[發(fā)明專利]一種基于倒裝焊封裝的甲烷傳感器及其制備方法與應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410607349.1
• 申請日: 2014-10-31
• 公開（公告）號: CN104316577A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬洪宇;丁恩杰;劉曉文;趙小虎;程婷婷
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: G01N27/14
• 分類號: G01N27/14;G01K7/16
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

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用。

背景技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，當前的甲烷傳感器無法滿足單兵裝備對低功耗、長壽命、低成本的檢測低濃度甲烷的甲烷傳感器的需求。目前用于煤礦井下檢測低濃度甲烷的仍是基于傳統(tǒng)鉑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致甲烷檢測性能不穩(wěn)定、校驗時間短等缺點；而紅外甲烷傳感器價格高、傳感元件受粉塵與水汽嚴重影響；這兩種甲烷傳感器都不能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對低功耗甲烷傳感器的應用需求。而其它的甲烷傳感器亦無法適應煤礦井下高濕度的環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要提供一種結(jié)構(gòu)簡單，加熱元件與測量元件平行相對，使測量元件具有大的感受加熱元件高溫的感溫面積，能高靈敏度的檢測低濃度甲烷(0～4％)的基于倒裝焊封裝的甲烷傳感器及其制備方法與應用。

針對上述技術(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、單片甲烷氣體檢測器和環(huán)境溫度檢測器；

所述單片高溫加熱器包括：支座A、加熱元件、2個固定端A、2個鍵合固定端、多個電極引出端、多個支撐端；

所述單片甲烷氣體檢測器包括支座B、測溫元件、2個固定端B、若干鍵合支撐端；

所述環(huán)境溫度檢測器包括兩個電極端及測量電阻；所述環(huán)境溫度檢測器設(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器的支座B上都設(shè)置有環(huán)境溫度檢測器；

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；

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；加熱元件同樣由硅層加工而成，并在硅層的外表面設(shè)有鈍化保護層；所述加熱元件設(shè)有高溫加熱單元、兩個對稱設(shè)置的硅懸臂；所述高溫加熱單元為圓環(huán)狀，或多個加熱條的并聯(lián)；所述硅懸臂的長度大于300um；所述單個的硅懸臂的一端與高溫加熱單元相連，另一端與支座A上的一個固定端A相連；電極引出端也設(shè)在支座A的埋層氧化硅上；每個鍵合固定端、固定端A均與一個對應的電極引出端的一端相連，尤其是金屬層是相連接的；電極引出端遠離固定端A和鍵合固定端，其間距離應使單片甲烷氣體檢測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器遮擋，在電極引出端和電極端上可以向外進行引線鍵合；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個鍵合固定端與2個固定端A并排間隔布置，排列順序分別為一個鍵合固定端、一個固定端A、另一個固定端A、另一個鍵合固定端；

所述測溫元件設(shè)有測溫單元、兩個對稱設(shè)置的連接臂，2個對稱設(shè)置的支撐臂；所述測溫單元、連接臂、支撐臂、固定端B依次相連；所述測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)境溫度檢測器，則環(huán)境溫度檢測器與固定端B及若干鍵合支撐端相互獨立、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，均包括硅層、設(shè)在硅層外的氧化硅層、設(shè)在氧化硅層上的金屬層；固定端B的硅層內(nèi)設(shè)有摻雜硅層，金屬層通過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)有鈍化保護層，懸在空氣中的測溫元件通過固定端固定在支座B上的埋層氧化硅上，兩個固定端構(gòu)成測溫元件的電通路的兩個端子；