CN109520632A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明涉及深低温温度传感器技术领域，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。

背景技术

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，Samuel Scott Courts在《Cryogenics》64(2014)248-254上撰文“Astandardized Cernox^TMcryogenic temperature sensor for aerospace applications”，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。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明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。

根据本发明的一个方面，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。

本发明的第二个方面，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，本发明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。

本发明打破现有常规路线，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。

本发明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，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的结构示意图；

图2为本发明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为本发明一优选实施例中图1的A-A剖视图；

图4为本发明一优选实施例中盖帽的制备工艺示意图；

图5为本发明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、绝缘层7。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-5所示，为一种基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构的优选实施例的示意图。

如图1所示，图中深低温温度传感器封装结构包括绝缘衬底1、温度敏感膜2、电极3、电极绝缘层4、键合材料5、用于封装的盖帽6。在绝缘衬底1上设置温度敏感膜2，在温度敏感膜2的上方设置电极3，温度敏感膜2通过电极3与外界实现信号传输，盖帽6位于绝缘衬底1的上方，将盖帽6连接绝缘衬底1，将绝缘衬底1直接作为封装管壳，使温度传感器更加接近热源，使盖帽6与绝缘衬底1形成封装空间，从而使温度敏感膜2、电极3传感器器件封装于封装空间。其封装方式为直接将绝缘衬底1为封装壳体，缩短温度敏感膜2与外界环境的热传导距离，提高了传感器的测量精度和响应速度，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。通过封装工艺形成的封装形式包括：非气密性封装、气密性封装、真空封装等，较好的封装形式是满足气密性封装和真空封装。

在部分优选实施例中，盖帽6通过键合材料5连接绝缘衬底1，电极3上设置电极绝缘层4，电极绝缘层4可以用于隔离键合材料5和导线。在键合材料5与绝缘衬底1的接触面之间设置有电极绝缘层4。在具体实施时可根据实际情况选择，当选用键合材料5为绝缘材料时，可以不设置电极绝缘层4。绝缘材料可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝等材料。

在部分优选实施例中，绝缘衬底1的材料选择具有高导热率的绝缘材料，可以为蓝宝石、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等高导热率材料及其它们的复合材料。绝缘衬底材料的选用，需要达到在在深低温环境下具有最高的导热率，比较优选的材料选择蓝宝石。

在部分优选实施例中，键合材料5的材料可以为有机物、玻璃焊料、金属焊料及合金焊料。较好的，采用合金焊料做键合材料，使键合强度高，气密性好，可靠性高。

在部分优选实施例中，盖帽6的材料可以为蓝宝石、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等高导热率材料及其它们的复合材料、陶瓷、硅、金属等材料。

在部分优选实施例中，盖帽6具有绝缘层7，绝缘层7设置盖帽6表面一层，实现电气绝缘。

在部分优选实施例中，深低温温度传感器封装结构还可以设置金属化层，即：分别在温度敏感膜2与电极3之间、电极3与电极绝缘层4之间、电极绝缘层4与键合材料5之间、以及键合材料5与盖帽6之间设置金属化层。金属化层具体包括黏附层和/或阻挡层，用以提高电极3与温度敏感膜2、绝缘衬底1的黏附强度，形成欧姆接触。其中，黏附层材料为钛、钒、锆、铬、铌、猛、钼、氮化钛中的一种或多种；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。在具体实施时，若键合材料5与绝缘衬底1、盖帽6能够很好键合，则不需要设置金属化层。

基于上述实施例对基于微加工工艺的深低温温度传感器封装结构的描述，以下对该结构的制备方法的实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例提供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，其中：绝缘衬底1采用蓝宝石片；温度敏感膜2为反应溅射的氮氧化铪薄膜，电极3的材料为溅射的金，其中电极3下的黏附层和阻挡层合二为一，为溅射的铬。电极绝缘层4为氧化硅。键合材料5为金锡共晶焊料。用于封装的盖帽6为硅片通过微加工工艺制备。

如图2所示，传感器结构中温度敏感膜2、电极3和电极绝缘层4的制备方法，具体步骤如下：

(1)如图2中(a)所示，采用溅射工艺在绝缘衬底1上溅射温度敏感膜2。

(2)如图2中(b)所示，在绝缘衬底1上旋涂5μm的正胶，并图形化，然后依次溅射30nm铬和300nm的金，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶，完成电极3制备。

(3)如图2中(c)所示，在绝缘衬底1上旋涂5μm的正胶，并图形化，然后在电极3表面及绝缘衬底1四周溅射氧化硅电极绝缘层4，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶，完成电极绝缘层4制备。

如图4所示，用于封装的盖帽6的制备方法，具体步骤如下：

(1)如图4中(a)所示，采用湿法刻蚀的方法，对硅片进行刻蚀，刻蚀液为氢氧化钠溶液。

(2)如图4中(b)所示，在刻蚀好的硅片盖帽6上采用干法氧化的方法制备出一层致密氧化硅薄膜，实现电气绝缘。

如图5所示，温度传感器中绝缘衬底1与盖帽6之间的键合，其具体方法指：在绝缘衬底1与盖帽6之间安装预成型的金锡共晶焊环，之后进行回流焊接。在进行封装前，盖帽6和电极绝缘层4上需要焊接的地方均进行金属化。

实施例2：

本实施例提供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，其中：绝缘衬底1采用带氧化层的硅片；温度敏感膜2为反应溅射的氮氧化锆薄膜，电极3的材料为溅射的金，其中电极3下的黏附层和阻挡层合二为一，为溅射的钼。不设置电极绝缘层4。键合材料5为低温绝缘玻璃焊环。用于封装的盖帽6为氧化硅片。

具体步骤如下：

(1)如图2中(a)所示，采用溅射工艺在绝缘衬底1上溅射温度敏感膜2。

(2)如图2中(b)所示，在绝缘衬底1上旋涂5μm的正胶，并图形化，然后依次溅射20nm钼和500nm的金，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶，完成电极3制备。

(3)在氧化硅片上旋涂10μm的正胶，并图形化，然后通过干法刻蚀，在氧化硅片上刻蚀出容纳温度敏感膜2的空腔，最后去除残留的光刻胶，完成盖帽6制备。

(4)将低温绝缘玻璃焊环5安装到绝缘衬底1和盖帽6之间，并对准。通过热压键合实现传感器封装。

实施例3：

本实施例提供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，其中：绝缘衬底1蓝宝石片；温度敏感膜2为反应溅射的氮氧化铪薄膜，电极3的材料为溅射的金，其中电极3下的黏附层和阻挡层合二为一，为溅射的钼。不设置电极绝缘层4。键合材料5为聚酰亚胺胶粘剂。用于封装的盖帽6为硅片。

具体步骤如下：

(1)如图2中(a)所示，采用溅射工艺在绝缘衬底1上溅射温度敏感膜2。

(2)如图2中(b)所示，在绝缘衬底1上旋涂5μm的正胶，并图形化，然后依次溅射30nm钼和400nm的金，最后采用lift-off工艺去掉周围的光刻胶，完成电极3制备。

(3)如图4中(a)所示，采用湿法刻蚀的方法，对硅片进行刻蚀，刻蚀液为氢氧化钠溶液。

(4)如图4中(b)所示，在刻蚀好的硅片盖帽6上采用干法氧化的方法制备出一层致密氧化硅薄膜，实现电气绝缘。

(5)在绝缘衬底1和盖帽6待键合处涂敷聚酰亚胺胶粘剂，并对准。通过热压工艺，使聚酰亚胺胶粘剂固化，完成传感器封装。

本发明不再需要单独制备管壳，简化了结构和工艺，同时，本发明直接将传感器衬底作为封装管壳，使温度传感器更加接近热源，有效减小温度测量热阻，本发明敏感膜测量的温度值更加接近实际温度值，提高了传感器的测量精度，提高了传感器的响应速度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

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度；

-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。

7.根据权利要求6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；

-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。

8.根据权利要求1-7任一项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：具有以下一种或多种技术特征：

-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；

-所述温度敏感膜为钛、锆、铪、铌或钽金属氮氧物中任意一种；

-所述电极为金、铜或铝中任意一种；

-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。

9.根据权利要求1-7任一项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：所述封装空间为气密性封装空间和/或真空封装空间。

10.一种权利要求1-9任一项所述的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，其特征在于：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。