CN105527454B - 一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法 - Google Patents

一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法，该传感器包括薄层陶瓷(1)、陶瓷基板(2)、加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温原件(42)、引线(5)、封装胶(6)、绑定线(7)和氧化硅纳米粉(8)；薄层陶瓷(1)四周和陶瓷基板(2)相连，且薄层陶瓷(1)上表面和陶瓷基板(2)齐平；薄层陶瓷(1)的下表面中心位置设有加热元件(3)，第一测温元件(41)和第二测温原件(42)以加热元件(3)为中心对称分布。本发明提高了传感器的灵敏度。

Description

一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种高灵敏热式风速传感器封装方法，具体来说，涉及一种利用二氧化硅纳米粉实现隔热以提高传感器灵敏度的封装方法。
背景技术
在环境监测、空气调节和工农业的生产中，风速都具有十分重要的作用，是反应气象情况非常重要的参数之一，因此快速准确测量出风速具有重要的实际意义。灵敏度是风速传感器特性的一个重要指标，其对于传感器性能具有重要的影响。基于MEMS工艺的热式风速风向传感器以其体积小、稳定性高、便于携带、灵敏度高和产品一致性好等特点，成为近年来风速风向传感器研究的主流。但由于传感器体积较小，需要高的灵敏度才能实现较好的低风敏感。对于现有的热风速传感器，影响其灵敏度的一个重要因素是温度通过芯片内部的横向传播。因此，从芯片设计到封装上如何减小这一横向热传播一直是这类传感器的研究热点。
发明内容：
技术问题：本发明提出了一种高灵敏热式风速传感器封装方法，通过使用氧化硅纳米粉填充发热元件与测温元件之间空隙的封装方法提高隔热能力，从而有效提高了传感器的灵敏度。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏热式风速传感器，该传感器包括薄层陶瓷、陶瓷基板、加热元件、第一测温元件和第二测温原件、引线、封装胶、绑定线和氧化硅纳米粉；
薄层陶瓷四周和陶瓷基板相连，且薄层陶瓷上表面和陶瓷基板齐平；薄层陶瓷的下表面中心位置设有加热元件，第一测温元件和第二测温原件以加热元件为中心对称分布；
加热元件、第一测温元件和第二测温原件通过绑定线分别与周边陶瓷基板上的引线焊盘连接；加热元件、第一测温元件和第二测温原件以及绑定线周围填充有低热导率氧化硅纳米粉，氧化硅纳米粉外围用密封胶密封。
优选的，所选的低热导率氧化硅纳米粉8的热导率不高于陶瓷基板的热导率的十分之一。
优选的，薄层陶瓷的厚度小于陶瓷基板的厚度，加热元件、第一测温元件和第二测温原件采用金属或半导体硅材料。
本发明还提供了一种高灵敏热式风速传感器的封装方法，该方法包括如下步骤：预先采用深反应离子刻蚀技术将硅片加工成带有凸起的结构，然后选择三氧化二铝生瓷片，通过压印的方法将硅片和生瓷片紧密压在一起并在高温烧结成型，接着通过化学机械抛光方法磨平下表面，在硅表面通过溅射光刻等方法形成必要的引线焊盘之后采用深反应离子刻蚀技术刻蚀凹槽中的硅形成的传感器结构，该芯片后续进行绑定引线，最后向陶瓷凹槽中倾倒氧化硅纳米粉，直到氧化硅纳米粉填满加热元件、第一测温元件和第二测温原件以及绑定线之间的空隙；再用粘度大的环氧密封胶进行点胶包裹，固化后形成充满氧化硅纳米粉的密封腔。
有益效果：1)采用氧化硅纳米粉填充发热元件与测温元件之间空隙，由于氧化硅纳米粉的超低热导率，使芯片内部加热元件和测温元件之间的内部热传递有效降低，提高了传感器的灵敏度；2)加热元件和测温元件贴装的超薄陶瓷基板有效降低了热量通过其内部传递，进一步提高了灵敏度和响应速度；3)芯片填充纳米粉类似点胶工艺，工艺简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图。
图2a为硅晶圆上形成凸起结构示意图。
图2b为烧结形成硅/陶瓷结构他意图。
图2c为磨平下表面形成嵌入硅的陶瓷基板示意图。
图中：薄层陶瓷1、陶瓷基板2、加热元件3、第一测温元件41和第二测温原件42、引线5、封装胶6、绑定线7、氧化硅纳米粉8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
该器件的工作原理如下：加热元件3产生的热量通过其上表面的薄层陶瓷1传递到上方的空气中加热流体，如有风从陶瓷表面吹过，则热流体将随风向下游流动，造成测温元件41和42上方的流体温度产生差异，该温度差异通过测温元件41和42上方的薄层陶瓷1传递会测温元件41和42，通过获取测温元件的输出信号就可得到该温差，进而得到风的相关信息。
氧化硅纳米粉是一种很好的隔热材料。由于本封装方法使用氧化硅纳米粉填充了加热元件3与测温元件41和42之间的空隙，有效地降低了芯片内部热量从加热元件3到测温元件41和42的横向传递，同时，加热元件3和测温元件41、42上表面的薄层陶瓷既起到了保护器件的作用，也减少了加热元件产生的热量通过陶瓷传递到测温元件，进一步提高了传感器的灵敏度。
如图1所示，一种高灵敏热式风速传感器，该传感器包括薄层陶瓷1、陶瓷基板2、加热元件3、第一测温元件41和第二测温原件42、引线5、封装胶6、绑定线7和氧化硅纳米粉8；
薄层陶瓷1四周和陶瓷基板2相连，且薄层陶瓷1上表面和陶瓷基板2齐平；薄层陶瓷1的下表面中心位置设有加热元件3，第一测温元件41和第二测温原件42以加热元件3为中心对称分布；
加热元件3、第一测温元件41和第二测温原件42通过绑定线7分别与周边陶瓷基板2上的引线焊盘5连接；加热元件3、第一测温元件41和第二测温原件42以及绑定线7周围填充有低热导率氧化硅纳米粉8，氧化硅纳米粉8外围用密封胶7密封。
所选的低热导率氧化硅纳米粉8的热导率不高于陶瓷基板2的热导率的十分之一。
薄层陶瓷1的厚度小于陶瓷基板2的厚度，加热元件3、第一测温元件41和第二测温原件42采用金属或半导体硅材料。
本发明还提供了一种上述传感器的该封装方法，具体如下：
预先采用深反应离子刻蚀技术将硅片加工成带有凸起的结构(图2a)，然后选择三氧化二铝生瓷片，通过压印的方法将硅片和生瓷片紧密压在一起并在高温(例如900℃)烧结成型(图2b)，接着通过化学机械抛光方法磨平下表面形成嵌入硅的陶瓷基板(图2c)，在硅表面通过溅射光刻等方法形成必要的引线焊盘之后采用深反应离子刻蚀技术刻蚀凹槽中的硅形成如图1所示的传感器结构，该芯片后续进行绑定引线，最后采用类似点胶的工艺向陶瓷凹槽中倾倒氧化硅纳米粉，直到氧化硅纳米粉填满加热元件3、测温元件41和42以及绑定线7之间的空隙。再用粘度大的环氧密封胶进行点胶包裹，固化后形成充满氧化硅纳米粉的密封腔。

Claims (4)

1.一种高灵敏热式风速传感器，其特征在于，该传感器包括薄层陶瓷(1)、陶瓷基板(2)、加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)、引线(5)、封装胶(6)、绑定线(7)和氧化硅纳米粉(8)；
薄层陶瓷(1)四周和陶瓷基板(2)相连，且薄层陶瓷(1)上表面和陶瓷基板(2)齐平；薄层陶瓷(1)的下表面中心位置设有加热元件(3)，第一测温元件(41)和第二测温元件(42)以加热元件(3)为中心对称分布；
加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)通过绑定线(7)分别与周边陶瓷基板(2)上的引线焊盘(5)连接；加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)以及绑定线(7)周围填充有低热导率氧化硅纳米粉(8)，氧化硅纳米粉(8)外围用密封胶(7)密封。
2.根据权利要求1所述的高灵敏热式风速传感器，其特征在于，所选的低热导率氧化硅纳米粉(8)的热导率不高于陶瓷基板(2)的热导率的十分之一。
3.根据权利要求1所述的高灵敏热式风速传感器，其特征在于，薄层陶瓷(1)的厚度小于陶瓷基板(2)的厚度，加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)采用金属或半导体硅材料。
4.一种高灵敏热式风速传感器的封装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：预先采用深反应离子刻蚀技术将硅片加工成带有凸起的结构，然后选择三氧化二铝生瓷片，通过压印的方法将硅片和生瓷片紧密压在一起并在高温烧结成型，接着通过化学机械抛光方法磨平下表面，在硅表面通过溅射光刻的方法形成必要的引线焊盘之后采用深反应离子刻蚀技术刻蚀凹槽中的硅形成的传感器结构，后续进行绑定引线，最后向陶瓷凹槽中倾倒氧化硅纳米粉，直到氧化硅纳米粉填满加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)以及绑定线(7)之间的空隙；再用粘度大的环氧密封胶进行点胶包裹，固化后形成充满氧化硅纳米粉的密封腔。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106814212B (zh) * 2017-01-18 2019-06-25 东南大学 一种热温差型风速传感器及其制备方法和检测方法
CN107830967B (zh) * 2017-10-31 2019-11-26 无锡职业技术学院 一种mems气体差压传感器
CN113092809B (zh) * 2021-04-09 2022-07-22 东南大学 一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器及其制造方法
CN113466488B (zh) * 2021-07-19 2022-05-27 东南大学 二维温度平衡模式mems风速风向传感器及其制备方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6035711A (en) * 1995-05-30 2000-03-14 Mierij Meteo B.V. Device for determining the direction and speed of an air flow
US6049120A (en) * 1997-01-14 2000-04-11 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Thermal-stress-resistant semiconductor sensor
JP2002296291A (ja) * 2001-03-30 2002-10-09 Sakitani Fumio 風向風速センサー
JP2007066960A (ja) * 2005-08-29 2007-03-15 Seiko Instruments Inc 半導体パッケージ及び回路基板並びに半導体パッケージの製造方法
CN102169126A (zh) * 2011-01-17 2011-08-31 东南大学 基于减薄工艺的热式风速风向传感器及其制备方法
CN102967725A (zh) * 2012-12-03 2013-03-13 东南大学 一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器
CN104090121A (zh) * 2014-07-09 2014-10-08 东南大学 三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置及封装方法
CN104535792A (zh) * 2015-01-16 2015-04-22 东南大学 一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法
CN104535793A (zh) * 2015-01-16 2015-04-22 东南大学 基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法
CN104977429A (zh) * 2015-06-19 2015-10-14 东南大学 一种具有零点校准功能的热式风速传感器结构及校准方法
CN104991087A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 东南大学 一种具有片上自标定功能的mems热式风速传感器

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6035711A (en) * 1995-05-30 2000-03-14 Mierij Meteo B.V. Device for determining the direction and speed of an air flow
US6049120A (en) * 1997-01-14 2000-04-11 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Thermal-stress-resistant semiconductor sensor
JP2002296291A (ja) * 2001-03-30 2002-10-09 Sakitani Fumio 風向風速センサー
JP2007066960A (ja) * 2005-08-29 2007-03-15 Seiko Instruments Inc 半導体パッケージ及び回路基板並びに半導体パッケージの製造方法
CN102169126A (zh) * 2011-01-17 2011-08-31 东南大学 基于减薄工艺的热式风速风向传感器及其制备方法
CN102967725A (zh) * 2012-12-03 2013-03-13 东南大学 一种基于碳纳米管阵列封装的热风速传感器
CN104090121A (zh) * 2014-07-09 2014-10-08 东南大学 三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置及封装方法
CN104535792A (zh) * 2015-01-16 2015-04-22 东南大学 一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法
CN104535793A (zh) * 2015-01-16 2015-04-22 东南大学 基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法
CN104977429A (zh) * 2015-06-19 2015-10-14 东南大学 一种具有零点校准功能的热式风速传感器结构及校准方法
CN104991087A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 东南大学 一种具有片上自标定功能的mems热式风速传感器

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