CN2750321Y - 基于微机械加工的风速传感器 - Google Patents

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高冬晖
秦明
黄庆安
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Abstract

基于微机械加工的风速传感器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，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设有内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。

Description

基于微机械加工的风速传感器
                          技术领域
本实用新型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。
                          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：本实用新型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。
技术方案：本实用新型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。
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：本实用新型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，而可以采用传统的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
本实用新型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 (2)

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)。
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