一种具有热隔离结构的热式风速风向传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有热隔离结构的热式风速风向传感器，并与标准CMOS工艺兼容的风速风向传感器，尤其涉及一种低功耗的集成风速风向传感器及其制备方法。

背景技术

在CMOS集成风速风向传感器的设计中，有两个因素限制其发展。一方面是封装问题，传感器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，并且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。另一方面是功耗损失问题，热式风速风向传感器是通过其上的加热元件产生的热量与外界环境进行热交换来感应风的变化，利用的是强迫对流效应，而传感器总体功耗方面除了包括由于强迫对流效应造成的热量损失以外，还包含由于热传导效应造成的功耗损失，这一部分功耗对风的感知是不起任何作用的，因此如何减小热式风速风向传感器由于热传导效应造成的功率损失成为了传感器设计中的一大问题。

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有热隔离结构的热式风速风向传感器及其制备方法。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。

本发明采用如下技术方案：

一种具有热隔离结构的热式风速风向传感器，包括硅芯片和陶瓷基板，硅芯片位于陶瓷基板的上方，在硅芯片的上表面四边对称分布设有4个加热元件和4个热传感测温元件，其特征在于在加热元件与热传感测温元件之间设置有隔热槽，在硅芯片的背面的热传感测温元件的下方设置有隔热空腔。

一种具有热隔离结构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，在硅芯片表面热生长第一热氧化层；

步骤2，在第一热氧化层上化学气相淀积氮化硅层；

步骤3，利用RIE技术对硅芯片进行刻蚀，定义有源区；

步骤4，化学气相淀积第二氧化层；

步骤5，利用CMP技术对硅芯片进行抛光处理；

步骤6，湿法腐蚀去除氮化硅层，制备完成场氧化层；

步骤7，P离子注入，制备N阱；

步骤8，热生长栅氧化层；

步骤9，B离子注入，制备加热电阻和测温热电偶的一个端；

步骤10，化学气相淀积第三氧化层；

步骤11，利用干法刻蚀工艺制备测温热电偶上通孔和加热电阻上通孔；

步骤12，利用溅射工艺制备电引出用铝焊盘和测温热电偶的另一个端（13）以及加热电阻电引出用焊盘；

步骤13，利用干法刻蚀工艺在加热电阻和测温热电偶之间制备隔热槽；并利用溅射和剥离工艺在制备键合用硅上金层，硅上金层用于硅芯片背面隔热空腔的制备的掩模以及与陶瓷基板进行热连接用的金层；

步骤14，利用湿法腐蚀工艺在硅芯片背面，测温热电偶下方制备隔热空腔；

第二步，金金键合

步骤1，在陶瓷基板的背面利用溅射和剥离工艺制备陶瓷上金层；

步骤2，利用金金键合工艺将陶瓷上金层和硅上金层连接在一起，实现硅芯片和陶瓷基板之间的热连接；

第三步，划片，完成风速风向传感器的制备。

本发明将传感器中的加热元件和热电偶测温元件利用标准CMOS工艺制备在硅芯片中，并在加热元件和热电偶测温元件之间设置有隔热槽，以及在热电偶测温元件下方设置有隔热空腔，在硅芯片背面和陶瓷基本背面均制备有金层，利用金金键合工艺将硅芯片与陶瓷基板键合在一起，在实现它们之间的热连接的同时实现对硅芯片的封装。由于金金键合的金层和陶瓷基板均具有一定的热传导特性，因此硅芯片上的加热元件产生的热量能够通过导热胶传递到陶瓷基板上，因此能够在陶瓷基板表面建立一个温度场，陶瓷基板上表面暴露在外界环境中，由加热元件在陶瓷基板上表面建立的温度场去感受风的变化，热电偶测温元件通过导热胶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，热电偶测温元件通过键合金层的热传导作用测出该温度场的变化，进而可反映风速的大小；对称分布的上游和下游热电偶测温元件的差分输出反映陶瓷基板上表面温度场温度梯度的变化，能够反映风向的变化信息。

传感器结构中用于封装的薄层陶瓷片一方面作为用于保护下层硅芯片的封装基板，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的上表面和风的环境接触，其他元件均通过陶瓷基板和外界环境隔绝，因此能够避免受到外界环境的污染。金金键合实现了硅芯片和陶瓷基板之间的热连接。在加热元件和热电偶测温元件之间制备隔热槽，能够隔绝硅芯片横向方向的热传导，强化传感芯片中垂直方向的热传导，增大水平方向的热电阻，以便提高传感器的灵敏度。在硅芯片热电偶测温元件下方制备隔热空腔，能够增强热电偶测温元件的信号强度，降低芯片的热传导损失和芯片的热容，进而降低芯片的热响应时间。隔热结构的设计能够大大降低热传导效应造成的无用功耗。本发明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，加热元件和热电偶测温元件利用的是标准CMOS工艺；第二步隔热槽的制备中，采用的是MEMS干法刻蚀工艺；第三步热电偶测温元件下方隔热空腔制备中，利用了MEMS各向异性湿法腐蚀工艺。

本发明获得如下效果：

1.本发明的封装工艺属于传感器圆片级封装。工艺引入具有一定热导率的薄层陶瓷圆片作为传感器的封装材料，陶瓷片的大小与硅芯片完全相同，通过金金键合技术利用硅芯片和陶瓷芯片之间的金层实现硅芯片与陶瓷薄片之间的热连接，采用该工艺作为实现硅芯片与陶瓷基板之间热连接，能够保证热连接媒介恒定保持一个良好的几何形状和材料特性，与导热胶等实现热连接的方式相比更加稳定可靠，并具保持传感器之间的良好的一致性。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。

2.本发明在加热元件和热电偶测温元件之间制备隔热槽，能够隔绝硅芯片横向方向的热传导，强化传感芯片中垂直方向的热传导，增大水平方向的热电阻，以便提高传感器的灵敏度。

3.本发明采用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺在硅芯片热电偶测温元件下方制备隔热空腔，能够增强热电偶测温元件的信号强度，降低芯片的热传导损失和芯片的热容，进而降低芯片的热响应时间，具有成本低，一致性好，能够精确控制形状，一次工艺成型的特点，非常适用于利用CMOS标准工艺制作的MEMS传感器的后端处理。

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14的示意图。

图4为制备完成的硅芯片的侧视图。

图5为制备完成的硅芯片的顶视图。

图6为制备完成的陶瓷基板的侧视图。

图7为制备完成的陶瓷基板的顶视图。

图8为利用金金键合实现陶瓷基板与硅芯片之间的热连接。

图9为划片后的传感器的剖面示意图。