CN102967725B - 一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，包括硅衬底、四个测温元件、加热元件、铜膜层、碳纳米管层、镍膜层和热绝缘介质层，硅衬底的顶面与铜膜层的底面连接，铜膜层的顶面与碳纳米管层的底面连接，碳纳米管层的顶面与镍膜层的底面连接；加热元件和四个测温元件分别嵌至在硅衬底的底面上，四个测温元件均匀分布在加热元件的周边，且加热元件和测温元件之间设有一环形热隔离槽，该热隔离槽的顶面到硅衬底的顶面距离小于50微米；热绝缘介质层覆盖在硅衬底的外表面，碳纳米管层由呈阵列排列的碳纳米管组成，每个碳纳米管呈竖直放置。该结构的热风速传感器可减小硅衬底横向传热的影响，提高传感器的灵敏度。

Description

一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器
技术领域
本发明涉及一种热风速传感器，具体来说，涉及一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器。
背景技术
热风速传感器在风速、风向的测量中有广泛的应用，而随着近些年国内外自然灾害逐步增多，对于气象监测的要求越来越高，因此实现高灵敏度的热风速传感器具有重要的意义。在传统的倒封装结构热风速传感器中一般都采用两种方法来实现芯片与基板的封装：第一种是采用倒装焊技术，第二种是直接利用导热胶将芯片和基板粘在一起来实现封装。但这两种方法都有一些不可忽略的缺点，其中倒装焊技术并不能实现最终封装，而且芯片的敏感区域暴露在空气中，仍需要额外的保护措施；第二种利用导热胶直接粘合的方法也很难避免由于胶的不均匀及其横向传热对传感器灵敏度的负面影响。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，该结构的热风速传感器可减小硅衬底横向传热的影响，提高传感器的灵敏度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，该热风速传感器包括硅衬底、四个测温元件、加热元件、铜膜层、碳纳米管层、镍膜层和热绝缘介质层，硅衬底的顶面与铜膜层的底面连接，铜膜层的顶面与碳纳米管层的底面连接，碳纳米管层的顶面与镍膜层的底面连接；加热元件和四个测温元件分别嵌至在硅衬底的底面上，四个测温元件均匀分布在加热元件的周边，且测温元件以加热元件为中心相互对称，加热元件和测温元件之间设有一环形热隔离槽，该热隔离槽的顶面到硅衬底的顶面距离小于50微米；热绝缘介质层覆盖在硅衬底的外表面；碳纳米管层由呈阵列排列的碳纳米管组成，每个碳纳米管呈竖直放置。
进一步，所述的基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，还包括陶瓷基板，陶瓷基板的底面与镍膜层的顶面连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）传感器的灵敏度高。传统用胶封装的热风速传感器，由于粘接胶层的厚度较大且不均匀，导致热量在粘接胶层中传递效果不佳，严重影响传感器的灵敏度。本发明采用碳纳米管层替换粘接胶层。碳纳米管层轴向传热性能好，碳纳米管层之间基本上不会传热，故将碳纳米管呈竖直放置。这样，从铜膜层或者镍膜层传来的热量，碳纳米管可以充分将其传送，而不在碳纳米管之间横向传送。
另外，本发明的热风速传感器中的硅衬底上设置了一环形热隔离槽，隔离了加热元件和测温元件，使加热元件产生的热量不会直接传送到测温元件上。这也有助于提高传感器的灵敏度。最后，在硅衬底的外表面包覆一热绝缘介质层，可以避免环境风将加热元件产生的热量吹至测温元件上，使得加热元件产生的热量通过硅衬底向上传递。这同样可以提高传感器的灵敏度。
（2）热均匀性好。本发明通过热隔离槽、热绝缘介质和碳纳米管阵列的设计有效降低了加热元件产生的热量通过芯片和封装向两边测量元件的传递，提高了器件的灵敏度，采用薄膜工艺生长碳纳米管，厚度可控且一致性好，比传统用胶封装具有更好的热均匀性。
附图说明
图1为本发明的剖视图。
其中：硅衬底1、两个测温元件2、加热元件3、铜膜层4、碳纳米管层5和镍膜层6、陶瓷基板7、热绝缘介质层8、热隔离槽101。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，包括硅衬底1、四个测温元件2、加热元件3、铜膜层4、碳纳米管层5、镍膜层6和热绝缘介质层8。硅衬底1的顶面与铜膜层4的底面连接，铜膜层4的顶面与碳纳米管层5的底面连接，碳纳米管层5的顶面与镍膜层6的底面连接。加热元件3和四个测温元件2分别嵌至在硅衬底1的底面上。四个测温元件2均匀分布在加热元件3的周边，且测温元件2以加热元件3为中心相互对称。加热元件3和测温元件2之间设有一环形热隔离槽101。热隔离槽101位于硅衬底1上，热隔离槽101将测温元件2和加热元件3隔开。热隔离槽101的顶面到硅衬底1的顶面距离小于50微米。这样，加热元件3产生的热基本上从硅衬底1向上传送到铜膜层4上，而不会直接通过硅衬底1传动至测温元件2上。热绝缘介质层8覆盖在硅衬底1的外表面。设置热绝缘介质层8是为了避免由于硅衬底1正面气流使加热元件3的热量对测温元件2的影响，同时避免硅衬底的热量向下散发。另外，热绝缘介质层8还起到保护嵌至在硅衬底1表面的元件的作用。碳纳米管层5由呈阵列排列的碳纳米管组成，每个碳纳米管呈竖直放置。铜薄膜4为了降低碳纳米管和硅衬底1的热阻。铜膜层4的厚度优选0.1到2微米。镍薄膜6用于传递碳纳米管的热量。镍膜层6的厚度优选为0.1到2微米。加热元件3位于硅衬底1底面的中心为佳，这样，加热元件3产生的热在硅衬底1上传递更均匀。
上述的基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，还包括陶瓷基板7，陶瓷基板7的底面与镍膜层6的顶面连接。设置陶瓷基板7，一方面保护传感器，另一方面实现环境和传感器的热交换。当设置陶瓷基板7时，热绝缘介质层8的顶面与陶瓷基板7的底面连接。
上述结构的热风速传感器的制作过程为：首先选取N型掺杂硅衬底1，然后在其正面（如图1中硅衬底1的底面）进行硼离子注入形成加热元件3和测温元件2，接下来进行热隔离槽区域光刻，用感应耦合等离子刻蚀机器对硅衬底1正面进行深硅刻蚀，留下约10-20um厚度的硅膜。硅衬底1正面的器件制作完成后，在硅衬底1背面用磁控溅射方法溅射一层铜薄膜，通过化学气相淀积形成碳纳米管阵列，经过高温加热退火纯化，这样就形成铜膜层4和碳纳米管层5。为了保护整个传感器，在碳纳米管阵列的表面用磁控溅射沉积镍膜层6，再焊接薄层陶瓷基板7。在完成上述工艺及最后的引线封装后，传感器正面表面均匀涂敷正水系分散型绝热胶粘剂4230—PLUS，即热绝缘介质层8。这样就完成整个传感器的封装。
本发明的热风速传感器利用碳纳米管阵列层，结合带有热隔离槽的硅衬底，实现了高灵敏度的性能。该传感器利用CMOS工艺加工的具备热隔离槽的硅衬底，然后在硅衬底的背面电镀一层铜，再采用化学气相淀积工艺淀积厚度适中的碳纳米管阵列，进行退火纯化，以清除碳纳米管阵列的缺陷和杂质，最后电沉积一层镍膜。由于碳纳米管轴向优良的热传输性以及热隔离槽101的存在使得硅衬底1上几乎没有热量横向传递。然后在碳纳米管上焊接薄层陶瓷基板7。
该结构的热风速传感器利用热温差原理测量风速和风向。当传感器正常工作时，即给加热元件3施加电压，将导致该加热元件3发热。由于热隔离槽101和热绝缘介质8的存在，在加热元件3上产生的热量只能垂直向上传递，直接通过铜膜层4和碳纳米管层5垂直向上传输。碳纳米管层5中的碳纳米管竖直放置。
由于碳纳米管横向的热传递很小，因此碳纳米管层5中的热量垂直向上传递，传向镍膜层6和陶瓷基板7，最后由陶瓷基板7将热量散入外界的空气中。受环境风的影响，陶瓷基板7上表面将产生热分布，该热分布再依次沿陶瓷基板7、镍膜层6、碳纳米管层5、铜膜层4和硅衬底1反向传输到位于硅衬底1底面的测温元件2上。通过测量相对的两个测温电阻2之间的温度差，该温度差与风速之间满足如下关系：
Figure BDA00002511966800041
其中，ΔT表示相对的两个测温电阻2之间的温度差，u表示X方向或Y方向的风速，α′和β′均表示修正系数。利用上式测算得到x方向的风速和y方向的风速后，就可通过矢量合成计算出总风速和风向的信息。上述热隔离槽101、热绝缘介质层8和碳纳米管层5的存在有效控制了硅衬底1上加热元件3和测温元件2之间通过固体材料的热量传递，即将硅衬底1上的加热元件3和测温元件2隔离开来，提高了传感器的灵敏度。

Claims (4)

1.一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，其特征在于，该热风速传感器包括硅衬底（1）、四个测温元件（2）、加热元件（3）、铜膜层（4）、碳纳米管层（5）、镍膜层（6）和热绝缘介质层（8），硅衬底（1）背面用磁控溅射方法溅射一层铜膜层（4），通过化学气相淀积形成碳纳米管层（5），在碳纳米管层（5）的表面用磁控溅射沉积镍膜层（6）；加热元件（3）和四个测温元件（2）分别嵌至在硅衬底（1）的底面上，四个测温元件（2）均匀分布在加热元件（3）的周边，且测温元件（2）以加热元件（3）为中心相互对称，加热元件（3）和测温元件（2）之间设有一环形热隔离槽（101），该热隔离槽（101）的顶面到硅衬底（1）的顶面距离小于50微米；热绝缘介质层（8）覆盖在硅衬底（1）的外表面；碳纳米管层（5）由呈阵列排列的碳纳米管组成，每个碳纳米管呈竖直放置。
2.按照权利要求1所述的基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，其特征在于，还包括陶瓷基板（7），镍膜层（6）上焊接陶瓷基板（7）。
3.按照权利要求1或2所述的基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，其特征在于，所述的加热元件（3）位于硅衬底（1）底面的中心。
4.按照权利要求2所述的基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器，其特征在于，所述的热绝缘介质层（8）为在传感器正面表面均匀涂敷正水系分散型绝热胶粘剂层。
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