[实用新型]基于减薄工艺的热式风速风向传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的热式风速风向传感器，采用标准CMOS集成电路工艺制备传感器芯片，尤其涉及一种低功耗的基于陶瓷封装的集成风速风向传感器。

背景技术

在CMOS集成风速风向传感器的设计中，封装一直以来是阻碍其发展的技术瓶颈。一方面其封装材料即要求具有良好的热传导性能，又要求对传感器具有保护作用，并且设计中还需要考虑到封装材料对传感器灵敏度、可靠性以及价格等方面的影响，这就限制了传感器自身封装设计的自由度。另一方面，热式流量传感器要求传感器的敏感部分暴露在测量环境中，同时又要求处理电路与环境隔离，以免影响处理电路的性能，两者对封装的要求产生了矛盾。

以往报道的硅风速风向传感器大都将硅片的敏感表面直接暴露在自然环境中，以便能够感知外界风速变化。这样一来，硅片很容易受到各种污染，导致其性能的不稳定，甚至损坏。如果采用热导率较高的陶瓷基片，利用倒装焊封装或者导热胶贴附的方式对传感器硅芯片进行封装，就能够较好的避免上述的矛盾，但是封装后传感器产生的热量绝大部分以热传导的方式从硅基衬底耗散掉，仅有很小的一部分通过陶瓷与外界空气进行了热交换，大大降低输出敏感信号的幅值，通过增大传感器的功耗能够提高敏感信号的幅值，但又造成整个传感器系统较大的功耗。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的基于减薄工艺的热式风速风向传感器，设计的传感器结构以及封装形式有利于在保证较大敏感信号幅值的同时，传感器系统具有较低的功耗。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片，所述减薄硅芯片的背面通过导热胶连接有陶瓷基板，在减薄硅芯片的正面设有N阱，在N阱上设有氧化层，在N阱的中部设有4个扩散电阻加热元件及4个热传感测温元件，4个热传感测温元件为热电偶测温元件且分布于4个扩散电阻加热元件的四周，在氧化层的边缘区域设有电引出焊盘，4个扩散电阻加热元件的电引出焊盘及4个热传感测温元件的电引出焊盘分别通过金属引线与电引出焊盘连接，在4个扩散电阻加热元件和4个热传感测温元件之间设置有热隔离槽，所述热隔离槽深及减薄硅芯片衬底中。

本实用新型利用CMOS工艺在硅基上制备加热元件和热传感测温元件，利用DRIE干法刻蚀工艺在加热元件和热传感测温元件之间制备50微米深的热隔离槽，用于减小加热元件和热传感测温元件之间的横向热传导效应；利用硅衬底机械研磨和抛光的减薄工艺对已包含加热元件和热传感测温元件的硅芯片衬底进行减薄，去掉大部分的硅衬底直至硅衬底的厚度在80微米至100微米范围内，这样能够很大程度上降低芯片的热容量，在提高芯片的灵敏度的同时能够降低传感器的响应时间；利用具有一定热导率的陶瓷基板通过导热胶贴封至减薄硅芯片的背面，陶瓷基板一方面保护减薄硅芯片免于外界环境的污染和提供机械支撑，另一方面作为中间的传热介质实现减薄硅芯片与外界环境的热交换。在对硅芯片衬底进行减薄的过程中，首先利用石蜡将硅芯片贴至载玻片上，利用载玻片对减薄硅芯片提供必要的机械支撑，然后利用导热胶将仍贴有载玻片的减薄硅芯片贴封至陶瓷基板上，最后再熔解石蜡，去除载玻片，完成传感器的制备，这样的制备步骤在能够制备出衬底厚度在80微米到100微米的传感器芯片，并在传感器封装和划片的整个后处理过程中对脆弱的芯片结构提供必要的机械支撑。

本实用新型通过制备在减薄硅芯片中的加热元件产生的热量通过减薄硅芯片的衬底和导热胶的热传导效应传导至陶瓷基板中，在陶瓷基板中建立一个温度场，陶瓷基板上表面暴露在外界环境中，外界环境中风的变化会影响陶瓷基板中的温度场分布，通过导热胶的传递能够将陶瓷基板中改变的温度场分布传回至减薄硅芯片衬底中，减薄硅芯片中的热传感测温元件通过减薄后的硅衬底测出该温度场温度分布的变化情况。在外界无风的条件下，温度场的分布呈现完全对称的状态。当外界有风从陶瓷基板上表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷基板上表面带走部分的热量，并在陶瓷基板中建立一个沿风向方向的温度梯度分布场，热传感测温元件通过减薄后的硅衬底和导热胶的热传导作用测出该温度场分布的变化，进而可计算出风速和风向的大小。

在传感器结构中，通过导热胶贴封至减薄硅芯片背面的陶瓷基板一方面用于保护下层的减薄硅芯片和提供必要的机械支撑，另一方面又作为感受外界风的变化的敏感元件。整个传感器只有陶瓷基板的上表面和风的环境接触，其他元件均通过陶瓷基板与外界环境隔绝，因此能够避免受到外界环境的污染。本实用新型传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。