專利名稱：基于各向異性導(dǎo)熱襯底的熱式風(fēng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種制備于一種各向異性導(dǎo)熱襯底結(jié)構(gòu)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器， 尤其涉及一種低功耗的可實現(xiàn)自封裝的風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
在熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計中，封裝一直以來是阻礙其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。一方面其封裝材料即要求具有良好的熱傳導(dǎo)性能，又要求對傳感器具有保護作用，并且設(shè)計中還需要考慮到封裝材料對傳感器靈敏度、可靠性以及價格等方面的影響，這就限制了傳感器自身封裝設(shè)計的自由度。另一方面，熱式流量傳感器要求傳感器的敏感部分暴露在測量環(huán)境中，同時又要求處理電路與環(huán)境隔離，以免影響處理電路的性能，兩者對封裝的要求產(chǎn)生了矛盾。以往報道的硅風(fēng)速風(fēng)向傳感器大都將硅片的敏感表面直接暴露在自然環(huán)境中，以便能夠感知外界風(fēng)速變化。這樣一來，硅片很容易受到各種污染，導(dǎo)致其性能的不穩(wěn)定，甚至損壞。如果采用熱導(dǎo)率較高的陶瓷基片，利用倒裝焊封裝或者導(dǎo)熱膠貼附的方式對傳感器硅芯片進行封裝，就能夠較好的避免上述的矛盾，但是封裝后傳感器產(chǎn)生的熱量絕大部分以熱傳導(dǎo)的方式從硅基襯底耗散掉，僅有很小的一部分通過陶瓷與外界空氣進行了熱交換，大大降低輸出敏感信號的幅值，通過增大傳感器的功耗能夠提高敏感信號的幅值，但又造成整個傳感器系統(tǒng)較大的功耗。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種制備在各向異性導(dǎo)熱襯底結(jié)構(gòu)上的能夠?qū)崿F(xiàn)自封裝的基于各向異性導(dǎo)熱襯底的熱式風(fēng)傳感器，設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)以及封裝形式有利于在保證較大敏感信號幅值的同時，傳感器系統(tǒng)具有較低的功耗。本實用新型采用如下技術(shù)方案一種基于各向異性導(dǎo)熱襯底的熱式風(fēng)傳感器，包括各向異性導(dǎo)熱襯底，所述各向異性導(dǎo)熱襯底的襯底中圍繞中心對稱鑲嵌有玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)，并且，所述玻璃隔熱內(nèi)環(huán)將向異性導(dǎo)熱襯底分割成各向異性導(dǎo)熱襯底的中心硅襯底及玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)之間的硅襯底，各向異性導(dǎo)熱襯底的中心硅襯底下表面圍繞中心對稱設(shè)置有 4個加熱元件，玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)之間的硅襯底下表面圍繞4個加熱元件四周設(shè)置有4個熱傳感測溫元件，在各向異性導(dǎo)熱襯底的邊沿區(qū)域設(shè)置有電引出用焊盤，其中電引出用焊盤由鉬金屬層和金層組成，4個加熱元件和4個熱傳感測溫元件通過各向異性導(dǎo)熱襯底背面的金屬引線與電引出用焊盤相連。本實用新型是一種在設(shè)計的各向異性導(dǎo)熱襯底結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)自封裝的風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備的方案。傳感器芯片的各向異性導(dǎo)熱襯底的背面與外界環(huán)境中的風(fēng)相接觸， 4個加熱元件和4個熱傳感測溫元件利用剝離工藝制備于各向異性導(dǎo)熱襯底的正表面，加熱元件產(chǎn)生的熱量通過各向異性導(dǎo)熱襯底中的硅基傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底的背面與外界環(huán)境進行熱交換，當(dāng)外界環(huán)境有風(fēng)存在的時候，就會在各向異性導(dǎo)熱襯底的背面形成一個沿風(fēng)向方向的溫度梯度分布，這個溫度分布場會通過各向異性導(dǎo)熱襯底中的硅基傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底的正表面，熱傳感測溫元件就能夠檢測到這個溫度場的變化，進而得到風(fēng)速和風(fēng)向的信息。在各向異性導(dǎo)熱襯底的制備過程中，利用玻璃鑲嵌工藝在硅襯底中制備玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)，一方面玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)能夠阻隔芯片襯底的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)，另一方面玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)也為硅襯底在減薄和芯片劃片過程中提供了必要的機械支撐，保證了硅襯底在能夠減薄至100微米左右的狀態(tài)且在劃片過程中使得芯片不發(fā)生破裂，有利于降低芯片的整體功耗和減小芯片的整體熱容量，縮短傳感器的熱響應(yīng)時間。各向異性導(dǎo)熱襯底上表面的加熱元件和熱傳感測溫元件位置下方的硅襯底之間鑲嵌的玻璃隔熱內(nèi)環(huán)，能夠阻隔加熱元件與熱傳感測溫元件下方的硅襯底之間的橫向熱傳導(dǎo)，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量絕大部分能夠傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底背面并與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換，以用于檢測外界環(huán)境風(fēng)速的大小和方向，玻璃隔熱內(nèi)環(huán)能夠增加加熱元件產(chǎn)生的熱量在縱向方向的傳導(dǎo)總量，進而能夠增大加熱元件與外界環(huán)境的熱交換總量，有利于降低傳感器的總體功耗。各向異性導(dǎo)熱襯底上表面的熱傳感測溫元件下方的硅襯底和芯片邊緣硅襯底之間鑲嵌有玻璃隔熱外環(huán)，用于阻隔熱傳感測溫元件下方的硅襯底中的熱量與芯片外部環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)，進而使得在各向異性導(dǎo)熱襯底背面形成的溫度分布場的信號能夠通過熱傳感測溫元件下方的硅襯底將信號量絕大部分通過硅襯底的熱傳導(dǎo)效應(yīng)傳導(dǎo)給熱傳感測溫元件，因此玻璃隔熱外環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠使得傳感器在較低功耗的情況下保持一個較大的信號量和信號靈敏度，并減小傳感器的熱響應(yīng)時間。本實用新型傳感器的結(jié)構(gòu)適用于制備二維的風(fēng)速風(fēng)向傳感器。本實用新型獲得如下效果1.在各向異性導(dǎo)熱襯底的制備過程中，利用玻璃鑲嵌工藝在硅襯底中制備玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)，一方面玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)能夠阻隔芯片襯底的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)，另一方面玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)也為硅襯底在減薄和芯片劃片過程中提供了必要的機械支撐，保證了硅襯底在能夠減薄至100微米左右的狀態(tài)且在劃片過程中使得芯片不發(fā)生破裂，有利于降低芯片的整體功耗和減小芯片的整體熱容量，縮短傳感器的熱響應(yīng)時間。2.各向異性導(dǎo)熱襯底上表面的加熱元件和熱傳感測溫元件位置下方的硅襯底之間鑲嵌的玻璃隔熱內(nèi)環(huán)，能夠阻隔加熱元件與熱傳感測溫元件下方的硅襯底之間的橫向熱傳導(dǎo)，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量絕大部分能夠傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底背面并與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換，以用于檢測外界環(huán)境風(fēng)速的大小和方向，玻璃隔熱內(nèi)環(huán)能夠增加加熱元件產(chǎn)生的熱量在縱向方向的傳導(dǎo)總量，進而能夠增大加熱元件與外界環(huán)境的熱交換總量，有利于降低傳感器的總體功耗。3.各向異性導(dǎo)熱襯底上表面的熱傳感測溫元件下方的硅襯底和芯片邊緣硅襯底之間鑲嵌有玻璃隔熱外環(huán)，用于阻隔熱傳感測溫元件下方的硅襯底中的熱量與芯片外部環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)，進而使得在各向異性導(dǎo)熱襯底背面形成的溫度分布場的信號能夠通過熱傳感測溫元件下方的硅襯底將信號量絕大部分通過硅襯底的熱傳導(dǎo)效應(yīng)傳導(dǎo)給熱傳感測溫元件，因此玻璃隔熱外環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠使得傳感器在較低功耗的情況下保持一個較大的信號量和信號靈敏度，并減小傳感器的熱響應(yīng)時間。[0012]傳統(tǒng)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，加熱元件制作在硅基芯片表面，在降低硅基襯底熱傳導(dǎo)方面，一種方法是在硅芯片背面與加熱元件對應(yīng)區(qū)域利用濕法腐蝕工藝制備隔熱空腔，其缺點在于制備出的熱感應(yīng)薄膜過于脆弱，熱應(yīng)力對信號檢測的影響較大，并且無法實現(xiàn)傳感器的封裝。另一種方法是在加熱元件下面制備多孔硅隔熱層，由于孔硅的制備工藝一致性較差，因此提高了后端傳感器信號調(diào)理的難度。本實用新型提出的傳感器結(jié)構(gòu)，在硅襯底中利用玻璃鑲嵌工藝制備玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠保證在對硅襯底進行減薄和芯片劃片的過程中提供必要的機械支撐，使芯片的各向異性襯底能夠通過減薄工藝達到100微米左右的厚度，大大降低了傳感器的功耗，并保證傳感器具有良好的信號靈敏度和較小的熱響應(yīng)時間；玻璃隔熱內(nèi)環(huán)位于加熱元件和熱傳感測溫元件下方的硅襯底之間，玻璃隔熱外環(huán)位于熱傳感測溫元件下方硅襯底與芯片邊緣硅襯底之間，玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面能夠使加熱元件產(chǎn)生的熱量最大效率的傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底背面與外界環(huán)境發(fā)生熱交換進而檢測外界環(huán)境風(fēng)速的大小和風(fēng)向的信息，另一方面使得各向異性導(dǎo)熱襯底背面形成的溫度分布場能夠有效地將溫度分布信號通過硅襯底傳導(dǎo)至熱傳感測溫元件，最大效率的對溫度分布場進行檢測，這樣的玻璃隔熱內(nèi)環(huán)和玻璃隔熱外環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠很有效的降低傳感器的功耗，并使得傳感器在較低功耗情況下具有較大的輸出信號和較小的熱響應(yīng)時間。

圖1為各向異性導(dǎo)熱襯底的制備流程。圖2為在各向異性導(dǎo)熱襯底上制備加熱元件和測溫元件的制備流程。圖3為制備完成的硅芯片的頂視圖。圖4最終劃片后的單片傳感器芯片。
具體實施方式
實施例1一種基于各向異性導(dǎo)熱襯底結(jié)構(gòu)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備方法如下第一步，各向異性導(dǎo)熱襯底的制備，如圖1所示步驟1，在硅芯片1正表面利用DRIE干法刻蝕工藝制備100微米左右的環(huán)形內(nèi)槽 2和環(huán)形外槽3 ；步驟2，將玻璃4與硅芯片1正表面在真空環(huán)境下進行陽極鍵合，對環(huán)形內(nèi)槽2和環(huán)形外槽3進行真空密封；步驟3，將鍵合后玻璃4與硅芯片1在一個大氣壓下加熱至550°C _900°C溫度范圍內(nèi)，進行熱成型，環(huán)形內(nèi)槽2和環(huán)形外槽3內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃4填充至環(huán)形內(nèi)槽2 和環(huán)形外槽3中直至填滿，冷卻，將上述結(jié)構(gòu)退火消除應(yīng)力；步驟4，利用機械減薄工藝去除環(huán)形內(nèi)槽2中和環(huán)形外槽3中以外的其他玻璃；步驟5，利用機械減薄工藝對硅芯片1的襯底進行減薄直至露出環(huán)形內(nèi)槽2中和環(huán)形外槽3的玻璃為止，至此形成玻璃隔熱內(nèi)環(huán)5和玻璃隔熱外環(huán)6，完成各向異性導(dǎo)熱襯底 7的制備，此時各向異性導(dǎo)熱襯底7的厚度在100微米左右；第二步，加熱元件和熱傳感測溫元件的制備，如圖2所示[0026]步驟1，在制備好的各向異性導(dǎo)熱襯底7上表面懸涂光刻膠8并曝光進行圖形化， 露出制備加熱元件10、熱傳感測溫元件11和電引出用焊盤15的區(qū)域；步驟2，利用濺射工藝建設(shè)金屬鉬層9 ；步驟3，利用剝離工藝去除光刻膠8和多余的金屬鉬層9，完成加熱元件10、熱傳感測溫元件11和電引出用焊盤15的下層鉬金屬12的制備；步驟4，懸涂光刻膠13并曝光進行圖形化，露出制備電引出用焊盤15的區(qū)域；步驟5，濺射金屬金層14 ；步驟6，利用剝離工藝去除光刻膠13和多余的金屬金層14，完成電引出用焊盤15 的上層金層16的制備；第三步，劃片，完成傳感器的制作，如圖4所示。傳統(tǒng)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，一般直接利用倒裝焊倒裝或者導(dǎo)熱膠貼附的形式與陶瓷芯片實現(xiàn)封裝。由于硅的熱導(dǎo)率遠遠大于陶瓷的熱導(dǎo)率，因此封裝后硅上加熱元件產(chǎn)生的熱量絕大部分從硅襯底以熱傳導(dǎo)的方式耗散掉，僅僅只有少量的熱量通過陶瓷芯片與空氣產(chǎn)生熱對流換熱，這樣一方面大大降低了傳感器的輸出信號，另一方面提高了傳感器的工作功率，降低了傳感器的效能?；谶@個問題，前人提出在硅襯底背面制作空腔或者在加熱元件下制作一層多孔硅用于降低硅襯底的熱傳導(dǎo)，這樣由于多孔硅的制備工藝一致性很差，對后期傳感器的信號調(diào)理帶來了很大的難度。本實用新型是一種在設(shè)計的各向異性導(dǎo)熱襯底結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)自封裝的風(fēng)速風(fēng)向傳感器制備的方案。傳感器芯片的各向異性導(dǎo)熱襯底7的背面與外界環(huán)境中的風(fēng)相接觸，4個加熱元件10和4個熱傳感測溫元件11利用剝離工藝制備于各向異性導(dǎo)熱襯底7的正表面， 于芯片中心呈四邊對稱分布，加熱元件10產(chǎn)生的熱量通過各向異性導(dǎo)熱襯底7中的硅襯底傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底7的背面與外界環(huán)境進行熱交換，當(dāng)外界環(huán)境有風(fēng)存在的時候， 就會在各向異性導(dǎo)熱襯底7的背面形成一個沿風(fēng)向方向的溫度梯度分布，這個溫度分布場會通過各向異性導(dǎo)熱襯底7中的硅基傳導(dǎo)至各向異性導(dǎo)熱襯底7的正表面，熱傳感測溫元件11就能夠檢測到這個溫度場的變化，進而得到風(fēng)速和風(fēng)向的信息。在各向異性導(dǎo)熱襯底 7上表面的加熱元件10和熱傳感測溫元件11的位置下方硅襯底之間鑲嵌有玻璃隔熱內(nèi)環(huán) 5和玻璃隔熱外環(huán)6，用于阻隔加熱元件10與熱傳感測溫元件11下方硅襯底之間的橫向熱傳導(dǎo)，增強加熱元件10產(chǎn)生的熱量在縱向方向的傳導(dǎo)總量，那么這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠增大加熱元件10產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境的熱交換總量，并阻隔芯片中的熱量與芯片外界環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)，進而可以使傳感器能夠在較低功耗下獲得較大靈敏度的信號，并保持較低的熱響應(yīng)時間。實施例2一種基于各向異性導(dǎo)熱襯底的熱式風(fēng)傳感器，包括各向異性導(dǎo)熱襯底7，所述各向異性導(dǎo)熱襯底7襯底中圍繞中心對稱鑲嵌有玻璃隔熱內(nèi)環(huán)5和玻璃隔熱外環(huán)6，并且，所述玻璃隔熱內(nèi)環(huán)5將向異性導(dǎo)熱襯底7分割成各向異性導(dǎo)熱襯底7的中心硅襯底及玻璃隔熱內(nèi)環(huán)5和玻璃隔熱外環(huán)6之間的硅襯底，各向異性導(dǎo)熱襯底7的中心硅襯底下表面圍繞中心對稱設(shè)置有4個加熱元件10，玻璃隔熱內(nèi)環(huán)5和玻璃隔熱外環(huán)6之間的硅襯底下表面圍繞4個加熱元件10四周設(shè)置有4個熱傳感測溫元件11，在各向異性導(dǎo)熱襯底7的邊沿區(qū)域設(shè)置有電引出用焊盤15，其中電引出用焊盤15由鉬金屬層12和金層16組成，4個加熱元件10和4個熱傳感測溫元件11通過各向異性導(dǎo)熱襯底7背面的金屬引線與電引出用焊盤 15相連。
權(quán)利要求1. 一種基于各向異性導(dǎo)熱襯底的熱式風(fēng)傳感器，其特征在于，包括各向異性導(dǎo)熱襯底 (7)，所述各向異性導(dǎo)熱襯底(7)襯底中圍繞中心對稱鑲嵌有玻璃隔熱內(nèi)環(huán)(5)和玻璃隔熱外環(huán)(6)，并且，所述玻璃隔熱內(nèi)環(huán)(5)將向異性導(dǎo)熱襯底(7)分割成各向異性導(dǎo)熱襯底(7) 的中心硅襯底及玻璃隔熱內(nèi)環(huán)(5)和玻璃隔熱外環(huán)(6)之間的硅襯底，各向異性導(dǎo)熱襯底 (7)的中心硅襯底下表面圍繞中心對稱設(shè)置有4個加熱元件(10)，玻璃隔熱內(nèi)環(huán)(5)和玻璃隔熱外環(huán)(6)之間的硅襯底下表面圍繞4個加熱元件(10)四周設(shè)置有4個熱傳感測溫元件(11)，在各向異性導(dǎo)熱襯底(7)的邊沿區(qū)域設(shè)置有電引出用焊盤(15)，其中電引出用焊盤(15)由鉬金屬層(12)和金層(16)組成，4個加熱元件(10)和4個熱傳感測溫元件(11) 通過各向異性導(dǎo)熱襯底(7)背面的金屬引線與電引出用焊盤(15)相連。
專利摘要本實用新型公開一種基于各向異性導(dǎo)熱襯底的熱式風(fēng)傳感器，傳感器芯片包含各向異性導(dǎo)熱襯底，在各向異性導(dǎo)熱襯底上表面于中心對稱分布有4個加熱元件，4個加熱元件四周對稱分布有4個熱傳感測溫元件，各向異性導(dǎo)熱襯底背面與外界環(huán)境進行接觸，對風(fēng)速和風(fēng)向進行檢測，在各向異性導(dǎo)熱襯底中加熱元件和熱傳感測溫元件下方硅襯底之間鑲嵌有玻璃隔熱內(nèi)環(huán)，在熱傳感測溫元件下方硅襯底和芯片邊緣硅襯底之間鑲嵌有玻璃隔熱外環(huán)，這兩個玻璃隔熱環(huán)一方面能夠保證各向異性襯底利用減薄工藝減薄至100微米左右厚度，另一方面能夠降低傳感器的總功耗，使得傳感器在較低功耗下保持較大的信號靈敏度和較小的熱響應(yīng)時間。
文檔編號G01P13/02GK201993379SQ20112001164
公開日2011年9月28日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者秦明, 董自強, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)