CN105547371B - 基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器及其制作方法，该传感器包括陶瓷衬底(1)，嵌入的硅衬底(2)，绝缘层(3)，加热元件(4)，四个对称放置的测温元件；其中，硅衬底2嵌入到陶瓷衬底(1)中，硅衬底(2)上部的陶瓷衬底(1)厚度小于陶瓷的整体厚度；硅衬底2中心对称分布于中心的陶瓷衬底(1)设置的凹腔中，硅衬底(2)下表面设有绝缘层(3)，绝缘层(3)下表面设有加热元件(4)和四个相互正交的测温元件；提高了灵敏度且降低了传感器的功耗。

Description

基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器及其制作方法
技术领域
本发明是一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器，尤其是采用低温共烧陶瓷和硅衬底结合实现的热式风速风向传感器。
背景技术
在气象信息的检测、生活环境的监测和自然灾害的预防中，风速风向信息具有重要的作用，因此准确而快速地获知风速和风向信息具有重要的实际意义。早期风速风向的检测主要由风杯和风向标来实现，但这些装置中含有可动部件，因而容易磨损，而且体积大，价格昂贵，需要经常维护；后来出现的超声风速传感器虽然测量精度高，没有量程限制，但由于存在死区，发射和接收头位置较远，导致结构相对较大。而基于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。但是，在热式风速风向传感器的设计中，通常采用硅或陶瓷作为衬底材料，其中硅的热导率很高，使得这类传感器的功耗较大；陶瓷衬底既做传感器支撑材料也是封装材料，传感器灵敏度比硅芯片好且工艺简单，但材料平坦性等问题导致直接制作在上面的元件精度不够，使器件一致性变差；目前还有一种常见的封装方式是将硅传感器芯片贴装在陶瓷上实现传感器的保护和敏感，但这种方式考虑到操作问题，陶瓷基板不能太薄，且陶瓷和硅芯片之间需要采用胶粘，导致器件实际功耗较大、热响应低且一致性和均匀性难以保证。
发明内容：
技术问题：本发明提出了一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器及其制作方法，提高了灵敏度且降低了传感器的功耗。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器，该传感器包括陶瓷衬底，嵌入的硅衬底，绝缘层，加热元件，四个对称放置的测温元件；其中，
硅衬底嵌入到陶瓷衬底中，硅衬底上部的陶瓷衬底厚度小于陶瓷的整体厚度；硅衬底中心对称分布于中心的陶瓷衬底设置的凹腔中，硅衬底下表面设有绝缘层，绝缘层下表面设有加热元件和四个相互正交的测温元件；
当该传感器正常工作时，加热元件产生的热量经其上方的硅衬底传递到陶瓷衬底上，再经过陶瓷衬底传递到顶面的流体中，当无风吹过时，加热元件处正上方的陶瓷衬底上表面的温度最高，四周测温元件上方的陶瓷衬底表面的温度相同，正交放置的测温元件测得的温差为零；当外界有风吹过时，风会带走陶瓷衬底表面的热量，在测温元件上方的陶瓷衬底表面引起温差，该温差经测温元件上方的陶瓷衬底、硅衬底传递到测温元件，根据正交放置的测温元件的状态得到芯片上下游的温差信息，进而可以得到风速和风向的信息。
优选的，具有完整陶瓷面的一侧作为风速风向传感器的感风面，嵌有硅材料的一侧则放置了中心加热元件和四个对称分布的测温元件作为感应单元，加热原件与测温元件之间还设有隔热槽。
本发明还提供了一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器的制作方法，该方法包括如下步骤：
首先通过深反应离子干法刻蚀工艺在硅晶圆上刻蚀深槽，然后利用生瓷将深槽填平并高出硅材料层，采用高温烧结形成陶瓷-硅复合衬底，接着用化学机械抛光的方法将陶瓷-硅复合衬底的硅一侧磨平，形成陶瓷-硅衬底，而后在陶瓷-硅衬底有硅的一侧采用等离子增强化学汽相淀积技术淀积一层氧化硅薄膜作为硅与加热测温元件之间的绝缘层，并利用剥离工艺在该层上制作金属铂或镍加热元件和测温元件，最后采用深反应离子干法刻蚀工艺刻蚀掉加热和测温元件之间的硅材料层，自此，本传感器的制作完成。
优选的，硅衬底上覆盖的陶瓷厚度可控，硅完全嵌入在陶瓷中，露出的硅表面和陶瓷齐平。
优选的，硅衬底和陶瓷粘结出没有任何其他添加材料，通过共烧方法烧结在一起。
优选的，嵌入在陶瓷中的硅衬底是整块，或者是多个分离的小块，形状根据传感器结构任意控制。
有益效果：1)利用低温共烧陶瓷技术制造了陶瓷-硅衬底，硅衬底上方的陶瓷厚度可以控制得较薄，较薄的陶瓷覆盖可以显著减小热式风速风向传感器加热和测温元件之间的横向热传导，提高了灵敏度且降低了传感器的功耗；2)加热与测温元件均制造在硅材料层上，可以采用微机械加工实现传感器的制造，保证了传感器芯片加工精度和一致性；3)由于陶瓷衬底的支撑作用，加热与测温元件之间的硅材料可以完全刻掉，进一步减小了加热与测温元件之间的横向热传导，提高了器件的灵敏度；4)硅衬底和陶瓷采用共烧方法实现粘结，去除了硅衬底和陶瓷之间的胶粘结剂，有效保证了传感器的对称性和一致性，且便于批量制造。
附图说明
图1为本发明的结构顶视图；
图2为本发明结构的剖视图；
两图中具有统一的标注。其中：陶瓷衬底1，硅衬底2，绝缘层3，加热元件4和测温元件5；
图3a是晶圆上刻槽示意图；
图3b是陶瓷硅混合烧结示意图。
图3c是磨平硅一侧形成嵌入硅的陶瓷衬底示意图；
图3d是淀积绝缘层工艺示意图；
图3e是加热和测温元件形成示意图；
图3f是深硅刻蚀示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供的基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器，利用低温共烧陶瓷工艺制造了陶瓷-硅衬底，将硅材料层嵌入陶瓷中，显著减小了硅传感器芯片上封装陶瓷的厚度，降低了传感器的横向热传导；同时，在硅材料层上设置了加热与测温元件，保证了加热和测温元件制造的一致性；此外，加热与测温元件之间还设有隔热槽，进一步减小了加热与测温元件之间的横向热传导，降低了传感器的功耗。该传感器功耗低、灵敏度高、一致性好，易于封装。
本发明提出了一种利用低温共烧陶瓷工艺在硅片的一侧烧结陶瓷，形成陶瓷-硅衬底，并在陶瓷-硅衬底有硅的一侧设置加热和测温元件，从而将以硅作为衬底的工艺一致性和以陶瓷作为封装体优点结合在一起，实现了一种基于低温共烧陶瓷-硅衬底的二维热式风速风向传感器。该传感器首先在硅衬底上刻蚀深槽，并采用低温共烧陶瓷工艺将深槽用陶瓷材料填平并高出硅片一定高度，形成硅-陶瓷复合衬底，然后采用减薄抛光工艺将硅一侧磨平，此时仅有未经深硅刻蚀的部分硅材料嵌入到烧结的陶瓷中，然后将加热和测温元件制作于嵌入的硅材料上，并将加热与测温电阻间的硅材料刻蚀掉。该传感器由于采用了低温共烧陶瓷工艺制造陶瓷-硅衬底，可使整个硅衬底上的陶瓷厚度大为减少且可控，减小了加热与测温元件之间的横向热传导；同时，加热与测温电阻均制造在硅材料层上，保证了其制造工艺的一致性；此外，在加热和测温电阻之间设置了隔热槽，进一步减小了加热与测温元件之间的横向热传导，降低了该风速传感器的功耗。在器件层的另一面是完整的陶瓷薄膜，可以用来作为热式风速风向传感器的感风面，实现传感器的自封装。显然，二维风速风向的信息可以通过两组相互正交的温差信息进行计算。
本发明提出的二维热式风速风向传感器兼顾了硅衬底制作传感器的一致性好和陶瓷作为封装材料灵敏度高得优点，利用低温共烧陶瓷工艺制造了低温共烧陶瓷-硅衬底。
本发明提供的基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器，该传感器包括陶瓷衬底1，嵌入的硅衬底2，绝缘层3，加热元件4，四个对称放置的测温元件；其中，
硅衬底2嵌入到陶瓷衬底1中，硅衬底2上部的陶瓷衬底1厚度小于陶瓷的整体厚度；硅衬底2中心对称分布于中心的陶瓷衬底1设置的凹腔中，硅衬底2下表面设有绝缘层3，绝缘层3下表面设有加热元件4和四个相互正交的测温元件；
当该传感器正常工作时，加热元件4产生的热量经其上方的硅衬底2传递到陶瓷衬底1上，再经过陶瓷衬底1传递到顶面的流体中，当无风吹过时，加热元件4处正上方的陶瓷衬底1上表面的温度最高，四周测温元件上方的陶瓷衬底1表面的温度相同，正交放置的测温元件测得的温差为零；当外界有风吹过时，风会带走陶瓷衬底1表面的热量，在测温元件5上方的陶瓷衬底1表面引起温差，该温差经测温元件5上方的陶瓷衬底1、硅衬底2传递到测温元件5，根据正交放置的测温元件的状态得到芯片上下游的温差信息，进而可以得到风速和风向的信息。
具有完整陶瓷面的一侧作为风速风向传感器的感风面，嵌有硅材料的一侧则放置了中心加热元件和四个对称分布的测温元件作为感应单元，加热原件与测温元件之间还设有隔热槽。
本发明还提供了一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器的制作方法，该方法包括如下步骤：
嵌入在陶瓷中的硅衬底是整块，或者是多个分离的小块，形状根据传感器结构任意控制。本传感器的制作过程为：首先通过深反应离子干法刻蚀工艺在硅晶圆2上刻蚀深槽(图3a)，然后利用某种生瓷(例如三氧化二铝生瓷)将深槽填平并高出硅材料层一定高度，采用高温(例如900℃)烧结形成陶瓷-硅复合衬底(图3b)，接着用化学机械抛光的方法将陶瓷-硅复合衬底的硅一侧磨平，形成形成嵌入硅的陶瓷衬底(图3c)，而后在陶瓷-硅衬底有硅的一侧采用等离子增强化学汽相淀积技术淀积一层氧化硅薄膜作为硅与加热测温元件之间的电绝缘层3(图3d)，并利用剥离工艺在该层上制作金属铂或镍加热元件4和测温元件5(图3e)，最后采用深反应离子干法刻蚀工艺刻蚀掉加热和测温元件之间的硅材料层(图3f)。自此，本传感器的制作完成。
硅衬底上覆盖的陶瓷厚度可控，硅完全嵌入在陶瓷中，露出的硅表面和陶瓷齐平。
硅衬底和陶瓷粘结出没有任何其他添加材料，通过共烧方法烧结在一起。

Claims (5)

1.一种基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器，其特征在于，该传感器包括陶瓷衬底(1)，嵌入的硅衬底(2)，绝缘层(3)，加热元件(4)，四个对称放置的测温元件；其中，
硅衬底(2)嵌入到陶瓷衬底(1)中，硅衬底(2)上部的陶瓷衬底(1)厚度小于陶瓷的整体厚度；硅衬底(2)中心对称分布于中心的陶瓷衬底(1)设置的凹腔中，硅衬底(2)下表面设有绝缘层(3)，绝缘层(3)下表面设有加热元件(4)和四个相互正交的测温元件；
当该传感器正常工作时，加热元件(4)产生的热量经其上方的硅衬底(2)传递到陶瓷衬底(1)上，再经过陶瓷衬底(1)传递到顶面的流体中，当无风吹过时，加热元件(4)处正上方的陶瓷衬底(1)上表面的温度最高，四周测温元件上方的陶瓷衬底(1)表面的温度相同，正交放置的测温元件测得的温差为零；当外界有风吹过时，风会带走陶瓷衬底(1)表面的热量，在测温元件上方的陶瓷衬底(1)表面引起温差，该温差经测温元件上方的陶瓷衬底(1)、硅衬底(2)传递到测温元件，根据正交放置的测温元件的状态得到芯片上下游的温差信息，进而可以得到风速和风向的信息；
具有完整陶瓷面的一侧作为风速风向传感器的感风面，嵌有硅材料的一侧则放置了中心加热元件和四个对称分布的测温元件作为感应单元，加热原件与测温元件之间还设有隔热槽。
2.一种如权利要求1所述的基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
首先通过深反应离子干法刻蚀工艺在硅晶圆上刻蚀深槽，然后利用生瓷将深槽填平并高出硅材料层，采用高温烧结形成陶瓷-硅复合衬底，接着用化学机械抛光的方法将陶瓷-硅复合衬底的硅一侧磨平，形成陶瓷-硅衬底，而后在陶瓷-硅衬底有硅的一侧采用等离子增强化学汽相淀积技术淀积一层氧化硅薄膜作为硅与加热测温元件之间的绝缘层(3)，并利用剥离工艺在该层上制作金属铂或镍加热元件(4)和测温元件(5)，最后采用深反应离子干法刻蚀工艺刻蚀掉加热和测温元件之间的硅材料层，自此，本传感器的制作完成。
3.根据权利要求2所述的基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器的制作方法，其特征在于，硅衬底上覆盖的陶瓷厚度可控，硅完全嵌入在陶瓷中，露出的硅表面和陶瓷齐平。
4.根据权利要求2所述的基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器的制作方法，其特征在于，硅衬底和陶瓷粘结处没有任何其他添加材料，通过共烧方法烧结在一起。
5.根据权利要求2所述的基于陶瓷封装的二维热式风速风向传感器的制作方法，其特征在于，嵌入在陶瓷中的硅衬底是整块，或者是多个分离的小块，形状根据传感器结构任意控制。
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