体传感器常采用的封装，其内部为空心结构，mems气体传感器晶片贴附其中后，经由键合线连接至基座，进而连接到基座底部引脚，其顶部通常采用开孔金属盖板连通内外气体环境。陶瓷基座封装相比金属管壳封装的体积显著缩小，但由于采用内置空腔加键合线的链接方式，尺寸仍然比传感器晶片大4-5倍。此外，灰尘仍然可以通过金属盖板的开通进入封装内部，沉积在气敏材料表面，导致传感器灵敏度降低或失效。
5、dfn封装与陶瓷基座封装的形式类似，但由于采用定制的基板与塑封模具，体积进一步缩小，可做到仅比传感器晶片大2倍左右。该
6、鉴于现有气体传感器封装工艺的局限，如何开发一种在集成度、成本、可靠度等方面都进一步提升的mems气体传感器封装方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构，该结构为晶圆级芯片尺度(wlcsp)封装，更加集成化、小型化和低成本化，并且降低了气体传感材料的灰尘累积，增加了气体检测的灵敏度。
2、本专利技术具体实施例提供了一种mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构，其特征在于，mems气体传感器倒装在cmos芯片上，在一体式封装结构内部设有隔热空腔，气体进入隔热空腔吸附在mems气体传感器的气体传感材料上，使得气体传感材料发生电阻变化从而实现对气体类型和浓度的检测；
3、所述mems气体传感器的气体传感材料面向cmos芯片，且背对隔热空腔的气体入口处。
4、进一步的，通过键合层将mems气体传感器倒装在cmos芯片上，并通过键合层将mems气体传感器输出的电阻信号传递至cmos芯片的读取电路中从而能够读取对气体类型和浓度的检测结果。
5、进一步的，通过键合层分别将mems气体传感器的加热电极和叉指电极与cmos芯片连接。
6、进一步的，所述cmos芯片包括读取电路、tsv通孔和底层pad，其中：
7、所述读取电路与叉指电极连接以读取电阻信号，与加热电极连接以控制加热温度；
8、所述tsv通孔一端连接键合层，一端连接底层pad；
9、所述底层pad的另一端与用于板级焊接的锡球连接。
10、进一步的，所述隔热空腔包括mems气体传感器内部形成的背刻蚀空腔和mems气体传感器与cmos芯片间形成的键合空腔，背刻蚀空腔与键合空腔相连接。
11、进一步的，所述键合空腔的高度不小于5μm。
12、进一步的，所述隔热空腔的截面为梯型、三角形、长方形、正方形中的任意一种或组合，横向宽度为5-400μm，深度为0.3-500μm。
13、进一步的，所述mems气体传感器包括：
14、隔尘透气薄膜，所述隔尘透气薄膜内部为多孔结构，在隔离灰尘的同时能够透气；
15、衬底，所述衬底的下表面覆盖所述隔尘透气薄膜，所述衬底内部形成背刻蚀空腔，所述背刻蚀空腔与cmos芯片和mems芯片之间形成的键合空腔相连；
16、支撑层，所述支撑层形成于衬底上表面；
17、加热电极，所述加热电极图案化形成于支撑层上表面；
18、绝缘层，所述绝缘层形成于加热电极和支撑层的上表面；
19、叉指电极，所述叉指电极图案化形成于绝缘层上表面；
20、气体传感材料，所述气体传感材料形成于孤岛的叉指电极和绝缘层的上表面，所述孤岛通过刻蚀部分绝缘层和支撑层得到，通过刻蚀孤岛周围的绝缘层和支撑层后，使得背刻蚀空腔与键合空腔连通。
21、本专利技术具体实施例还提供了一种所述的mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
22、获得衬底，采用热氧化工艺在衬底上形成支撑层；
23、依次通过磁控溅射和刻蚀方法在支撑层上形成图案化的加热电极；
24、采用磁控溅射或化学气相沉积方法在支撑层和加热电极上形成绝缘层；
25、依次通过磁控溅射和刻蚀方法在绝缘层上形成叉指电极；
26、采用等离子刻蚀或湿法腐蚀方法刻蚀部分绝缘层和支撑层以形成pad凹槽和孤岛，所述pad凹槽与加热电极表面相连；
27、采用电镀或热蒸发方法在pad凹槽和叉指电极上分别形成键合层；
28、采用刻蚀工艺刻蚀衬底至支撑层形成背刻蚀空腔，背刻蚀空腔与孤岛周围通过刻蚀掉部分支撑层和绝缘层获得的空间相连通，使得孤岛成为悬浮结构；
29、采用滴涂方法在孤岛的叉指电极和绝缘层上覆盖气体传感材料得到mems气体传感器；
30、获得带有tsv的cmos芯片，采用金属键合或植球超声键合方法通过键合层将mems气体传感器倒装到cmos芯片上，mems气体传感器与cmos芯片间形成键合空腔；
31、在mems气体传感器的衬底背面覆盖隔尘透气薄膜，从而得到mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构。
32、进一步的，所述衬底为硅、碳化硅、蓝宝石、陶瓷中的任意一种或组合。
33、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
34、由于本专利技术提供的mems气体传感器倒装在cmos芯片上，使得mems气体传感器顶部的气体传感材料面向cmos芯片，且背对隔热空腔的气体入口处，从而降低了灰尘累积在气体传感器材料上的风险。
35、由于本专利技术提供的mems气体传感器垂直倒装在cmos芯片上，实现了mems气体传感器和cmos芯片一体wlcsp封装，极大的减小了器件的尺寸，且较为容易实现集成化。
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1.一种MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，MEMS气体传感器倒装在CMOS芯片上，在一体式封装结构内部设有隔热空腔，气体进入隔热空腔吸附在MEMS气体传感器的气体传感材料上，使得气体传感材料发生电阻变化从而实现对气体类型和浓度的检测；
2.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，通过键合层将MEMS气体传感器倒装在CMOS芯片上，并通过键合层将MEMS气体传感器输出的电阻信号传递至CMOS芯片的读取电路中从而能够读取对气体类型和浓度的检测结果。
3.根据权利要求2所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，通过键合层分别将MEMS气体传感器的加热电极和叉指电极与CMOS芯片连接。
4.根据权利要求3所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，所述CMOS芯片包括读取电路、TSV通孔和底层PAD，其中：
5.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，所述隔热空腔包括MEMS气体传感器内部形
6.根据权利要求5所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，所述键合空腔的高度不小于5μm。
7.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，所述隔热空腔的截面为梯型、三角形、长方形、正方形中的任意一种或组合，横向宽度为5-400μm，深度为0.3-500μm。
8.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构，其特征在于，所述MEMS气体传感器包括：
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的MEMS气体传感器和CMOS芯片一体式封装结构的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅、碳化硅、蓝宝石、陶瓷中的任意一种或组合。
...【技术特征摘要】
1.一种mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构，其特征在于，mems气体传感器倒装在cmos芯片上，在一体式封装结构内部设有隔热空腔，气体进入隔热空腔吸附在mems气体传感器的气体传感材料上，使得气体传感材料发生电阻变化从而实现对气体类型和浓度的检测；
2.根据权利要求1所述的mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构，其特征在于，通过键合层将mems气体传感器倒装在cmos芯片上，并通过键合层将mems气体传感器输出的电阻信号传递至cmos芯片的读取电路中从而能够读取对气体类型和浓度的检测结果。
3.根据权利要求2所述的mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构，其特征在于，通过键合层分别将mems气体传感器的加热电极和叉指电极与cmos芯片连接。
4.根据权利要求3所述的mems气体传感器和cmos芯片一体式封装结构，其特征在于，所述cmos芯片包括读取电路、tsv通孔和底层pad，其中：
5.根据权利要求1所述的mems气体传感器和cmos芯片一...
【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，刘刚，卢乐，董树荣，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：
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