CN1588091A - 基于微机械加工的风速传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

基于微机械加工的风速传感器及其制造方法是一种采用体硅电阻作为测温单元，采用硅衬底传热的风速传感器及其制造方法，传感器的整个结构集成在硅衬底(5)上，制造方法为：a)在N型硅衬底(5)上长一层氧化层(51)，光刻并腐蚀内ICP槽(31)以及外ICP槽(32)，注入加热条(2)的有缘区；b)在氧化的硅片上淀积一层多晶硅52，通过光刻形成多晶硅电阻；c)光刻注入区；高浓度的磷注入(11)，作为衬底以及体硅引出的接触区；d)进行低温二氧化硅(53)淀积，并腐蚀出引线接触窗口；e)淀积金属铝(54)，光刻铝引线，腐蚀铝；f)淀积钝化层，光刻钝化层；g)光刻ICP槽区，并进行ICP刻蚀；h)背面减薄，释放出体硅电阻的结构。

Description

基于微机械加工的风速传感器及其制造方法
                           技术领域
本发明是一种测量风速大小和风向的集成风速传感器，尤其是一种采用体硅电阻作为测温单元，采用硅衬底传热的风速传感器及其制造方法。
                            背景技术
风速计在气象、交通和户外工作领域都有广泛的应用。传统的风速测量采用机械的方法来实现，但体积大、成本高、功耗大，易磨损。随着集成电路技术的发展，采用硅材料的热流量风速传感器克服了体积大，功耗高等缺点。这种硅热流量传感器一般基于MEMS(微机械加工)工艺，用铂电阻作为加热和测温单元；或者采用CMOS(互补金属-氧化物-硅)工艺，多晶硅条或硅衬底上的注入条作为加热单元，热堆作为测温单元。这些结构中，加热单元和测温单元直接的热耦合较大，严重影响传感器的灵敏度；另外，作为热流量传感器，芯片需要和流体直接接触，而同时引线等芯片部件需要封装保护，故该风速传感器的封装比较困难。目前，一般采用的封装形式是倒装焊，工艺复杂，成本较高，且封装后的性能也存在一定的问题。可以说，硅热流量风速传感器的封装已经严重阻碍了硅传感器的发展。
                              发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种采用体硅电阻作为测温单元、易封装的基于微机械加工的风速传感器及其制造方法。
技术方案：本发明提出了一种风速传感器结构。传感器的整个结构集成在硅衬底上，中心部分由四个长方形的加热条组成一个正方形，在每个加热条外对称分布有体硅测温电阻，在体硅测温电阻与加热条之间有内ICP槽，在体硅测温电阻的外侧设有外ICP槽，体硅测温电阻通过两端很窄的窄硅与整个硅衬底连接；加热条与体硅测温电阻之间的内ICP槽作为热隔离。
在硅衬底的上表面设有一层氧化层，在氧化层的上表面设有一层低温二氧化硅；在外ICP槽外的氧化层上设有多晶硅；体硅测温电阻的上面是磷注入，在磷注入的上面是金属铝；加热条的上面是硼注入，在硼注入的上面是金属铝。
制造方法为：
a)在N型硅衬底上生长一层氧化层，光刻并腐蚀内ICP槽以及外ICP槽、注入加热条的有缘区；
b)在氧化的硅片上淀积一层多晶硅52，通过光刻形成多晶硅电阻，作为电桥测量的固定电阻；
c)光刻注入区，腐蚀出注入口，并进行高浓度的硼注入，作为加热条；高浓度的磷注入，作为衬底以及体硅引出的接触区；
d)进行低温二氧化硅淀积，并腐蚀出引线接触窗口；
e)淀积金属铝(54)，光刻铝引线，腐蚀铝；
f)淀积钝化层，光刻钝化层；
g)光刻ICP槽区，并进行ICP刻蚀；
h)背面减薄，释放出体硅电阻的结构。
其工作原理：中间部分的加热条，由于正面绝热胶体的存在，故产生的热都通过硅衬底，向空气中进行对流散热。由于加热部分和测温部分之间的良好隔热，加热单元绝大部分的热通过空气对流散出。当无风时，加热部分硅产生的热是对称分布的，故四周对称分布的体硅的测得的温度都相等，体硅电阻也是相等的。当风速沿一定方向时，这时温度的分布不再对称，下游处的温度要比上游处高。故此时相对的体硅电阻的变化，可以反映风速和风向。两个体硅电阻的变化可以通过电桥来测量。
有益效果：本发明采用硅衬底上的浓注入条作为加热单元，使得热通过硅衬底向空气中对流，故采用硅衬底背面作为感应面，因此其封装也比较简单，不需要复杂的封装工艺，面可以采用传统的IC封装方法来实现。同时，采用体硅电阻作为测温单元，该电阻可以反映一定面积的平均温度，相对于热偶等测温单元只能测某个点或线的温度，该体硅电阻的测温单元，更能反映整个温度分布及其变化的情况。另外，加热单元和测温单元之间的隔热槽，使得横向传热很小，能大大提高传感器的灵敏度。本发明传感器采用标准的CMOS工艺加MEMS后处理，加工简单，适合于大批量的生产。
                             附图说明
图1是本发明的芯片表面结构示意图；
图2是本发明图1水平中心线处剖视结构示意图；
图3是采用印刷线路版(PCB)封装的剖面图；
图4是采用背面贴陶瓷封装的剖面图；
以上的图中有：体硅测温电阻1、磷注入11、加热条2、硼注入21、内ICP槽31、外ICP槽32、窄硅4、硅衬底5、氧化层51、多晶硅52、低温二氧化硅53、金属铝54；绝源绝热基板60，引线61，绝热胶62，陶瓷片70。
                         具体实施方式
本发明是用于风速和风向信号敏感的微型风速传感器。该传感器的整个结构集成在硅衬底5上，中心部分由四个长方形的加热条2组成一个正方形，在每个加热条2外对称分布有体硅测温电阻1，在体硅测温电阻1与加热条2之间设有内ICP槽31，在体硅测温电阻1的外侧设有外ICP槽32，体硅测温电阻1通过两端很窄的窄硅4与整个硅衬底5连接；加热条2与体硅测温电阻1之间的内ICP槽31作为热隔离。在硅衬底5的上表面设有一层氧化层51，在氧化层51的上表面设有一层低温二氧化硅53；在外ICP槽32外的氧化层51上设有多晶硅52；体硅测温电阻1的上面是磷注入11，在磷注入11的上面是金属铝54；加热条2的上面是硼注入21，在硼注入21的上面是金属铝54。
该传感器可以通过下面的工艺步骤完成：在硅衬底5上长一层氧化层，并淀积一层氮化硅，进行有缘区光刻，光刻出注入区和ICP区；干法腐蚀氮化硅，并进行场氧化51；去淡化硅；多晶硅52淀积，光刻并腐蚀，得到电桥的固定电阻。硼(B+)注入光刻，并进行注入，作为加热电阻条21；进行磷(P+)注入光刻，并注入，作为体电阻的引出接触点11；低温二氧化硅53淀积，光刻引线孔；腐蚀引线孔，淀积金属铝54；光刻铝引线，腐蚀铝；合金化；钝化；钝化光刻，并干法腐蚀钝化层，将ICP刻蚀的地方刻到硅露出为止；正面ICP光刻，并ICP刻蚀，刻出约250um槽；采用背面减薄，一直到整个结构都释放出来。
封装方法：本传感器由于采用硅背面作为感应面，因此其封装可以采用传统的IC封装方法，简单而且成本低，见图3所示。具体封装过程：a)准备绝源绝热基板60，中间有一个和传感器大小差不多的孔；b)传感器衬底5背面向上，贴到组装基板上，使得硅衬底背面有足够面积和风平稳接触；c)对传感器正面，采用引线61，进行常规的键合引线。d)硅表面用绝热胶62包覆，保护硅芯片和引线，同时使得胶体填充ICP孔。另外，也可以采用如图4所示的封装方法，整个芯片背面贴到陶瓷片70上进行组装，其他方面和上面的封装方法相同。

Claims (3)

1、一种基于微机械加工的风速传感器，其特征在于传感器的整个结构集成在硅衬底(5)上，中心部分由四个长方形的加热条(2)组成一个正方形，在每个加热条(2)外对称分布有体硅测温电阻(1)，在体硅测温电阻(1)与加热条(2)之间设有内ICP槽(31)，在体硅测温电阻(1)的外侧设有外ICP槽(32)，体硅测温电阻(1)通过两端很窄的窄硅(4)与整个硅衬底(5)连接；加热条(2)与体硅测温电阻(1)之间的内ICP槽(31)作为热隔离。
2、根据权利要求1所述的基于微机械加工的风速传感器，其特征在于在硅衬底(5)的上表面设有一层氧化层(51)，在氧化层(51)的上表面设有一层低温二氧化硅(53)；在外ICP槽(32)外的氧化层(51)上设有多晶硅(52)；体硅测温电阻(1)的上面是磷注入(11)，在磷注入(11)的上面是金属铝(54)；加热条(2)的上面是硼注入(21)，在硼注入(21)的上面是金属铝(54)。
3、一种如权利要求1所述的基于微机械加工的风速传感器的制造方法，其特征在于制造方法为：
a)在N型硅衬底(5)上长一层氧化层(51)，光刻并腐蚀内ICP槽(31)以及外ICP槽(32)，注入加热条(2)的有缘区；
b)在氧化的硅片上淀积一层多晶硅52，通过光刻形成多晶硅电阻，作为电桥测量的固定电阻；
c)光刻注入区，腐蚀出注入口，并进行高浓度的硼注入21，作为加热条(2)；高浓度的磷注入(11)，作为衬底以及体硅引出的接触区；
d)进行低温二氧化硅(53)淀积，并腐蚀出引线接触窗口；
e)淀积金属铝(54)，光刻铝引线，腐蚀铝；
f)淀积钝化层，光刻钝化层；
g)光刻ICP槽区，并进行ICP刻蚀；
h)背面减薄，释放出体硅电阻的结构。
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