CN105675917B - 一种热式风速传感器及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热式风速传感器及其封装方法，该传感器包括陶瓷基板(1)、薄层陶瓷(2)、加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)、引线焊盘(5)、氧化硅(6)、金属焊料(7)和底层密封盖板(8)；陶瓷基板(1)与薄层陶瓷(2)围成一个凹槽；薄层陶瓷(2)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；第一测温元件(41)和第二测温元件(42)分别与陶瓷基板(1)上的引线焊盘(5)连接。提高了传感器的灵敏度和降低了功耗。

Description

一种热式风速传感器及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种热风速传感器封装方法，具体来说，是一种利用真空封装增强其灵敏度的热风速传感器封装方法。
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，如何减小这一横向热传递一直是目前的研究热点之一。
发明内容：
技术问题：本发明提出了一种热式风速传感器及其封装方法，该方法使用真空封装结构使加热元件、测温元件与芯片底部真空隔绝，以降低热量通过芯片内部从加热元件向测温元件的横向传导和向下传导，从而提高了传感器的灵敏度。真空封装可以在圆片级实现。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种热式风速传感器，该传感器包括陶瓷基板、薄层陶瓷、加热元件、第一测温元件和第二测温元件、引线、氧化硅、金属焊料和底层密封盖板；
陶瓷基板与薄层陶瓷围成一个凹槽；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元件以加热元件为中心对称分布；第一测温元件和第二测温元件分别与陶瓷基板上的引线连接；在加热元件、第一测温元件和第二测温元件的下表面以及引线的部分下表面覆有一层氧化硅；氧化硅下表面两端正对着引线的部分是一层金属焊料，与底部的底层密封盖板相连；氧化硅、金属焊料与底层密封盖板形成一个密封的真空腔。
优选的，金属焊料通过与底层密封盖板键合实现真空密封，因此该器件可进行圆片级封装。
本发明还提供了一种热式风速传感器的封装方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：在硅晶圆片上采用氢氧化钾溶液腐蚀形成台阶结构；
步骤2：热氧化硅片，在其表面形成氧化硅；然后采用磁控溅射方法溅射金属钛和铂金属并剥离形成加热元件、第一测温元件和第二测温元件以及引线；
步骤3：在硅片表面旋涂三氧化二铝陶瓷浆料，并在900℃高温下烧结形成上部的陶瓷基板和薄层陶瓷；
步骤4：采用四甲基氢氧化氨溶液腐蚀除掉所有的硅；
步骤5：采用磁控溅射方法溅射钛和金，并剥离形成金属焊料；
步骤6：采用硅晶圆和上述结构在真空下进行金硅键合实现真空密封。
有益效果：
1)采用真空封装有效杜绝了热量从衬底和封装材料耗散的问题，提高了加热流体的效率，从而提高了传感器的灵敏度和降低了功耗；
2)采用加热和测温元件都设置在薄层陶瓷上，既实现了封装也降低了热量的横向传递，进一步提高了灵敏度；
3)真空圆片级封装，大幅降低了器件加工成本。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图。
图2a为在硅晶圆上腐蚀台阶示意图。
图2b为淀积金属形成加热和测温元件示意图。
图2c为烧结形成硅陶瓷混合基板示意图。
图2d为腐蚀掉硅形成结构转移示意图。
图2e为形成金属焊盘示意图。
图2f为真空密封传感器结构示意图。
两图中具有统一的标注。图中：陶瓷基板1、薄层陶瓷2、加热元件3、第一测温元件41和第二测温元件42、引线5、氧化硅6、金属焊料7、底层密封盖板8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
热式风速传感器圆片级真空封装结构，利用陶瓷凹槽和密封盖板形成了一个真空的密封环境，隔绝了内部发热元件产生的热量通过芯片的封装材料耗散，陶瓷薄层的使用有效降低了热量通过陶瓷材料的横向热传导。整个传感器灵敏度高、响应速度快、功耗低。该封装方法在圆片级完成，大大降低了封装成本。
如图1所示，本发明提出的热式风速传感器，该传感器包括陶瓷基板1、薄层陶瓷2、加热元件3、第一测温元件41和第二测温元件42、引线5、氧化硅6、金属焊料7和底层密封盖板8；
陶瓷基板1与薄层陶瓷2围成一个凹槽；薄层陶瓷2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；第一测温元件41和第二测温元件42分别与陶瓷基板1上的引线5连接；在加热元件3、第一测温元件41和第二测温元件42的下表面以及引线5的部分下表面覆有一层氧化硅6；氧化硅6下表面两端正对着引线5的部分是一层金属焊料7，与底部的底层密封盖板8相连；氧化硅6、金属焊料7与底层密封盖板8形成一个密封的真空腔。
金属焊料7通过与底层密封盖板8键合实现真空密封，因此该器件可进行圆片级封装。
该传感器封装方法如下：
1)在晶向的硅晶圆片上采用氢氧化钾溶液腐蚀形成台阶结构，如图2a；
2)热氧化硅片，在其表面形成氧化硅6；然后采用磁控溅射方法溅射金属钛和铂金属并剥离形成加热元件3、测温元件41和42以及引线5，如图2b；
3)在硅片表面旋涂三氧化二铝陶瓷浆料，并在900℃高温下烧结形成上部的陶瓷基板1和薄层陶瓷2，如图2c；
4)采用四甲基氢氧化氨溶液腐蚀除掉所有的硅，如图2d；
5)采用磁控溅射方法溅射钛和金，并剥离形成金属焊料7，如图2e；
6)采用硅晶圆和上述结构在真空下进行金硅键合实现真空密封，如图2f；
采用深反应离子刻蚀技术刻蚀硅晶圆形成每个传感器芯片上的独立盖板结构8。至此完成了圆片级传感器制造和封装。随后进行陶瓷基板芯片划片就可分离每个芯片。

Claims (3)

1.一种热式风速传感器，其特征在于，该传感器包括陶瓷基板(1)、薄层陶瓷(2)、加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)、引线(5)、氧化硅(6)、金属焊料(7)和底层密封盖板(8)；
陶瓷基板(1)与薄层陶瓷(2)围成一个凹槽；薄层陶瓷(2)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；第一测温元件(41)和第二测温元件(42)分别与陶瓷基板(1)上的引线(5)连接；在加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)的下表面以及引线(5)的部分下表面覆有一层氧化硅(6)；氧化硅(6)下表面两端正对着引线(5)的部分是一层金属焊料(7)，与底部的底层密封盖板(8)相连；氧化硅(6)、金属焊料(7)与底层密封盖板(8)形成一个密封的真空腔。
2.根据权利要求1所述的热式风速传感器，其特征在于，金属焊料(7)通过与底层密封盖板(8)键合实现真空密封，因此该热式风速传感器可进行圆片级封装。
3.一种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：
步骤1：在硅晶圆片上采用氢氧化钾溶液腐蚀形成台阶结构；
步骤2：热氧化硅片，在其表面形成氧化硅(6)；然后采用磁控溅射方法溅射金属钛和铂金属并剥离形成加热元件(3)、第一测温元件(41)和第二测温元件(42)以及引线(5)；
步骤3：在硅片表面旋涂三氧化二铝陶瓷浆料，并在900℃高温下烧结形成上部的陶瓷基板(1)和薄层陶瓷(2)；
步骤4：采用四甲基氢氧化氨溶液腐蚀除掉所有的硅；
步骤5：采用磁控溅射方法溅射钛和金，并剥离形成金属焊料(7)；
步骤6：采用硅晶圆和上述结构在真空下进行金硅键合实现真空密封。
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