一种气体质量流量传感器及传感器阵列论文和设计-许磊

全文摘要

本实用新型实施例公开了一种气体质量流量传感器及传感器阵列，能够减少引线损伤。所述传感器包括：第一衬底、气体流量检测组件、所述气体质量流量传感器的多个第一引脚及封装盖帽，其中：气体流量检测组件直接或间接与第一引脚电连接，气体流量检测组件和第一引脚设置在第一衬底的同一面；封装盖帽的第一表面开设有凹槽，第一表面为朝向第一衬底的表面，封装盖帽上除第一表面外的其他表面上开设有进气口和出气口，进气口和所述出气口分别与凹槽连通形成气体流道；封装盖帽键合在第一衬底上，气体流量检测组件位于气体流道内，第一引脚裸露在封装盖帽之外。本实用新型实施例传感器信号稳定、噪声小，同时简化加工工艺，降低制造周期和成本。

主设计要求

1.一种气体质量流量传感器，其特征在于，包括：第一衬底，设置在所述第一衬底上的气体流量检测组件、所述气体质量流量传感器的多个第一引脚，以及封装盖帽，其中：所述气体流量检测组件直接或间接与所述第一引脚电连接，所述气体流量检测组件和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面；所述封装盖帽的第一表面开设有凹槽，所述第一表面为朝向所述第一衬底的表面，所述封装盖帽上除第一表面外的其他表面上开设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别与所述凹槽连通形成气体流道；所述封装盖帽键合在所述第一衬底上，所述气体流量检测组件位于所述气体流道内，所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。

设计方案

1.一种气体质量流量传感器，其特征在于，包括：

第一衬底，设置在所述第一衬底上的气体流量检测组件、所述气体质量流量传感器的多个第一引脚，以及封装盖帽，其中：

所述气体流量检测组件直接或间接与所述第一引脚电连接，所述气体流量检测组件和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面；

所述封装盖帽的第一表面开设有凹槽，所述第一表面为朝向所述第一衬底的表面，所述封装盖帽上除第一表面外的其他表面上开设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别与所述凹槽连通形成气体流道；

所述封装盖帽键合在所述第一衬底上，所述气体流量检测组件位于所述气体流道内，所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。

2.根据权利要求1所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述第一衬底包括以下之一：硅基衬底、设置有含硅层的金属衬底、设置有含硅层的金属氧化物衬底、设置有含硅层的陶瓷衬底。

3.根据权利要求1或2所述的气体质量流量传感器，其特征在于，其中，

所述第一衬底的第一表面开设有空腔，所述空腔在所述第一衬底第一表面的开口处设置有悬梁，所述气体流量检测组件设置在所述悬梁上；或者

所述第一衬底的第一表面设置膜层结构，所述气体流量检测组件设置在所述膜层结构上，所述第一衬底背向第一表面的第二表面开设有空腔，所述空腔的深度等于所述第一衬底的高度。

4.根据权利要求3所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述凹槽在第一衬底上的投影包含所述空腔在所述第一衬底第一表面的开口。

5.根据权利要求1所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述进气口和出气口为所述凹槽在封装盖帽上除第一表面外的其他表面上形成的开口，所述凹槽的横截面为矩形或梯形。

6.根据权利要求1所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述封装盖帽的一个侧面与所述第一衬底的一个侧面对齐，或者所述封装盖帽的两个侧面与所述第一衬底的两个侧面对齐，或者所述封装盖帽的三个侧面与所述第一衬底的三个侧面对齐，所述侧面是指与所述封装盖帽第一表面垂直的表面。

7.根据权利要求1所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述第一引脚设置在所述封装盖帽的一侧或者分别设置在所述封装盖帽的两侧。

8.根据权利要求1所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述第一衬底上还设置有专用集成电路ASIC芯片，所述气体流量检测组件通过第二引脚、所述ASIC芯片与所述第一引脚实现电连接，所述ASIC芯片设置在所述封装盖帽之内或者裸露在所述封装盖帽之外。

9.根据权利要求8所述的气体质量流量传感器，其特征在于，

所述ASIC芯片是基于所述第一衬底制造的。

10.一种气体质量流量传感器阵列，其特征在于，所述气体质量流量传感器阵列包括多个如权利要求1-9中任一项所述的气体质量流量传感器，所述气体质量流量传感器阵列满足以下第一条件和第二条件：

第一条件：所述气体质量流量传感器阵列中的部分或全部气体质量流量传感器的气体流道尺寸相同，或者每个气体质量流量传感器的气体流道尺寸不同；

第二条件：所述气体质量流量传感器阵列中的部分或全部气体质量流量传感器中气体流量检测组件的规格相同，或每个气体质量流量传感器中气体流量检测组件的规格不同。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及气体检测技术领域，尤指一种气体质量流量传感器及传感器阵列。

背景技术

气体质量流量传感器是根据托马斯(Thomas)的理论“气体放出的热量或吸收的热量与该气体的质量流量成正比”，利用一个微型加热器在气体流道中形成一个对称的温度场，流道中流过微型加热器的气体会带走热量，从而改变温度场的分布。通过测量微型加热器上下游的温度场变化来反映气体的质量流量。气体流量的测量在工业生产、医疗、汽车等行业领域需求广泛，并且对气体流量的测量和控制精度要求越来越高。

气体质量流量传感器封装需要提供腔体对其进行保护而且需要一个合适的气体流道供气体流通，以检测气体流速。传统气体质量流量传感器封装主要是将芯片通过粘接剂固定在PCB(印刷电路板)板上，或者在PCB板上挖一个凹坑，将芯片粘接在凹坑里，然后将带有芯片的PCB板部分置于气体管道中，或者采用一个塑料带有流道的盖帽盖在芯片上，并且与PCB粘接在一起，采用上述封装结构的气体质量流量传感器尺寸大，封装工艺繁琐，成本高，芯片损伤较大，而且影响传感器的一致性。还有的气体质量流量传感器需要在硅片上打硅通孔，以将传感器的电极引线由硅通孔引出来。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种气体质量流量传感器及传感器阵列，减少引线损伤、工艺简单。

一方面，本申请实施例提供了一种气体质量流量传感器，包括：第一衬底，设置在所述第一衬底上的气体流量检测组件、所述气体质量流量传感器的多个第一引脚，以及封装盖帽，其中：

所述气体流量检测组件直接或间接与所述第一引脚电连接，所述气体流量检测组件和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面；

所述封装盖帽键合在所述第一衬底上，所述气体流量检测组件位于所述气体流道内，所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。

在一示例性实施例中，所述第一衬底包括以下之一：硅基衬底、设置有含硅层的金属衬底、设置有含硅层的金属氧化物衬底、设置有含硅层的陶瓷衬底。

在一示例性实施例中，所述第一衬底的第一表面开设有空腔，所述空腔在所述第一衬底第一表面的开口处设置有悬梁，所述气体流量检测组件设置在所述悬梁上；或者

在一示例性实施例中，所述凹槽在第一衬底上的投影包含所述空腔在所述第一衬底第一表面的开口。

在一示例性实施例中，所述进气口和出气口为所述凹槽在封装盖帽上除第一表面外的其他表面上形成的开口，所述凹槽的横截面为矩形或梯形。

在一示例性实施例中，所述封装盖帽的一个侧面与所述第一衬底的一个侧面对齐，或者所述封装盖帽的两个侧面与所述第一衬底的两个侧面对齐，或者所述封装盖帽的三个侧面与所述第一衬底的三个侧面对齐，所述侧面是指与所述封装盖帽第一表面垂直的表面。

在一示例性实施例中，所述第一引脚设置在所述封装盖帽的一侧或者分别设置在所述封装盖帽的两侧。

在一示例性实施例中，所述第一衬底上还设置有专用集成电路ASIC芯片，所述气体流量检测组件通过第二引脚、所述ASIC芯片与所述第一引脚实现电连接，所述ASIC芯片设置在所述封装盖帽之内或者裸露在所述封装盖帽之外。

在一示例性实施例中，所述ASIC芯片是基于所述第一衬底制造的。

再一方面，本申请实施例还提供了一种气体质量流量传感器阵列，所述传感器阵列包括多个如前所述的气体质量流量传感器，所述气体质量流量传感器阵列满足以下第一条件和第二条件：

本实用新型实施例通过将气体流量检测组件与第一引脚设置在第一衬底的同一面，且第一引脚裸露在所述封装盖帽之外，即裸露在气体质量流量传感器表面，使得气体流量检测组件的电极引线可以直接引出，一方面，减少电极引线的弯折，对电极引线损伤小，使制成的传感器信号稳定、噪声小、功耗低、灵敏度高；另一方面，无需对衬底进行打孔即可引出第一引脚，提高衬底使用寿命，气体质量流量传感器制备完成后，可以直接与电路板进行金丝键合，简化加工工艺，降低制造周期和成本，且产品整体尺寸更小、容易集成。

本实用新型实施例所述气体质量流量传感器可以采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工艺完成带封装结构的传感器制造，实现单一工艺传感器制造封装，气体质量流量传感器批量化制造过程大大简化，成本大大缩减，效率得到提升，制造周期缩短，有助于提高传感器的一致性和稳定性；单位面积上气体质量流量传感器阵列集成度大大提高。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1a为本实用新型实施例具有一个台阶结构的气体质量流量传感器的立体图；

图1b为本实用新型实施例具有两个台阶结构的气体质量流量传感器的立体图；

图2为图1a所示气体质量流量传感器的分解图(图中未示出电极引线和膜层结构)；

图3为本实用新型实施例加热电阻与测温电阻的电路连接图；

图4a为本实用新型实施例双侧设置第一引脚的悬梁膜结构传感器芯片的透视图；

图4b为本实用新型实施例单侧设置第一引脚的悬梁膜结构传感器芯片的立体图；

图5a为本实用新型实施例双侧设置第一引脚的封闭膜结构传感器芯片的透视图；

图5b为本实用新型实施例单侧设置第一引脚的封闭膜结构传感器芯片的立体图；

图6为本实用新型实施例一种设置有ASIC芯片的气体质量流量传感器的立体图；

图7a为本实用新型实施例具有梯形截面凹槽的封装盖帽的剖视图；

图7b为本实用新型实施例具有矩形截面凹槽的封装盖帽的剖视图；

图8为本实用新型实施例一种气体质量流量传感器的结构分解图(图中未示出电极引线和膜层结构)；

图9a为本实用新型实施例晶圆级批量制造封装盖帽的晶圆图；

图9b为图9a中A区域的局部放大图；

图10a为本实用新型实施例晶圆级批量制造传感器芯片的晶圆图；

图10b为图10a中B区域的局部放大图。

上述附图中，附图标记说明如下：

第一衬底11，气体流量检测组件12，第一引脚13，悬梁14，空腔15，ASIC芯片16；封装盖帽2，第二衬底21，凹槽22，气体流道23，凹槽深度24，凹槽宽度25；第一晶圆3，划片标记31-1、31-2，第一划片路径32，第二划片路径33，多余结构34；第二晶圆4，键合位置41。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

申请人发现采用PCB板制造的气体质量流量传感器尺寸大、集成度低、封装工艺繁琐，需要点胶、芯片粘接、粘接剂固化、引线键合、盖帽、PCB开槽等工艺完成传感器封装，如果采用管壳盖帽等封装形式，一方面成本高，另一方面需要在硅片上打硅通孔的气体质量流量传感器对芯片损伤大，良品率低。

本实用新型实施例提供一种气体质量流量传感器，如图1a、图1b和图2所示，包括：

第一衬底11，设置在所述第一衬底11上的气体流量检测组件12、所述气体质量流量传感器的多个第一引脚13，以及封装盖帽2，其中：

所述气体流量检测组件12直接或间接与所述第一引脚13电连接，所述气体流量检测组件12和所述第一引脚13设置在所述第一衬底11的同一面；

所述封装盖帽2的第一表面开设有凹槽22，所述封装盖帽的第一表面为朝向所述第一衬底的表面，所述封装盖帽2上除第一表面外的其他表面上开设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别与所述凹槽连通形成气体流道；

所述封装盖帽2键合在所述第一衬底11上，所述气体流量检测组件12位于所述气体流道23内，所述第一引脚13裸露在所述封装盖帽2之外。

图1a和图1b为所述气体质量流量传感器的整体结构示意图，图中仅示出第一衬底11、第一引脚13和传感器盖帽2。本文示例中将所述第一衬底11以及设置在所述第一衬底上的所有器件统称为传感器芯片。在图1a示例中，所有第一引脚均位于封装盖帽(或气体流量检测组件)的一侧，当封装盖帽与传感器芯片完成键合后，所述封装盖帽与传感器芯片呈台阶结构，即在图1a示例中，所述气体质量流量传感器具有一个台阶结构。在图1b示例中，第一引脚分别设置在封装盖帽(或气体流量检测组件)的两侧，可以采用对称分布，此时所述气体质量流量传感器具有两个台阶结构。第一引脚的具体排布方式根据流量传感器实际的应用场景而定。

在一种示例性实施例中，可以在形成凹槽时一并形成进气口和出气口。在第一表面形成的凹槽在封装盖帽的除第一表面外的其他表面形成进气口和出气口，其他表面例如是相对的侧面，此时凹槽在封装盖帽与第一衬底之间形成的气体流道为直线型的气体流道，根据所应用的场景，气体流道还可以是其他形状。

在另一种示例性实施例中，所述凹槽仅在封装盖帽的第一表面形成开口，在封装盖帽除第一表面外的其他表面分别开设与凹槽连通的进气口和与凹槽连通的出气口，以形成气体流道，例如进气口和出气口可以分别设置封装盖帽的不同侧面(与封装盖帽第一表面垂直的表面)，或者设置在封装盖帽上顶面上(与第一表面相对的表面)。进气口和出气口的数量根据需要设定。根据进气口和出气口的位置，台阶结构可以设置为多个，相应地，第一引脚也可以分别设置在封装盖帽的多侧。例如一个进气口(或出气口)位于封装盖帽顶面，另一个出气口(或进气口)位于封装盖帽的侧面，则在键合时可使封装盖帽设置有出气口(或进气口)的侧面与第一衬底的一个侧面对齐，其他三个侧面位于第一衬底上，形成三个台阶结构，此时，第一引脚可以位于封装盖帽任意一侧或多侧。再例如，如果进气口和出气口均位于封装盖帽顶面，则可设置四个台阶结构，此时第一引脚可以位于封装盖帽任意一侧多侧。

不论进气口和出气口在什么位置，气体流道采用何种形状，均需要确保气体流量检测组件位于气体流道内。

在封装盖帽2与传感器芯片键合后，在气体通道内形成检测区域，气体流量检测组件位于检测区域中用于检测气体流速的变化。

如果封装盖帽的进气口和\/或出气口位于侧面，则设置有进气口和\/或出气口的侧面可以与第一衬底的侧面对齐，这样可以保证气体稳定，避免测量误差。

封装盖帽的形状不限，其投影形状例如可以是矩形或圆形。

图2为所述气体质量流量传感器的封装示意图，图中传感器盖帽2沿虚线键合在所述第一衬底11上，将气体流量检测组件12遮罩在所述传感器盖帽内，并将第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。在图1a、图1b和图2所示示例中，所述气体流量检测组件直接通过电极引线与第一引脚电连接，所述气体质量流量传感器的第一引脚即为所述气体流量检测组件的电极引脚，例如包括加热电极和检测电极。

本文所述气体流量检测组件和所述第一引脚设置在所述第一衬底的同一面，并非限制所述气体流量检测组件与第一引脚设置在同一水平面，仅表示气体流量检测组件与第一引脚在第一衬底的同一侧。本例所述气体流量检测组件除了悬置于第一表面的空腔开口处，不排除还可以设置于所述第一表面的空腔的开口之外(远离衬底中心)，只要第一引脚也设置在第一表面，则认为该气体流量检测组件和第一引脚设置在第一衬底的同一面。

制备上述气体质量流量传感器的方法包括以下步骤a1-a3。

步骤a1，在第一衬底11的第一表面上制备气体流量检测组件12、所述气体质量流量传感器的多个第一引脚13，所述气体流量检测组件12直接或间接通过电极引线与所述第一引脚13电连接，所述气体流量检测组件12、所述第一引脚13以及电极引线制备在所述第一衬底11的同一面；

本示例中气体流量检测组件12与第一引脚13通过电极引线直接实现电连接。

步骤a2，制备封装盖帽：在第二衬底21的第一表面形成凹槽22，在所述第二衬底的其他表面形成进气口和出气口，所述进气口和出气口分别与所述凹槽连通；

封装盖帽一方面用于形成气体流道，另一方面用于保护所述气体流量检测组件。

步骤a3，将封装盖帽2键合在所述第一衬底11上，键合时，所述封装盖帽开设有凹槽的一面(即第二衬底21的第一表面)朝向所述第一衬底的第一表面，所述第一引脚13裸露在所述封装盖帽2之外，所述封装盖帽2和第一衬底11之间形成具有进气口和出气口的气体流道。

在一示例性实施例中，在步骤a3之前还可包括以下步骤：形成覆盖电极引线14的薄膜；

所述薄膜可以为单层氧化硅膜或单层氮化硅膜或由氧化硅和氮化硅组成的复合膜。所述薄膜可以仅覆盖住电极引线部分，或者覆盖在台阶结构(键合后露在封装盖帽外的第一衬底)上裸露出第一引脚，或者也可以覆盖整个第一衬底裸露出气体流量检测组件和第一引脚。所述薄膜可采用等离子增强化学气相沉积或低压化学气相沉积等方法生成。

通过将气体流量检测组件与第一引脚设置在所述第一衬底的同一面，且第一引脚裸露在所述封装盖帽之外，使得气体流量检测组件的电极引线可以直接引出并裸露在气体质量流量传感器表面。一方面，减少电极引线的弯折，对电极引线(特别是检测引线)损伤小，使制成的传感器信号稳定、噪声小、功耗低、灵敏度高；另一方面，无需对第一衬底进行打孔即可引出第一引脚，提高衬底使用寿命，气体质量流量传感器制备完成后，可以直接与电路板进行金丝键合，简化加工工艺，降低制造周期和成本，且产品整体尺寸更小、容易集成。

在示例性实施方式中，所述第一衬底包括以下之一：硅基衬底、设置有含硅层的金属衬底、设置有含硅层的金属氧化物衬底、设置有含硅层的陶瓷衬底。如果第一衬底为硅基衬底，则可直接基于所述第一衬底制备气体流量检测组件。如果第一衬底为设置有含硅层的金属衬底或设置有含硅层的金属氧化物衬底或设置有含硅层的陶瓷衬底，则可基于所述含硅层制备气体流量检测组件。所述金属衬底例如为铝衬底，所述金属氧化物衬底例如为氧化铝衬底。所述含硅层例如为多晶硅层或氧化硅层。如果采用金属衬底或陶瓷衬底，则可以在衬底与含硅层之间形成一隔热层，例如为阳极氧化铝层。如果第一衬底为硅基衬底，则可通过在硅基衬底上设置腔体减少热量损失。

一种示例性气体流量检测组件可以包括微型加热器以及对称分布的测温电阻，所述微型加热器可采用加热电阻丝(或简称为加热电阻)实现，图3为加热电阻与测温电阻的电路连接图，其中Rd和Ru为对称分布的测温电阻，Rh为加热电阻，Re为可选的测量环境温度的电阻，其可以对流量检测值进行温度补偿。图3仅为电路连接示例，在实际产品中，加热电阻与测温电阻可分别设置在不同层。所述加热电阻丝可通过加热引线与两个加热电极相连，所述测温电阻可通过检测引线与检测电极相连。当没有测量环境温度的电阻Re时，检测电极有三个，其中两个检测电极分别连接两个测温电阻，另一个检测电极作为两个测温电阻的公共电极。因此在图2所示示例中，共有5个第一引脚。当有测量环境温度的电阻Re时，检测电极共有四个，再加上两个加热电极，共有6个第一引脚。上述气体流量检测组件仅为示例，第一引脚的数量取决于气体流量检测组件的结构，以及所述气体质量流量传感器的应用场景。

在上述步骤a1中，可以在制备气体流量检测组件中的加热电阻的同时制备加热引线与加热电极，在制备测温电阻的同时制备检测引线和检测电极。同时制备可以减少工艺步骤，节约成本。制备时可以采用铂和\/或金等金属材料，利用金属沉积和剥离工艺进行制备。

所述传感器芯片可以采用悬梁膜结构或采用封闭膜结构。悬梁膜结构传感器芯片如图4a和图4b所示，图4a为共有6个第一引脚且双侧设置的传感器芯片的透视图，图4b为共有5个第一引脚且单侧设置的传感器芯片的立体图，如图4a和图4b所示示例，所述第一衬底11的第一表面开设有空腔15，所述空腔在第一表面的开口处设置有悬梁14，所述气体流量检测组件12设置在所述空腔15的开口处的悬梁14上。封闭膜结构传感器芯片如图5a和图5b所示，图5a为共有6个第一引脚且双侧设置的传感器芯片的透视图，图5b为共有5个第一引脚且单侧设置的传感器芯片的立体图，如图5a和图5b所示示例，所述第一衬底的第一表面设置膜层结构，所述气体流量检测组件12设置在所述膜层结构上，所述第一衬底背向第一表面的第二表面开设有空腔15，所述空腔15的深度等于所述第一衬底的高度。需要说明的是，传感器芯片上气体流量检测组件与第一引脚之间的引线布置可由本领域技术人员根据需要进行设计，本文示例图中未示出具体引线位置。

在所述气体流量检测组件12底部的空腔用于隔热，以减少热量的损失。在悬梁膜结构中，所述空腔可以贯穿所述第一衬底，也可以不贯穿。当所述空腔贯穿所述第一衬底时，所述气体流量检测组件利用空气实现隔热。当所述空腔不贯穿所述第一衬底时，开设的空腔的深度使所述气体流量检测组件与所述空腔底部之间有空隙，以便于隔热。在其他实施方式中，也可以不设置空隙。

除上述提到的气体流量检测组件结构之外，还可以采用其他能实现气体检测功能的气体检测结构来实现。

以制备悬梁膜结构传感器芯片为例进行说明，可以采用以下步骤b1-b4进行制备传感器芯片：

步骤b1，准备第一衬底11；

例如，选择<100>晶向的单面或双面抛光硅片作为第一衬底；

再例如，对铝衬底进行抛光处理并洗净，将铝衬底进行阳极氧化处理，在表面形成阳极氧化铝层，在该阳极氧化铝层上通过低压化学气相沉积法沉积多晶硅层，将经过上述处理后的衬底作为第一衬底11。如果采用此种处理的衬底作为第一衬底，则在制备传感器芯片时可以不执行步骤b4。

步骤b2，在所述第一衬底11的第一表面上制备第一薄膜；

该第一薄膜用于作为支撑所述气体流量检测组件的支撑膜，以构成前述悬梁。所述第一薄膜包括由氧化硅层和氮化硅层组成的复合层，可以是一组氧化硅层和氮化硅层也可以是多组氧化硅层和氮化硅层。可采用热氧化、等离子增强化学气相沉积或低压化学气相沉积等方法依次在第一衬底的第一表面生长氧化硅层和氮化硅层。

步骤b3，在所述第一薄膜上制备所述气体流量检测组件12、多个第一引脚13以及连接所述气体流量检测组件12和第一引脚13的电极引线，所述多个第一引脚13制备在所述气体流量检测组件的一侧或者分别制备在所述气体流量检测组件的两侧(以便于在键合封装盖帽2后，使第一引脚裸露在所述封装盖帽之外位于所述封装盖帽一侧或两侧)；

可在制备气体流量检测组件中的加热电阻的同时制备供加热引线与加热电极，在制备测温电路的同时制备检测引线和检测电极。可以采用铂和\/或金等金属材料，利用金属沉积工艺和剥离工艺等工艺进行制备。

步骤b4，刻蚀所述气体流量检测组件12下方的第一衬底11形成空腔15，使所述气体流量检测组件12位于所述空腔15开口处的悬梁14上，刻蚀时保留用于支撑所述气体流量检测组件的第一薄膜作为悬梁。

用于支撑所述气体流量检测组件的第一薄膜包括所述气体流量检测组件12下方以及所述电极引线下方的第一薄膜。

本例中以制备悬梁膜结构传感器芯片为例进行说明，刻蚀空腔时，从第一衬底的第一表面进行刻蚀形成空腔，可称为正面刻蚀。制备封闭膜结构传感器芯片时，在步骤b4中，从第一衬底的背向第一表面的第二表面进行刻蚀形成空腔，可称为背面刻蚀。

正面刻蚀时，可使所述空腔贯穿第一衬底，或者控制所述空腔的深度使所述气体流量检测组件与所述空腔底部之间留有用于隔热的空隙。

正面刻蚀时，可先利用反应离子刻蚀工艺或离子束刻蚀工艺刻蚀作为支撑膜的第一薄膜，定义出用于支撑气体流量检测组件的支撑主体图形(例如气体流量检测组件的正投影位置处的图形)和支撑悬梁图形，露出硅衬底形成刻蚀窗口，然后采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾各向异性湿法腐蚀液通过刻蚀窗口腐蚀硅衬底，掏空支撑主体和支撑悬梁下面的硅衬底形成空腔。根据刻蚀所采用的材料和方法的不同，空腔的侧壁的形状也可以不同(或者垂直或者倾斜或者弯曲)，例如各向异性腐蚀空腔的截面可以是倒梯形或是“V”字形。

在一示例性实施例中，如图6所示，在所述第一衬底11上还可设置有专用集成电路(ASIC)芯片16，所述气体流量检测组件通过第二引脚(图中未示出第二引脚和电极引线)、所述ASIC芯片16与所述第一引脚13实现电连接，所述ASIC芯片16设置在所述封装盖帽之内或者裸露在所述封装盖帽之外。在本示例中，所述气体流量检测组件通过ASIC芯片间接地与所述第一引脚电连接，在其他示例中，所述气体流量检测组件还可通过其他器件间接地与所述第一引脚电连接。在设置有ASIC芯片的示例中，所述第一引脚13包括ASIC芯片的引脚，所述第二引脚包括气体流量检测组件的引脚，例如加热电极和检测电极。

本示例所述ASIC芯片可以是基于所述第一衬底制造的，也可以是将已经制备好的ASIC芯片键合在所述第一衬底上。

所述气体流量检测组件通过第二引脚、所述ASIC芯片与所述第一引脚实现电连接是指：所述气体流量检测组件通过第二引脚与所述ASIC芯片电连接(芯片级连接)，所述ASIC芯片与所述第一引脚电连接，如图6所示。在本示例中，第二引脚制备在封装盖帽覆盖范围之内，将ASIC芯片制备在封装盖帽覆盖范围之外。所述第二引脚包括加热电极和检测电极(图中未示出)；与所述ASIC芯片电连接的第一引脚即为ASIC芯片的引脚，包括但不限于以下一种或多种：电源引脚、输入信号引脚、输出信号引脚等，视ASIC具体设计而定，图6中示出的4个第一引脚仅为示例说明。

在示例性实施方式中，所述ASIC芯片与第二引脚可以均制备在封装盖帽覆盖范围之内，使得当封装盖帽键合在第一衬底上后该ASIC芯片和第二引脚位于所述封装盖帽之内，仅第一引脚裸露在封装盖帽之外，如图1a或图1b所示。在其他实施方式中，还可以将ASIC芯片和第二引脚均制备在封装盖帽覆盖范围之外，当封装盖帽键合在第一衬底上后该第二引脚、ASIC芯片和第一引脚均裸露在封装盖帽之外。以上方式中，第一引脚、ASIC芯片、第二引脚和气体流量检测组件设置在第一衬底的同一表面，可以减少器件之间电极引线弯折的机会。本申请实施例不排除ASIC芯片和\/或第二引脚设置在第一衬底的另一表面的情况。

在示例性实施方式中，为了降低任何可能的干扰，除了引脚之外，其他裸露在封装盖帽之外的器件也可通过薄膜遮盖。

ASIC芯片用于采集气体流量检测组件采集的气体流速信号并进行处理，集成了ASIC电路的气体质量流量传感器可以直接输出处理后的信号，集成度更高，应用范围更广。

以传感器芯片为悬梁膜结构为例，可以采用以下步骤c1-c4制备上述设置有ASIC芯片的传感器芯片：

步骤c1，准备第一衬底11；

步骤c2，在所述第一衬底11的第一表面制备第一薄膜；

以上步骤c1和c2同步骤b1和b2，此处不再赘述。

步骤c3，在所述第一薄膜上制备所述气体流量检测组件12、ASIC芯片18、多个第一引脚13和多个第二引脚19，所述气体流量检测组件12通过所述第二引脚19和所述ASIC芯片18与所述第一引脚13电连接，所述多个第一引脚13制备在所述气体流量检测组件12的一侧或者分别制备在所述气体流量检测组件12的两侧(以便于在键合封装盖帽2后，使第一引脚13裸露在所述封装盖帽2之外位于所述封装盖帽2一侧或两侧)；所述ASIC芯片18制备在所述封装盖帽2覆盖范围内，使得当封装盖帽2键合在所述第一衬底11上后所述ASIC芯片18位于所述封装盖帽2之内，或者，所述ASIC芯片18制备在所述封装盖帽2覆盖范围之外，使得当封装盖帽2键合在所述第一衬底11上后所述ASIC芯片18裸露在所述封装盖帽2之外；

上述步骤c3中制备气体流量检测组件、引脚和电极引线的工艺与步骤b3中相同。ASIC芯片电路布局可根据需要制定，采用标准互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺制备好之后再键合到第一衬底上。或者采用MEMS工艺基于第一衬底，与气体流量检测组件引脚以及相应的电极引线同时制备。

步骤c4，刻蚀所述气体流量检测组件12下方的第一衬底11形成空腔15，使所述气体流量检测组件12位于所述空腔15的开口悬梁处，刻蚀时保留用于支撑所述气体流量检测组件的第一薄膜作为悬梁；

所述封装盖帽朝向所述第一衬底的一面开设的凹槽在第一衬底上的投影包含所述空腔在第一表面的开口，以避免在键合过程中封装盖帽对气体流量检测组件造成结构损伤。

在本实施方式中，在封装盖帽内部设置的横截面可以是梯形(如图7a所示)，也可以是矩形(如图7b所示)。

以一次成型进气口、出气口和凹槽为例，可以采用以下步骤d1-d2制备封装盖帽：

步骤d1，准备第二衬底21；

此处所述准备第二衬底是指准备用于制作封装盖帽的衬底，可以是硅片，硅片尺寸可以为四英寸、六英寸或者其他尺寸，第二衬底21的厚度与第一衬底11的厚度可以相同也可以不同。第二衬底的材料还可以是玻璃。

如果步骤d2中采用各向异性湿法腐蚀制备凹槽，则可选择P或N-<100>晶向的硅片；如果步骤d2中采用各向同性的干法刻蚀或湿法腐蚀制备第二空腔，则对硅片的晶向无要求。

步骤d2，在所述第二衬底21的第一表面形成薄膜保护层；

所述第一表面是指封装时背向第一衬底的表面。

所述第二薄膜可以为单层氧化硅膜或单层氮化硅膜或由氧化硅和氮化硅形成的复合膜。可采用热氧化、等离子增强化学气相沉积或低压化学气相沉积等方法生成。

例如可以采用等离子体增强化学气相沉积法在第二衬底的第一表面生成薄膜保护层，也可以在第二衬底的所有表面生成薄膜保护层。

步骤d3，对所述第一表面的薄膜保护层进行刻蚀形成气体流道窗口；

可以利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀等刻蚀工艺在第二衬底21的第一表面刻蚀出窗口，露出第二衬底21的第一表面，露出硅基衬底后能够加速步骤d4中体硅腐蚀工艺的腐蚀速度。

步骤d4，对步骤d3中形成的窗口内的第二衬底21进行刻蚀形成凹槽22，所述凹槽为“一”字形，所述凹槽在第二衬底相对的两个侧面形成开口，所述开口分别作为进气口和出气口；

可以采用光刻胶或者其他类的掩膜保护板，采用干法刻蚀工艺从第二衬底的表面刻蚀暴露出来的第二衬底21，即可制造出凹槽22。或采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾等各向异性湿法腐蚀液，或采用由氢氟酸、硝酸水溶液的各向同性湿法腐蚀液，或二氟化氙(XeF_{2<\/sub>)各向同性干法腐蚀气体来刻蚀第二衬底，也可以制造出凹槽22。}

气体流道的尺寸大小可根据实际的测量量程、灵敏度需求来设计，基于设计的气体流道尺寸大小决定凹槽的尺寸。凹槽的深度24应小于第二衬底的高度，可根据刻蚀时间的长短来控制。凹槽的宽度25即气体流道宽度大于等于悬梁膜结构传感器芯片的隔热空腔15端口的宽度，或大于等于封闭膜结构传感器芯片的气体流量检测组件的尺寸。

图8为一个气体质量流量传感器的分解图，在图8所示示例中，传感器芯片采用悬梁膜结构，第一引脚有6个且对称分布。

在一示例性实施例中，可以采用以下方式将封装盖帽键合在所述第一衬底上：

将所述第二衬底21开设有凹槽22的一面朝向所述第一衬底11设置有气体流量检测组件12的一面，将封装盖帽2键合在所述第一衬底21上以罩住所述气体流量检测组件，键合时使所述第一引脚裸露在所述封装盖帽之外。键合后，所述凹槽22在第二衬底21朝向第一衬底11的表面的开口包含悬梁膜结构传感器芯片中空腔15在第一衬底11朝向封装盖帽2的表面的开口，或者包含封闭膜结构传感器芯片中气体流量组件的投影面积(此处所述“包含”包括两开口面积相同的情况)。

在一示例性实施例中，可采用晶圆级封装工艺将包含传感器芯片的晶圆与包含封装盖帽的晶圆键合封装，或者也可将传感器芯片和封装盖帽进行键合。键合工艺可采用黏合剂键合或玻璃浆料键合技术，此种技术对键合温度要求较低，温度变化产生的热应力能够被焊料直接吸收；也可采用金属共晶键合技术，此种技术在较低的温度下将熔融温度较低的共晶合金作为中间介质层，通过加热使材料熔融实现共晶键合。采用共晶键合封装工艺时，传感器芯片上的金属引线需要一层钝化层对其进行保护。第一衬底上的键合位置为空腔以外(悬梁膜结构传感器芯片)或气体流量检测组件以外(封闭膜结构传感器芯片)的位置，第二衬底上的键合位置为非气体流道的位置，如图10b中键合位置41，以使封装盖帽罩住所述气体流量检测组件并将第一引脚裸露在封装盖帽之外。

在一示例性实施例中，所述方法还包括以下步骤之一：

步骤g1，在所述封装盖帽背向第一衬底的表面上形成划片标记；

如果在将封装盖帽键合在所述第一衬底上之后再进行划片，则只需在制备封装盖帽的晶圆上形成划片标记即可。形成的划片标记包括用于界限气体质量流量传感器边界的划片标记以及用于界限封装盖帽边界的划片标记。可以在制备封装盖帽时形成划片标记，例如在开设空腔之前在第二衬底的第一表面上制作划片标记。

步骤g2，分别在所述第一衬底和封装盖帽上形成划片标记。

如果是在将封装盖帽键合在所述第一衬底上之前进行划片，则需要分别在第一衬底上和封装盖帽上形成划片标记。在第一衬底上形成的划片标记用于界限气体质量流量传感器边界，在封装盖帽上形成的划片标记用于界限封装盖帽的边界。第一衬底上的划片标记可以在第一衬底上制备气体流量检测组件以及与所述气体流量检测组件电连接的第一引脚的同时形成。封装盖帽上的划片标记可以在制备所述封装盖帽的过程中形成。传感器芯片和封装盖帽都制备好后，采用激光划片分别对传感器芯片和封装盖帽进行划片后，再将传感器芯片和封装盖帽进行键合得到气体质量流量传感器。

所述划片标记可以是采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜等金属镀膜工艺制备，划片标记的材料可为铂和\/或金，划片标记可以为点也可以为线，只要能标记边界即可。例如，使用边长为5μm的正方形点状划片标记，分别设置于封装盖帽或传感器芯片的边界交点处(如顶点位置)。

以悬梁膜结构传感器芯片上第一引脚单侧设置为例，如图9a、9b、图10a和10b所示，图中第一晶圆3为制备封装盖帽的硅片，第二晶圆4为制备传感器芯片的硅片。以封装后划片且划片标记为点状划片标记为例，本例中制备得到的传感器外形如图1a所示，气体流道的长度与所述封装盖帽的宽度相同，且与所述第一衬底的宽度相同。如果所述第一引脚均设置在封装盖帽的一侧，则只需形成6个划片标记，包括4个用于界限气体质量流量传感器顶点的划片标记31-1以及2个用于界限封装盖帽边界的划片标记31-2。如果所述第一引脚分别设置在封装盖帽的两侧，则需要形成8个划片标记，包括4个用于界限气体质量流量传感器顶点的划片标记31-1以及4个用于界限封装盖帽边界的划片标记31-2。按照顺时针或者逆时针的顺序依次连接四个划片标记31-1形成的路径为第一划片路径32，该第一划片路径32标识了气体质量流量传感器的边界，如图9b中黑色粗实线所示。在封装盖帽封装到传感器芯片之后，可根据划片标记31-1，采用激光划片的方式，按照第一划片路径32，控制激光划片的深度，将两片封装在一起的晶圆完全划透；再根据设置好的划片标记31-2，按照第二划片路径33(图9b中黑色粗虚线)，控制激光划片的深度(即封装盖帽的高度)，对封装在传感器芯片晶圆上的封装盖帽晶圆进行切割，移除多余结构34，露出第一引脚。激光划片相比于传统的划片方式，划道干净，划片精度高，速度快，对芯片的结构影响小。

由于前述实施例提供的气体质量流量传感器的结构的独特性，因此在一示例性实施例中，可以将多个前述气体质量流量传感器芯片结构和盖帽结构进行组合设计为传感器阵列，一个传感器阵列中可以有多个气体质量流量传感器，其中的气体质量流量传感器可以是上述实施例中的任意一种或几种。所述气体质量流量传感器阵列满足以下第一条件和第二条件：

所述气体流量检测组件规格包括以下参数一种或多种：加热电阻丝间距、加热电阻丝阻值、测温电阻阻值，测量环境温度的电阻阻值。

采用气体质量流量传感器阵列结构可以实现单位面积上更高的传感器集成度，如果气体传感器阵列中的每个气体质量流量传感器的气体流道尺寸大小不同，则可以实现风速从微弱到强风的精确检测。

本实施例提供的带有封装结构的气体质量流量传感器，与传统的封装后的气体质量流量传感器相比，其尺寸大大减小，可以实现设计尺寸1mm×1.5mm，甚至尺寸可以更小。可集成到智能家居，医疗、汽车等气体流量测量及监控领域，完全满足应用需求。本实施例采用MEMS工艺设计制造传感器芯片以及封装盖帽，将传感器芯片和封装盖帽键合封装之后便是一个完整的直接可用的气体质量流量传感器，不需要结合后续点胶、芯片粘接、粘接剂固化、引线键合、盖帽等一系列的封装工艺，封装工艺简单，实现单一工艺流量传感器制造封装，易于传感器批量化制造，成本大大降低，效率得到提升，制备周期缩短。此外，无需打硅通孔，减少对传感器的二次损伤，延长传感器工作寿命。

在本实用新型中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

设计图

一种气体质量流量传感器及传感器阵列论文和设计

一种气体质量流量传感器及传感器阵列论文和设计-许磊

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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