CN201993380U - 基于减薄工艺的热式风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的热式风速风向传感器及其制备方法，该传感器芯片采用标准CMOS工艺制作加热元件和热传感测温元件；利用干法刻蚀工艺在加热元件和热传感测温元件之间制备50微米深的热隔离槽，减小他们之间的横向热传导效应；利用减薄工艺对传感芯片的硅衬底进行减薄直至厚度在80微米到100微米的范围内，降低芯片衬底的热传导和热容；利用陶瓷基板贴敷于减薄硅芯片背面对硅芯片进行保护并感应外界环境风速风向的变化。本实用新型提出的风速风向传感器在实现圆片级封装的同时，大大降低了硅衬底上的热传导损失和传感器芯片的热容，能够在较低功耗下获得较大的输出信号以及较快的响应时间。

Description

基于减薄工艺的热式风速风向传感器

技术领域

本实用新型涉及一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的热式风速风向传感器，采用标准CMOS集成电路工艺制备传感器芯片，尤其涉及一种低功耗的基于陶瓷封装的集成风速风向传感器。

背景技术

在CMOS集成风速风向传感器的设计中，封装一直以来是阻碍其发展的技术瓶颈。一方面其封装材料即要求具有良好的热传导性能，又要求对传感器具有保护作用，并且设计中还需要考虑到封装材料对传感器灵敏度、可靠性以及价格等方面的影响，这就限制了传感器自身封装设计的自由度。另一方面，热式流量传感器要求传感器的敏感部分暴露在测量环境中，同时又要求处理电路与环境隔离，以免影响处理电路的性能，两者对封装的要求产生了矛盾。

以往报道的硅风速风向传感器大都将硅片的敏感表面直接暴露在自然环境中，以便能够感知外界风速变化。这样一来，硅片很容易受到各种污染，导致其性能的不稳定，甚至损坏。如果采用热导率较高的陶瓷基片，利用倒装焊封装或者导热胶贴附的方式对传感器硅芯片进行封装，就能够较好的避免上述的矛盾，但是封装后传感器产生的热量绝大部分以热传导的方式从硅基衬底耗散掉，仅有很小的一部分通过陶瓷与外界空气进行了热交换，大大降低输出敏感信号的幅值，通过增大传感器的功耗能够提高敏感信号的幅值，但又造成整个传感器系统较大的功耗。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的基于减薄工艺的热式风速风向传感器，设计的传感器结构以及封装形式有利于在保证较大敏感信号幅值的同时，传感器系统具有较低的功耗。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片，所述减薄硅芯片的背面通过导热胶连接有陶瓷基板，在减薄硅芯片的正面设有N阱，在N阱上设有氧化层，在N阱的中部设有4个扩散电阻加热元件及4个热传感测温元件，4个热传感测温元件为热电偶测温元件且分布于4个扩散电阻加热元件的四周，在氧化层的边缘区域设有电引出焊盘，4个扩散电阻加热元件的电引出焊盘及4个热传感测温元件的电引出焊盘分别通过金属引线与电引出焊盘连接，在4个扩散电阻加热元件和4个热传感测温元件之间设置有热隔离槽，所述热隔离槽深及减薄硅芯片衬底中。

本实用新型利用CMOS工艺在硅基上制备加热元件和热传感测温元件，利用DRIE干法刻蚀工艺在加热元件和热传感测温元件之间制备50微米深的热隔离槽，用于减小加热元件和热传感测温元件之间的横向热传导效应；利用硅衬底机械研磨和抛光的减薄工艺对已包含加热元件和热传感测温元件的硅芯片衬底进行减薄，去掉大部分的硅衬底直至硅衬底的厚度在80微米至100微米范围内，这样能够很大程度上降低芯片的热容量，在提高芯片的灵敏度的同时能够降低传感器的响应时间；利用具有一定热导率的陶瓷基板通过导热胶贴封至减薄硅芯片的背面，陶瓷基板一方面保护减薄硅芯片免于外界环境的污染和提供机械支撑，另一方面作为中间的传热介质实现减薄硅芯片与外界环境的热交换。在对硅芯片衬底进行减薄的过程中，首先利用石蜡将硅芯片贴至载玻片上，利用载玻片对减薄硅芯片提供必要的机械支撑，然后利用导热胶将仍贴有载玻片的减薄硅芯片贴封至陶瓷基板上，最后再熔解石蜡，去除载玻片，完成传感器的制备，这样的制备步骤在能够制备出衬底厚度在80微米到100微米的传感器芯片，并在传感器封装和划片的整个后处理过程中对脆弱的芯片结构提供必要的机械支撑。

本实用新型通过制备在减薄硅芯片中的加热元件产生的热量通过减薄硅芯片的衬底和导热胶的热传导效应传导至陶瓷基板中，在陶瓷基板中建立一个温度场，陶瓷基板上表面暴露在外界环境中，外界环境中风的变化会影响陶瓷基板中的温度场分布，通过导热胶的传递能够将陶瓷基板中改变的温度场分布传回至减薄硅芯片衬底中，减薄硅芯片中的热传感测温元件通过减薄后的硅衬底测出该温度场温度分布的变化情况。在外界无风的条件下，温度场的分布呈现完全对称的状态。当外界有风从陶瓷基板上表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷基板上表面带走部分的热量，并在陶瓷基板中建立一个沿风向方向的温度梯度分布场，热传感测温元件通过减薄后的硅衬底和导热胶的热传导作用测出该温度场分布的变化，进而可计算出风速和风向的大小。

在传感器结构中，通过导热胶贴封至减薄硅芯片背面的陶瓷基板一方面用于保护下层的减薄硅芯片和提供必要的机械支撑，另一方面又作为感受外界风的变化的敏感元件。整个传感器只有陶瓷基板的上表面和风的环境接触，其他元件均通过陶瓷基板与外界环境隔绝，因此能够避免受到外界环境的污染。本实用新型传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。

本传感器设计方案中，第一步硅芯片制备中，利用标准CMOS工艺制备加热元件和热传感测温元件；第二步热隔离槽的制备中，利用DRIE干法刻蚀工艺；第三步硅芯片衬底减薄中，利用硅衬底机械研磨和抛光的减薄工艺；第四步陶瓷基板贴封封装中，利用悬涂技术将导热胶悬涂至陶瓷基板的背面，然后对减薄硅芯片的背面进行贴封；第五步，划片。整个传感器制备过程与标准CMOS工艺兼容，并能够实现传感器芯片的圆片级封装。

本实用新型获得如下效果：

1. 本实用新型利用DRIE干法刻蚀工艺在硅芯片正表面加热元件和热传感测温元件之间制备50微米深的热隔离槽，能够很有效的减小加热元件和热传感测温元件之间的横向热传导效应；利用硅衬底机械研磨和抛光的减薄工艺对已包含加热元件和热传感测温元件的硅芯片衬底进行减薄，去掉大部分的硅衬底直至硅衬底的厚度在80微米至100微米范围内，这样能够大大减小芯片的热容量，降低传感器的热响应时间和提高传感器的灵敏度。

2. 在减薄硅芯片正表面具有热隔离槽的芯片结构形式能够使加热元件产生的热量绝大部分通过减薄后的硅衬底垂直传导至减薄硅芯片背面，能够很大程度上隔绝加热元件和热传感测温元件之间的横向热传导，如此可以极大程度减小由于硅衬底的热传导效应造成的不必要的功耗。

3.硅芯片衬底进行减薄的过程中，首先利用石蜡将硅芯片正面贴至载玻片上，利用载玻片对减薄后的减薄硅芯片提供必要的机械支撑，然后利用导热胶将仍贴有载玻片的减薄硅芯片背面贴封至陶瓷基板上，最后在80℃-100℃环境下熔解石蜡，去除载玻片，完成传感器的制备，这样的制备步骤在能够制备出衬底厚度在80微米到100微米的减薄硅芯片及传感器封装和划片的整个过程中均对脆弱的芯片结构提供必要的机械支撑。

4. 本实用新型利用具有一定热导率的陶瓷基板通过导热胶贴封至薄膜硅芯片背面，能够为脆弱的芯片结构提供必要的机械支撑，并保护传感器免受外界环境的污染，同时为减薄硅芯片和外界环境之间提供热通路。

传统的CMOS集成风速风向传感器，在降低硅基衬底热传导方面，一种方法是在硅芯片背面与加热元件对应区域利用湿法腐蚀工艺制备隔热空腔，其缺点在于制备出的热感应薄膜过于脆弱，热应力对信号检测的影响较大，并且无法实现传感器的封装。另一种方法是在加热元件下面制备多孔硅隔热层，这样一来制备工艺与标准CMOS工艺不兼容，并且多孔硅的制备工艺一致性较差，提高了后端传感器信号调理的难度。本实用新型提出的传感器结构采用标准CMOS工艺制备，制备热隔离槽和对硅芯片衬底进行减薄的结构设计能够有效地降低传感器加热元件产生的热量由于热传导效应造成的热量损失，使得绝大部分热量通过陶瓷基板与空气进行热交换来感知外界环境中风速风向的变化；制备出很薄的减薄硅芯片衬底能大大提高传感器的灵敏度，因此能够在较低功耗下获得较大的输出信号。这种圆片级封装的形式与传统的单芯片封装的风速风向传感器相比，一方面大大降低了MEMS器件的封装成本，另一方面在很大程度上保证了传感器封装造成的偏差的一致性，降低了传感器后端信号调理的成本。

附图说明

图1为硅芯片的制备流程步骤1至步骤4的示意图。

图2为硅芯片的制备流程步骤5至步骤9的示意图。

图3为硅芯片的制备流程步骤10至步骤13的示意图。

图4为硅芯片的顶视图。

图5为对硅芯片衬底进行减薄和贴封陶瓷封装的骤1至步骤3的示意图。

图6为对硅芯片衬底进行减薄和贴封陶瓷封装的骤4至步骤5的示意图。

图7为最终划片后的单片传感器芯片。

具体实施方式

实施例1

一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器的制备方法如下：

第一步，硅芯片的制备

步骤1，在硅芯片1表面热生长第一热氧化层2；

步骤2，在第一热氧化层2上化学气相淀积氮化硅层3；

步骤3，利用RIE技术对硅芯片1进行刻蚀，定义有源区4；

步骤4，化学气相淀积第二氧化层5；

步骤5，利用CMP技术对硅芯片1进行抛光处理；

步骤6，湿法腐蚀去除氮化硅层3，制备完成场氧化层6；

步骤7，磷离子注入，制备N阱7；

步骤8，热生长栅氧化层8；

步骤9，硼离子注入，制备加热元件9和热传感测温元件15的一个端10；

步骤10，化学气相淀积第三氧化层，其中第一热氧化层2、第二氧化层5和第三氧化层合并为氧化层11；

步骤11，利用干法刻蚀工艺制备热传感测温元件15上通孔12和加热元件9上通孔17；

步骤12，利用溅射工艺制备电引出用铝焊盘14和热传感测温元件15的另一个端13以及加热元件9电引出焊盘18；

步骤13，利用干法刻蚀工艺在加热元件9和热传感测温元件15之间制备热隔离槽16；

第二步，减薄和封装

步骤1，在硅芯片1的正面悬涂石蜡层19；

步骤2，在80℃环境温度下通过石蜡层19在硅芯片1的正面粘附载玻片20；

步骤3，利用减薄工艺对硅芯片1的衬底进行减薄直至衬底厚度为80微米到100微米范围，得到减薄硅芯片21；

步骤4，在减薄硅芯片21背面悬涂导热胶22，并贴敷陶瓷基板23，在环境温度100℃下对导热胶进行固化；

步骤5，在80℃环境温度下去除载玻片20和石蜡层19；

第三步，划片，完成风速风向传感器的制备。

本实用新型是一种实现CMOS集成风速风向传感器制备以及圆片级封装的方案。传感器芯片与外界环境中的风相接触的一侧为陶瓷基板23的上表面，通过导热胶22与减薄硅芯片21之间建立热连接，由于陶瓷材料具有一定的热传导率，减薄硅芯片21中的加热元件9产生的热量通过减薄后的硅衬底和导热胶22传导至陶瓷基板23，在陶瓷基板23的上表面建立起一定的温度场的分布。在无风条件下该温度场在陶瓷基板23上围绕陶瓷基板23中心呈对称分布；在外界环境存在一定风速的条件之下，该对称分布被打破，生成一个温度梯度场，梯度方向与风向的方向保持一致。4个热传感测温元件15呈对称布局分布在减薄硅芯片21上的加热元件9的周围，在加热元件9与热传感测温元件15之间设置有热隔离槽16，用于减小他们之间的横向热传导效应，增大传感器的有用信号。陶瓷基板23上表面的温度场能够利用导热胶22的热传导特性传给减薄硅芯片21，再通过硅衬底传导至热传感测温元件15，进而测出陶瓷基板23上表面的温度场变化情况。对4个热传感测温元件15的输出信号进行处理，就可以得到外界环境中风速和风向的信息。

传统的CMOS集成风速风向传感器，一般直接利用倒装焊倒装或者导热胶贴附的形式与陶瓷基板实现封装。由于硅的热导率远远大于陶瓷的热导率，因此封装后硅上加热元件产生的热量绝大部分从硅衬底以热传导的方式耗散掉，仅仅只有少量的热量通过陶瓷基板与空气产生热对流换热，这样一方面大大降低了传感器的输出信号，另一方面提高了传感器的工作功率，降低了传感器的效能。基于这个问题，前人提出在硅衬底背面制作空腔或者在加热元件下制作一层多孔硅用于降低硅衬底的热传导，这样就对传感器的封装或者工艺的一致性和CMOS工艺兼容性提出了挑战。

本实用新型中，利用CMOS工艺制备传感器芯片；利用DRIE干法刻蚀工艺在传感器芯片正面制备热隔离槽，用于增大传感器的有用信号并减小热传导效应对有用信号造成的干扰；利用与CMOS工艺兼容的减薄工艺对传感器芯片的衬底进行减薄，能够大大减低由于热传导效用造成的无用功耗且增大传感器的灵敏度；利用陶瓷基板通过导热胶贴封至减薄后的传感器芯片背面对传感器芯片进行封装。

实施例2

一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片21，所述减薄硅芯片21的背面通过导热胶22连接有陶瓷基板23，在减薄硅芯片21的正面设有N阱7，在N阱7上设有氧化层11，在N阱7的中部设有4个扩散电阻加热元件9及4个热传感测温元件15，4个热传感测温元件15为热电偶测温元件且分布于4个扩散电阻加热元件9的四周，在氧化层11的边缘区域设有电引出焊盘14，4个扩散电阻加热元件9的电引出焊盘18及4个热传感测温元件15的电引出焊盘13分别通过金属引线与电引出焊盘14连接，在4个扩散电阻加热元件9和4个热传感测温元件15之间设置有热隔离槽16，所述热隔离槽16深及减薄硅芯片21衬底中。

Claims (1)

1.一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器，其特征在于，包括减薄硅芯片（21），所述减薄硅芯片（21）的背面通过导热胶（22）连接有陶瓷基板（23），在减薄硅芯片（21）的正面设有N阱（7），在N阱（7）上设有氧化层（11），在N阱（7）的中部设有4个扩散电阻加热元件（9）及4个热传感测温元件（15），4个热传感测温元件（15）为热电偶测温元件且分布于4个扩散电阻加热元件（9）的四周，在氧化层（11）的边缘区域设有电引出焊盘（14），4个扩散电阻加热元件（9）的电引出焊盘（18）及4个热传感测温元件（15）的电引出焊盘（13）分别通过金属引线与电引出焊盘（14）连接，在4个扩散电阻加热元件（9）和4个热传感测温元件（15）之间设置有热隔离槽（16），所述热隔离槽（16）深及减薄硅芯片（21）衬底中。

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