[實(shí)用新型]基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201120011643.8
• 申請日: 2011-01-17
• 公開（公告）號: CN201993380U
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董自強(qiáng);黃慶安;秦明
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01P5/12
• 分類號: G01P5/12;G01P13/02;H01L27/16
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種采用硅襯底減薄工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圓片級封裝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝制備傳感器芯片，尤其涉及一種低功耗的基于陶瓷封裝的集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

背景技術(shù)

在CMOS集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)中，封裝一直以來是阻礙其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。一方面其封裝材料即要求具有良好的熱傳導(dǎo)性能，又要求對傳感器具有保護(hù)作用，并且設(shè)計(jì)中還需要考慮到封裝材料對傳感器靈敏度、可靠性以及價(jià)格等方面的影響，這就限制了傳感器自身封裝設(shè)計(jì)的自由度。另一方面，熱式流量傳感器要求傳感器的敏感部分暴露在測量環(huán)境中，同時(shí)又要求處理電路與環(huán)境隔離，以免影響處理電路的性能，兩者對封裝的要求產(chǎn)生了矛盾。

以往報(bào)道的硅風(fēng)速風(fēng)向傳感器大都將硅片的敏感表面直接暴露在自然環(huán)境中，以便能夠感知外界風(fēng)速變化。這樣一來，硅片很容易受到各種污染，導(dǎo)致其性能的不穩(wěn)定，甚至損壞。如果采用熱導(dǎo)率較高的陶瓷基片，利用倒裝焊封裝或者導(dǎo)熱膠貼附的方式對傳感器硅芯片進(jìn)行封裝，就能夠較好的避免上述的矛盾，但是封裝后傳感器產(chǎn)生的熱量絕大部分以熱傳導(dǎo)的方式從硅基襯底耗散掉，僅有很小的一部分通過陶瓷與外界空氣進(jìn)行了熱交換，大大降低輸出敏感信號的幅值，通過增大傳感器的功耗能夠提高敏感信號的幅值，但又造成整個(gè)傳感器系統(tǒng)較大的功耗。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是提供一種采用硅襯底減薄工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圓片級封裝的基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)以及封裝形式有利于在保證較大敏感信號幅值的同時(shí)，傳感器系統(tǒng)具有較低的功耗。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括減薄硅芯片，所述減薄硅芯片的背面通過導(dǎo)熱膠連接有陶瓷基板，在減薄硅芯片的正面設(shè)有N阱，在N阱上設(shè)有氧化層，在N阱的中部設(shè)有4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件及4個(gè)熱傳感測溫元件，4個(gè)熱傳感測溫元件為熱電偶測溫元件且分布于4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件的四周，在氧化層的邊緣區(qū)域設(shè)有電引出焊盤，4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件的電引出焊盤及4個(gè)熱傳感測溫元件的電引出焊盤分別通過金屬引線與電引出焊盤連接，在4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件和4個(gè)熱傳感測溫元件之間設(shè)置有熱隔離槽，所述熱隔離槽深及減薄硅芯片襯底中。

本實(shí)用新型利用CMOS工藝在硅基上制備加熱元件和熱傳感測溫元件，利用DRIE干法刻蝕工藝在加熱元件和熱傳感測溫元件之間制備50微米深的熱隔離槽，用于減小加熱元件和熱傳感測溫元件之間的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)；利用硅襯底機(jī)械研磨和拋光的減薄工藝對已包含加熱元件和熱傳感測溫元件的硅芯片襯底進(jìn)行減薄，去掉大部分的硅襯底直至硅襯底的厚度在80微米至100微米范圍內(nèi)，這樣能夠很大程度上降低芯片的熱容量，在提高芯片的靈敏度的同時(shí)能夠降低傳感器的響應(yīng)時(shí)間；利用具有一定熱導(dǎo)率的陶瓷基板通過導(dǎo)熱膠貼封至減薄硅芯片的背面，陶瓷基板一方面保護(hù)減薄硅芯片免于外界環(huán)境的污染和提供機(jī)械支撐，另一方面作為中間的傳熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)減薄硅芯片與外界環(huán)境的熱交換。在對硅芯片襯底進(jìn)行減薄的過程中，首先利用石蠟將硅芯片貼至載玻片上，利用載玻片對減薄硅芯片提供必要的機(jī)械支撐，然后利用導(dǎo)熱膠將仍貼有載玻片的減薄硅芯片貼封至陶瓷基板上，最后再熔解石蠟，去除載玻片，完成傳感器的制備，這樣的制備步驟在能夠制備出襯底厚度在80微米到100微米的傳感器芯片，并在傳感器封裝和劃片的整個(gè)后處理過程中對脆弱的芯片結(jié)構(gòu)提供必要的機(jī)械支撐。

本實(shí)用新型通過制備在減薄硅芯片中的加熱元件產(chǎn)生的熱量通過減薄硅芯片的襯底和導(dǎo)熱膠的熱傳導(dǎo)效應(yīng)傳導(dǎo)至陶瓷基板中，在陶瓷基板中建立一個(gè)溫度場，陶瓷基板上表面暴露在外界環(huán)境中，外界環(huán)境中風(fēng)的變化會影響陶瓷基板中的溫度場分布，通過導(dǎo)熱膠的傳遞能夠?qū)⑻沾苫逯懈淖兊臏囟葓龇植紓骰刂翜p薄硅芯片襯底中，減薄硅芯片中的熱傳感測溫元件通過減薄后的硅襯底測出該溫度場溫度分布的變化情況。在外界無風(fēng)的條件下，溫度場的分布呈現(xiàn)完全對稱的狀態(tài)。當(dāng)外界有風(fēng)從陶瓷基板上表面吹過時(shí)，風(fēng)將以熱對流的方式從陶瓷基板上表面帶走部分的熱量，并在陶瓷基板中建立一個(gè)沿風(fēng)向方向的溫度梯度分布場，熱傳感測溫元件通過減薄后的硅襯底和導(dǎo)熱膠的熱傳導(dǎo)作用測出該溫度場分布的變化，進(jìn)而可計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向的大小。

在傳感器結(jié)構(gòu)中，通過導(dǎo)熱膠貼封至減薄硅芯片背面的陶瓷基板一方面用于保護(hù)下層的減薄硅芯片和提供必要的機(jī)械支撐，另一方面又作為感受外界風(fēng)的變化的敏感元件。整個(gè)傳感器只有陶瓷基板的上表面和風(fēng)的環(huán)境接觸，其他元件均通過陶瓷基板與外界環(huán)境隔絕，因此能夠避免受到外界環(huán)境的污染。本實(shí)用新型傳感器的結(jié)構(gòu)適用于制備二維的風(fēng)速風(fēng)向傳感器。