CN113092809A - 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 - Google Patents

Abstract

一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，首先将刻有深腔的硅晶圆与玻璃晶圆键合，通过玻璃回流工艺填充深腔，然后在减薄抛光后的玻璃一面加工加热和测温元件并淀积钝化层进行保护。最后对背面的硅进行刻蚀，形成玻璃厚膜、隔热环以及导电柱结构。玻璃厚膜提供足够的机械强度，以放宽对封装应力的容限。隔热环削减热量向衬底四周传递，使更多热量通过对流换热传递到空气中，以提高传感器的灵敏度。导电柱将芯片正面的电信号引至芯片背面，以实现正面感风背面引线的封装方式。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种风速风向传感器，尤其是一正面感风背面引线的膜式风速风向传感器及其制造方法。

背景技术

随着物联网信息和集成电路的快速发展，MEMS传感器作为帮助实现感知的核心部件变得越来越重要。基于微机械加工制造的MEMS热式风速风向传感器具有体积小、成本低、一致性好等优点，在气象监测、工业控制、交通运输等领域有着广泛的应用前景。为了提高传感器的灵敏度，经常采用正面感风的薄膜结构，即敏感元件直接暴露在空气中。然而，正面感风一般都用正面引线的封装方式，这些引线会扰动芯片表面流场致使测量误差增大，而引线也会因为流场的吹动增大失效风险。其次，薄膜结构的机械强度很差，这对后续的封装、运输、储存以及长时间户外工作都极为不利。因此，设计一种正面感风背面引线且具有良好机械强度的膜式结构迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是正面感风薄膜风速风向传感器的引线扰动流场问题以及薄膜结构强度问题，为此提出了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，增强了传感器的机械强度，且引线不会影响传感器表面的流场，也规避了流场引起引线失效的风险。

本发明的一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，包括玻璃厚膜、加热元件、四个测温元件、背面压焊点、导电柱和钝化层。加热元件、测温元件和钝化层均位于玻璃厚膜的正面，所述加热元件为中心对称图形，位于玻璃厚膜正面的中心位置，所述四个测温元件结构相同，且呈中心对称的分布在加热元件的周围；导电柱嵌入在玻璃厚膜中，且导电柱的中心轴线垂直于玻璃厚膜的表面，导电柱的一端位于玻璃厚膜的正面、且与玻璃厚膜的正面位于同一平同内，记为导电柱的正面端，加热元件的正负极通过金属引线与导电柱的正面端端面连接，测温元件的正负极通过金属引线与导电柱的正面端端面连接；钝化覆盖在加热元件、测温元件和玻璃厚膜的表面；导电柱的另一端位于玻璃厚膜的背面，且从玻璃厚膜的背面凸起，记为导电柱的背面端，背面压焊点位于导电柱的背面端端面。

该传感器通过监测玻璃厚膜表面不同位置的温度来间接表征风速风向值。加热元件使传感器表面温度高于环境温度，当环境中的风速为零时，由于传感器结构对称，会形成中心对称的温度场，四个方向上的测温元件温度相同，温差信号为零。当有风沿着传感器正面吹过，所述的传感器正面是指传感器上测温元件所在的面，上游的热量被风带至下游，导致上下游存在温度差，风速越大上下游之间的温度差值也就越大。相互正交分布的两对测温元件将温差信号进行矢量分解，最终将两组温差信号矢量合成用于表征二维风速风向信息。传统薄膜风速风向传感器的介质膜厚度范围在几百纳米到数微米，而本发明中的玻璃厚膜则可以根据应用需求在数微米到数百微米的范围内随意调节，保证了传感器的机械强度。导电柱则用于将电信号从芯片正面传递到芯片背面以方便引线封装，避免正面引线扰动流场导致的测量精度下降。加热元件和测温元件分别起到加热芯片和测量芯片表面温度梯度的作用，实现对风场信息的测量与监控。

进一步的，玻璃厚膜的背面覆盖有重掺杂硅衬底，重掺杂硅衬底上刻蚀有圆形凹槽、隔热环和长方形凹槽，圆形凹槽、隔热环和长方形凹槽的底面均为玻璃厚膜的背面，圆形凹槽与隔热环共圆心，隔热环的直径大于圆形凹槽的直径，圆形凹槽的圆心与加热元件的对称中心的连线垂直于玻璃厚膜的表面；导电柱位于长方形凹槽中，且与重掺杂硅衬底之间存在间隔。

玻璃厚膜的厚度越小，传感器性能越好，但同时传感器的机械强度会变差，在玻璃厚膜的背面覆盖重掺杂硅衬底的话，可以使玻璃厚膜在厚度5um-100um内变化，同时也保证器件的结构强度。而单纯玻璃衬底的话，要做到同样强度，需要做到300um左右。隔热环的设计则可以有效抑制热量在芯片中的横向热传导，致使更多热量与空气发生热交换，从而提高传感器信号的灵敏度。

进一步的，本发明的传感器还包括正面电极，正面电极覆盖在金属引线与导电柱正面端端面的连接处。在玻璃回流工艺中，导电柱与金属引线之间存在可能存在缝隙或断裂，通过覆盖一层较厚的正面电极，且正面电极图形略大于导电柱的凸起图形，保证电连接的可靠性。

为了实现玻璃厚膜、加热元件、测温元件、隔热环以及导电柱关键结构的加工制造，需要完成以下步骤：

首先将表面刻蚀过的重掺杂的硅晶圆与玻璃晶圆进行阳极键合，刻蚀的深度决定了最后玻璃厚膜的厚度。之后通过高温工艺将玻璃软化填充硅晶圆上的刻蚀掉的部分，待完全填充后冷却至室温。紧接着对形成的硅-玻璃复合衬底的玻璃一面减薄抛光直至表面露出硅材料。然后在减薄抛光面加工敏感元件并淀积钝化层进行保护。最后对背面的硅材料进行刻蚀，形成玻璃厚膜、隔热环以及导电柱结构。玻璃厚膜提供足够的机械强度，以放宽对封装应力的容限。隔热环削减热量向衬底四周传递，使更多热量通过对流换热传递到空气中，以提高传感器的灵敏度。导电柱将芯片正面的电信号引至芯片背面，以实现正面感风背面引线的封装方式。

有益效果：1)玻璃厚膜和隔热环的组合，在保证芯片具有一定机械强度的条件下，大幅减少热量向四周衬底传递，放宽对封装对称性的容限，其次，更多热量通过对流换热传递到空气中，使风速风向传感器的灵敏度得到了显著的提升；2)正面感风背面引线的传感器结构，既能缩短热敏电阻与流场的热通路以提高灵敏度，又能避免引线扰动流场。

附图说明

图1是本发明整体结构中轴线位置的剖视图；

图2是图1的仰视图；

图3是本发明制造流程图。

其中：1.玻璃厚膜；2.隔热环；3.加热元件；4.测温元件；5.正面电极；6.背面压焊点；7.导电柱；8.重掺杂硅衬底；9.钝化层。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明技术方案进行说明。

如图1和图2所示，本发明所述的一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器包括玻璃厚膜1、加热元件3、四个测温元件4、正面电极5，隔热环2、背面压焊点6、导电柱7、重掺杂硅衬底8和钝化层9。

加热元件3、测温元件4、正面电极5和钝化层9均位于玻璃厚膜1同一个表面上，该表面为玻璃厚膜1的正面，则隔热环2、背面压焊点6、导电柱7均位于玻璃厚膜1的背面。

所述加热元件3为圆形，位于玻璃厚膜1正面的中心位置，所述四个测温元件4结构相同，且呈中心对称的分布在加热元件3的周围，导电柱7嵌入在玻璃厚膜1中，且导电柱7的中心轴线垂直于玻璃厚膜1的表面，导电柱7的一端位于玻璃厚膜1的正面、且与玻璃厚膜1的正面位于同一平同内，记为导电柱7的正面端，加热元件的正负极通过金属引线与导电柱7的正面端端面连接，测温元件的正负极通过金属引线与导电柱7的正面端端面连接；正面电极5位于导电柱7的正面端端面。

钝化覆盖在加热元件3、测温元件4、正面电极5和玻璃厚膜1的表面。

导电柱7的另一端位于玻璃厚膜1的背面，且从玻璃厚膜1的背面凸起，记为导电柱7的背面端，背面压焊点6位于导电柱7的背面端端面。通过背面压焊点6，导电柱7给加热元件3和测温元件4供电，导电柱7有八或十二个，呈中心对称分布在测温元件4的周围，当导电柱7有八个时，其中加热元件3的正极连接一个导电柱7的正面端端面，加热元件3的负极连接另一个导电柱7的正面端端面，导电柱7背面压焊点6分别与电源连接，通过导电柱7可以给加热元件3供电；剩余的导电柱7用于给测温元件4供电，每个测温元件4连接两个导电柱，测温元件4的正极连接一个导电柱的正面端端面，测温元件4的负极连接另一个导电柱的正面端端面，其中测温元件的负极两两共用一个导电柱，即4个测温元件的负极用两个导电柱。

当导电柱7有十二个时，呈中心对称分布在测温元件4周围；加热元件与4个导电柱7连接，其中加热元件3的正极同时连接两个导电柱7的正面端端面，加热元件3的负极同时连接另外两个导电柱7的正面端端面，剩余的八个导电柱7中，每个测温元件4连接两个导电柱，测温元件4的正极连接一个导电柱7的正面端端面，测温元件4的负极连接另一个导电柱7的正面端端面。

玻璃厚膜1的背面覆盖有重掺杂硅衬底8，重掺杂硅衬底8上刻蚀有圆形凹槽、隔热环2和长方形凹槽，圆形凹槽、隔热环2和长方形凹槽的底面均为玻璃厚膜1的背面，圆形凹槽、隔热环2环共圆心，导电柱7位于长方形凹槽中，且与重掺杂硅衬底8之间存在间隔。

当无风时，加热元件3形成中心对称的温度场，四个测温元件4所在位置具有相同的温度，因此输出的温度差值信号为零。当有风吹过时，热量被风从上游带至下游，中心对称分布的四个测温元件4对应位置的温度发生变化。两组相互正交的测温元件4将传感器表面的温差正交分解为东西、南北两个方向上的温差。因此，将东西和南北方向上的信号进行矢量合成即可获得风速和风向信息。

一种正面感风背面引线的风速风向传感器，其制造方法，步骤如下：

步骤1，深硅刻蚀：选择重掺杂的硅晶圆作为衬底，即重掺杂硅衬底8，确保最终制造的传感器正面电信号能传递至背面。对重掺杂硅衬底8进行深硅刻蚀，在重掺杂硅衬8的表面形成柱状凸起，所述柱状凸起有八或十二个，围成中心对称图形，本实施例中的柱状凸起围成正方形，柱状凸起的高度决定了最终玻璃厚膜1的厚度，如图3a所示；

步骤2，键合：清洁刻蚀后的重掺杂硅衬底8表面，通过阳极键合将玻璃衬底和重掺杂硅衬底8表面的柱状凸起键合在一起，如图3b；

步骤3，玻璃回流：将键合在一起的玻璃衬底与重掺杂硅衬底8放置于高温炉内，本实施例采用850℃的高温使玻璃衬底变为熔融态，在玻璃衬底上下表面压差的作用下熔融态的玻璃覆盖在杂硅衬底8表面，当重掺杂硅衬底8表面被熔融态的玻璃全覆盖后，冷却至室温，玻璃重新固化，玻璃衬底形成玻璃厚膜1，玻璃厚膜1和重掺杂硅衬底8共构形成硅-玻璃复合衬底，如图3c所示；

步骤4，减薄抛光：对硅-玻璃复合衬底的玻璃面进行减薄，直至在玻璃面露出重掺杂硅衬底8表面的柱状凸起，之后进行抛光，确保表面平整度在后续工艺的容限范围之内，如图3d所示；

步骤5，加工加热元件3和测温元件4：利用金属溅射或蒸发的方式，将热敏金属材料淀积在硅-玻璃复合衬底的玻璃面，之后经过光刻和腐蚀将多余金属去除，形成加热元件3、四个测温元件4、以及金属导线，如图3e的所示，所述金属导线分别用于加热元件3与柱状凸起的连接、以及每个测温元件4与柱状凸起的连接，传统理解中，加热元件3与两个柱状凸起连接、每个测温元件4与两个柱状凸起连接，则一共应该是有十个柱状凸起与其连接，但是风速传感器需要结构的中心对称，以保证在没有风的情况下，能够形成中心对称的温度场。因此本发明中测温元件的负极两两共用连一个柱状凸起，从而把柱状凸起减至8个；也可以采用12个导电柱，则步骤1中对应制备12个柱状凸起，其中加热元件3与四个柱状凸起连接，每个测温元件连接两个柱状凸起，以保证结构的完全对称。所述加热元件3为圆形，位于玻璃厚膜1表面的中心位置，所述四个测温元件4结构相同，且呈中心对称的分布在加热元件3的周围。加热元件3的圆心、四个测温元件4的对称中心、以及柱状凸起围成图形的对称中心位于同一直线上，且所述直线与硅-玻璃复合衬底表面垂直。

步骤6，加工传感器正面电极5：在硅-玻璃复合衬底的玻璃面旋涂光刻胶后曝光并淀积金属Au，利用剥离工艺去除多余的Au，在金属导线与柱状凸起连接处的表面形成传感器正面电极5，如图3f；

步骤7，钝化层9保护：本发明传感器正面要裸露在自然环境中，需要加热元件3和测温元件4进行保护。因此，在硅-玻璃复合衬底的玻璃面淀积钝化层9薄膜，覆盖加热元件3、四个测温元件4、正面电极5和玻璃厚膜1的正面，如图3g所示。

步骤8，加工传感器背面压焊点6：在硅-玻璃复合衬底的重掺杂硅衬底8面，也就是硅-玻璃复合衬底的背面，旋涂光刻胶后，通过背面套刻曝光，之后淀积金属Au，利用剥离工艺去除多余的Au，形成传感器芯片背面的压焊点6，背面压焊点6的位置和数量与正面电极5的位置和数量对应，如图3h所示。

步骤9，背面深硅刻蚀：背面套刻，图形化光刻胶，以光刻胶为掩膜对背面的重掺杂硅衬底8的进行深硅刻蚀，去除加热元件3和测温元件4下方的硅材料使得重掺杂硅衬底8形成圆形凹槽，以圆形凹槽的圆心为中心刻蚀出隔热环2、所述隔热环2的半径大于圆形凹槽的半径，加热元件3和测温元件4在玻璃厚膜1背面的投影均位于圆形凹槽内，且与圆形凹槽共圆心；去除背面压焊点5四周的重掺杂硅材料形成导电柱7，导电柱7的数量与背面压焊点6的数量相同，背面压焊点6位于导电柱的表面，刻蚀停止层均为玻璃衬底，

以上是本发明风速风向传感器的制造流程。

Claims (10)

1.一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，其特征在于，包括玻璃厚膜、加热元件、四个测温元件、背面压焊点、导电柱和钝化层；

加热元件、测温元件和钝化层均位于玻璃厚膜的正面，

所述加热元件为中心对称图形，位于玻璃厚膜正面的中心位置，所述四个测温元件结构相同，且呈中心对称的分布在加热元件的周围；

导电柱呈中心对称分布在测温元件的周围，导电柱嵌入在玻璃厚膜中，且导电柱的中心轴线垂直于玻璃厚膜的表面，导电柱的一端位于玻璃厚膜的正面、且与玻璃厚膜的正面位于同一平同内，记为导电柱的正面端，加热元件的正负极通过金属引线与导电柱的正面端端面连接，测温元件的正负极通过金属引线与导电柱的正面端端面连接；

钝化覆盖在加热元件、测温元件和玻璃厚膜的表面；

导电柱的另一端位于玻璃厚膜的背面，且从玻璃厚膜的背面凸起，记为导电柱的背面端，背面压焊点位于导电柱的背面端端面。

2.根据权利要求1所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，其特征在于，玻璃厚膜的背面覆盖有重掺杂硅衬底，重掺杂硅衬底上刻蚀有圆形凹槽、隔热环和长方形凹槽，圆形凹槽、隔热环和长方形凹槽的底面均为玻璃厚膜的背面，圆形凹槽与隔热环共圆心，隔热环的直径大于圆形凹槽的直径，圆形凹槽的圆心与加热元件的对称中心的连线垂直于玻璃厚膜的表面；导电柱位于长方形凹槽中，且与重掺杂硅衬底之间存在间隔。

3.根据权利要求1所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，其特征在于，所述的导电柱有八个，呈中心对称分布在测温元件周围；其中加热元件的正极连接一个导电柱的正面端端面，加热元件的负极连接另一个导电柱的正面端端面，测温元件与剩余的导电柱连接，每个测温元件连接两个导电柱，测温元件的正极连接一个导电柱的正面端端面，测温元件的负极连接另一个导电柱的正面端端面，其中测温元件的负极两两共用一个导电柱。

4.根据权利要求1所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，其特征在于，所述的导电柱有十二个，呈中心对称分布在测温元件周围；加热元件连接四个导电柱，其中加热元件的正极同时连接两个导电柱的正面端端面，加热元件的负极同时连接另外两个导电柱的正面端端面，剩余的八个导电柱中，每个测温元件连接两个导电柱，测温元件的正极连接一个导电柱的正面端端面，测温元件的负极连接另一个导电柱的正面端端面。

5.根据权利要求1所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，其特征在于，还包括正面电极，正面电极覆盖在金属引线与导电柱正面端端面的连接处。

6.根据权利要求1所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器，其特征在于，所述加热元件为圆形。

7.一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，深硅刻蚀：重掺杂的硅晶圆作为衬底，即重掺杂硅衬底，对重掺杂硅衬底进行深硅刻蚀，在重掺杂硅衬的表面形成柱状凸起；

步骤2，键合：清洁刻蚀后的重掺杂硅衬底表面，通过阳极键合将玻璃衬底和重掺杂硅衬底表面的柱状凸起键合在一起；

步骤3，玻璃回流：将键合在一起的玻璃衬底与重掺杂硅衬底放置于高温炉内，玻璃衬底变为熔融态，在玻璃衬底上下表面压差的作用下熔融态的玻璃覆盖在硅衬底表面，当重掺杂硅衬底表面被熔融态的玻璃全覆盖后，冷却至室温，玻璃衬底重新固化，玻璃衬底形成玻璃厚膜，玻璃厚膜和重掺杂硅衬底共同构成硅-玻璃复合衬底；

步骤4，减薄抛光：对硅-玻璃复合衬底的玻璃面进行减薄，直至在玻璃面露出重掺杂硅衬底表面的柱状凸起，之后进行抛光，确保表面平整度在后续工艺的容限范围之内；

步骤5，加工加热元件和测温元件：利用金属溅射或蒸发的方式，将热敏金属材料淀积在硅-玻璃复合衬底的玻璃面，之后经过光刻和腐蚀将多余金属去除，形成加热元件、四个测温元件以及金属导线；所述加热元件为圆形，位于玻璃厚膜表面的中心位置，所述四个测温元件结构相同，且呈中心对称的分布在加热元件的周围，所述金属导线分别用于加热元件与柱状凸起的连接、以及每个测温元件与柱状凸起的连接；

步骤6，加工传感器正面电极：在硅-玻璃复合衬底的玻璃面旋涂光刻胶后曝光并淀积金属Au，利用剥离工艺去除多余的Au，在金属导线与柱状凸起连接处的表面形成传感器正面电极；

步骤7，钝化层保护：在硅-玻璃复合衬底的玻璃面淀积钝化层薄膜，覆盖加热元件、四个测温元件、正面电极和玻璃厚膜的正面；

步骤8，加工传感器背面压焊点：在硅-玻璃复合衬底的重掺杂硅衬底面，也就是硅-玻璃复合衬底的背面，旋涂光刻胶后，通过背面套刻曝光，之后淀积金属Au，利用剥离工艺去除多余的Au，形成传感器芯片背面的压焊点，背面压焊点的位置和数量与正面电极的位置和数量对应；

步骤9，背面深硅刻蚀：背面套刻，图形化光刻胶，以光刻胶为掩膜对背面的重掺杂硅衬底的进行深硅刻蚀，去除加热元件和测温元件下方的重掺杂硅材料使得重掺杂硅衬底形成圆形凹槽，以圆形凹槽的圆心为中心刻蚀出隔热环、所述隔热环的半径大于圆形凹槽的半径，去除背面压焊点四周的重掺杂硅材料形成导电柱，背面压焊点位于导电柱的表面，刻蚀停止层均为玻璃衬底。

8.根据权利要求7所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器制造方法，其特征在于，步骤1中所述柱状凸起有八或十二个，呈中心对称分布。

9.根据权利要求7所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器制造方法，其特征在于，步骤2中高温炉中的温度为850℃，使玻璃衬底变为熔融态。

10.根据权利要求8所述一种正面感风背面引线的膜式风速风向传感器制造方法，其特征在于，加热元件的中心位置、四个测温元件的对称中心、以及柱状凸起围成图形的对称中心位于同一直线上，且所述直线与硅-玻璃复合衬底表面垂直。

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