CN102147421B - 基于各向异性导热衬底的热式风传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于各向异性导热衬底的热式风传感器，传感器芯片包含各向异性导热衬底，在各向异性导热衬底上表面于中心对称分布有4个加热元件，4个加热元件四周对称分布有4个热传感测温元件，各向异性导热衬底背面与外界环境进行接触，对风速和风向进行检测，在各向异性导热衬底中加热元件和热传感测温元件下方硅衬底之间镶嵌有玻璃隔热内环，在热传感测温元件下方硅衬底和芯片边缘硅衬底之间镶嵌有玻璃隔热外环，这两个玻璃隔热环一方面能够保证各向异性衬底利用减薄工艺减薄至100微米左右厚度，另一方面能够降低传感器的总功耗，使得传感器在较低功耗下保持较大的信号灵敏度和较小的热响应时间。

Description

基于各向异性导热衬底的热式风传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备于一种各向异性导热衬底结构的热式风速风向传感器，尤其涉及一种低功耗的可实现自封装的风速风向传感器及其制备方法。

背景技术

在热式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***较大的功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备在各向异性导热衬底结构上的能够实现自封装的基于各向异性导热衬底的热式风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***具有较低的功耗。

本发明采用如下技术方案：

一种基于各向异性导热衬底的热式风传感器，包括各向异性导热衬底，所述各向异性导热衬底的衬底中围绕中心对称镶嵌有玻璃隔热内环和玻璃隔热外环，并且，所述玻璃隔热内环将向异性导热衬底分割成各向异性导热衬底的中心硅衬底及玻璃隔热内环和玻璃隔热外环之间的硅衬底，各向异性导热衬底的中心硅衬底下表面围绕中心对称设置有4个加热元件，玻璃隔热内环和玻璃隔热外环之间的硅衬底下表面围绕4个加热元件四周设置有4个热传感测温元件，在各向异性导热衬底的边沿区域设置有电引出用焊盘，其中电引出用焊盘由铂金属层和金层组成，4个加热元件和4个热传感测温元件通过各向异性导热衬底背面的金属引线与电引出用焊盘相连。

一种基于各向异性导热衬底的热式风传感器的制备方法如下：

第一步，各向异性导热衬底的制备

步骤1，在硅芯片正表面利用DRIE干法刻蚀工艺制备100微米左右的环形内槽和环形外槽；

步骤2，将玻璃与硅芯片正表面在真空环境下进行阳极键合，对环形内槽和环形外槽进行真空密封；

步骤3，将键合后玻璃与硅芯片在一个大气压下加热至550℃-900℃温度范围内，进行热成型，环形内槽和环形外槽内外压力差使软化后的玻璃填充至环形内槽和环形外槽中直至填满，冷却，将上述结构退火消除应力；

步骤4，利用机械减薄工艺去除环形内槽中和环形外槽中以外的其他玻璃；

步骤5，利用机械减薄工艺对硅芯片的衬底进行减薄直至露出环形内槽中和环形外槽的玻璃为止，至此形成玻璃隔热内环和玻璃隔热外环，完成各向异性导热衬底的制备，此时各向异性导热衬底7的厚度在100微米左右；

第二步，加热元件和热传感测温元件的制备

步骤1，在制备好的各向异性导热衬底上表面悬涂光刻胶并曝光进行图形化，露出制备加热元件、热传感测温元件和电引出用焊盘的区域；

步骤2，利用溅射工艺建设金属铂层；

步骤3，利用剥离工艺去除光刻胶和多余的金属铂层，完成加热元件、热传感测温元件和电引出用焊盘的下层铂金属的制备；

步骤4，悬涂光刻胶并曝光进行图形化，露出制备电引出用焊盘的区域；

步骤5，溅射金属金层；

步骤6，利用剥离工艺去除光刻胶和多余的金属金层，完成电引出用焊盘的上层金层的制备；

第三步，划片，完成传感器的制作。

本发明是一种在设计的各向异性导热衬底结构上实现自封装的风速风向传感器及其制备的方案。传感器芯片的各向异性导热衬底的背面与外界环境中的风相接触，4个加热元件和4个热传感测温元件利用剥离工艺制备于各向异性导热衬底的正表面，加热元件产生的热量通过各向异性导热衬底中的硅基传导至各向异性导热衬底的背面与外界环境进行热交换，当外界环境有风存在的时候，就会在各向异性导热衬底的背面形成一个沿风向方向的温度梯度分布，这个温度分布场会通过各向异性导热衬底中的硅基传导至各向异性导热衬底的正表面，热传感测温元件就能够检测到这个温度场的变化，进而得到风速和风向的信息。在各向异性导热衬底的制备过程中，利用玻璃镶嵌工艺在硅衬底中制备玻璃隔热内环和玻璃隔热外环，一方面玻璃隔热内环和玻璃隔热外环能够阻隔芯片衬底的横向热传导效应，另一方面玻璃隔热内环和玻璃隔热外环也为硅衬底在减薄和芯片划片过程中提供了必要的机械支撑，保证了硅衬底在能够减薄至100微米左右的状态且在划片过程中使得芯片不发生破裂，有利于降低芯片的整体功耗和减小芯片的整体热容量，缩短传感器的热响应时间。各向异性导热衬底上表面的加热元件和热传感测温元件位置下方的硅衬底之间镶嵌的玻璃隔热内环，能够阻隔加热元件与热传感测温元件下方的硅衬底之间的横向热传导，使得加热元件产生的热量绝大部分能够传导至各向异性导热衬底背面并与外界环境产生热交换，以用于检测外界环境风速的大小和方向，玻璃隔热内环能够增加加热元件产生的热量在纵向方向的传导总量，进而能够增大加热元件与外界环境的热交换总量，有利于降低传感器的总体功耗。各向异性导热衬底上表面的热传感测温元件下方的硅衬底和芯片边缘硅衬底之间镶嵌有玻璃隔热外环，用于阻隔热传感测温元件下方的硅衬底中的热量与芯片外部环境之间的热传导，进而使得在各向异性导热衬底背面形成的温度分布场的信号能够通过热传感测温元件下方的硅衬底将信号量绝大部分通过硅衬底的热传导效应传导给热传感测温元件，因此玻璃隔热外环的结构设计能够使得传感器在较低功耗的情况下保持一个较大的信号量和信号灵敏度，并减小传感器的热响应时间。本发明传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。

本发明获得如下效果：

1. 在各向异性导热衬底的制备过程中，利用玻璃镶嵌工艺在硅衬底中制备玻璃隔热内环和玻璃隔热外环，一方面玻璃隔热内环和玻璃隔热外环能够阻隔芯片衬底的横向热传导效应，另一方面玻璃隔热内环和玻璃隔热外环也为硅衬底在减薄和芯片划片过程中提供了必要的机械支撑，保证了硅衬底在能够减薄至100微米左右的状态且在划片过程中使得芯片不发生破裂，有利于降低芯片的整体功耗和减小芯片的整体热容量，缩短传感器的热响应时间。

2.各向异性导热衬底上表面的加热元件和热传感测温元件位置下方的硅衬底之间镶嵌的玻璃隔热内环，能够阻隔加热元件与热传感测温元件下方的硅衬底之间的横向热传导，使得加热元件产生的热量绝大部分能够传导至各向异性导热衬底背面并与外界环境产生热交换，以用于检测外界环境风速的大小和方向，玻璃隔热内环能够增加加热元件产生的热量在纵向方向的传导总量，进而能够增大加热元件与外界环境的热交换总量，有利于降低传感器的总体功耗。

3. 各向异性导热衬底上表面的热传感测温元件下方的硅衬底和芯片边缘硅衬底之间镶嵌有玻璃隔热外环，用于阻隔热传感测温元件下方的硅衬底中的热量与芯片外部环境之间的热传导，进而使得在各向异性导热衬底背面形成的温度分布场的信号能够通过热传感测温元件下方的硅衬底将信号量绝大部分通过硅衬底的热传导效应传导给热传感测温元件，因此玻璃隔热外环的结构设计能够使得传感器在较低功耗的情况下保持一个较大的信号量和信号灵敏度，并减小传感器的热响应时间。

传统的热式风速风向传感器，加热元件制作在硅基芯片表面，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，由于孔硅的制备工艺一致性较差，因此提高了后端传感器信号调理的难度。本发明提出的传感器结构，在硅衬底中利用玻璃镶嵌工艺制备玻璃隔热内环和玻璃隔热外环结构，能够保证在对硅衬底进行减薄和芯片划片的过程中提供必要的机械支撑，使芯片的各向异性衬底能够通过减薄工艺达到100微米左右的厚度，大大降低了传感器的功耗，并保证传感器具有良好的信号灵敏度和较小的热响应时间；玻璃隔热内环位于加热元件和热传感测温元件下方的硅衬底之间，玻璃隔热外环位于热传感测温元件下方硅衬底与芯片边缘硅衬底之间，玻璃隔热内环和玻璃隔热外环的结构设计一方面能够使加热元件产生的热量最大效率的传导至各向异性导热衬底背面与外界环境发生热交换进而检测外界环境风速的大小和风向的信息，另一方面使得各向异性导热衬底背面形成的温度分布场能够有效地将温度分布信号通过硅衬底传导至热传感测温元件，最大效率的对温度分布场进行检测，这样的玻璃隔热内环和玻璃隔热外环的结构设计能够很有效的降低传感器的功耗，并使得传感器在较低功耗情况下具有较大的输出信号和较小的热响应时间。

附图说明

图1为各向异性导热衬底的制备流程。

图2为在各向异性导热衬底上制备加热元件和测温元件的制备流程。

图3为制备完成的硅芯片的顶视图。

图4最终划片后的单片传感器芯片。

具体实施方式

实施例1

一种基于各向异性导热衬底的热式风传感器的制备方法如下：

第一步，各向异性导热衬底的制备，如图1所示

步骤1，在硅芯片1正表面利用DRIE干法刻蚀工艺制备100微米左右的环形内槽2和环形外槽3；

步骤2，将玻璃4与硅芯片1正表面在真空环境下进行阳极键合，对环形内槽2和环形外槽3进行真空密封；

步骤3，将键合后玻璃4与硅芯片1在一个大气压下加热至550℃-900℃温度范围内，进行热成型，环形内槽2和环形外槽3内外压力差使软化后的玻璃4填充至环形内槽2和环形外槽3中直至填满，冷却，将上述结构退火消除应力；

步骤4，利用机械减薄工艺去除环形内槽2中和环形外槽3中以外的其他玻璃；

步骤5，利用机械减薄工艺对硅芯片1的衬底进行减薄直至露出环形内槽2中和环形外槽3的玻璃为止，至此形成玻璃隔热内环5和玻璃隔热外环6，完成各向异性导热衬底7的制备，此时各向异性导热衬底7的厚度在100微米左右；

第二步，加热元件和热传感测温元件的制备，如图2所示

步骤1，在制备好的各向异性导热衬底7上表面悬涂光刻胶8并曝光进行图形化，露出制备加热元件10、热传感测温元件11和电引出用焊盘15的区域；

步骤2，利用溅射工艺建设金属铂层9；

步骤3，利用剥离工艺去除光刻胶8和多余的金属铂层9，完成加热元件10、热传感测温元件11和电引出用焊盘15的下层铂金属12的制备；

步骤4，悬涂光刻胶13并曝光进行图形化，露出制备电引出用焊盘15的区域；

步骤5，溅射金属金层14；

步骤6，利用剥离工艺去除光刻胶13和多余的金属金层14，完成电引出用焊盘15的上层金层16的制备；

第三步，划片，完成传感器的制作，如图4所示。

传统的热式风速风向传感器，一般直接利用倒装焊倒装或者导热胶贴附的形式与陶瓷芯片实现封装。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芯片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，这样由于多孔硅的制备工艺一致性很差，对后期传感器的信号调理带来了很大的难度。

本发明是一种在设计的各向异性导热衬底结构上实现自封装的风速风向传感器制备的方案。传感器芯片的各向异性导热衬底7的背面与外界环境中的风相接触，4个加热元件10和4个热传感测温元件11利用剥离工艺制备于各向异性导热衬底7的正表面，于芯片中心呈四边对称分布，加热元件10产生的热量通过各向异性导热衬底7中的硅衬底传导至各向异性导热衬底7的背面与外界环境进行热交换，当外界环境有风存在的时候，就会在各向异性导热衬底7的背面形成一个沿风向方向的温度梯度分布，这个温度分布场会通过各向异性导热衬底7中的硅基传导至各向异性导热衬底7的正表面，热传感测温元件11就能够检测到这个温度场的变化，进而得到风速和风向的信息。在各向异性导热衬底7上表面的加热元件10和热传感测温元件11的位置下方硅衬底之间镶嵌有玻璃隔热内环5和玻璃隔热外环6，用于阻隔加热元件10与热传感测温元件11下方硅衬底之间的横向热传导，增强加热元件10产生的热量在纵向方向的传导总量，那么这样的结构设计能够增大加热元件10产生的热量与外界环境的热交换总量，并阻隔芯片中的热量与芯片外界环境之间的热传导，进而可以使传感器能够在较低功耗下获得较大灵敏度的信号，并保持较低的热响应时间。

实施例2

一种基于各向异性导热衬底结构的热式风速风向传感器，包括各向异性导热衬底7，所述各向异性导热衬底7衬底中围绕中心对称镶嵌有玻璃隔热内环5和玻璃隔热外环6，并且，所述玻璃隔热内环5将向异性导热衬底7分割成各向异性导热衬底7的中心硅衬底及玻璃隔热内环5和玻璃隔热外环6之间的硅衬底，各向异性导热衬底7的中心硅衬底下表面围绕中心对称设置有4个加热元件10，玻璃隔热内环5和玻璃隔热外环6之间的硅衬底下表面围绕4个加热元件10四周设置有4个热传感测温元件11，在各向异性导热衬底7的边沿区域设置有电引出用焊盘15，其中电引出用焊盘15由铂金属层12和金层16组成，4个加热元件10和4个热传感测温元件11通过各向异性导热衬底7背面的金属引线与电引出用焊盘15相连。

Claims (1)

1.一种基于各向异性导热衬底的热式风传感器的制备方法，其特征在于：第一步，各向异性导热衬底的制备

步骤1，在硅芯片（1）正表面利用DRIE干法刻蚀工艺制备100微米左右的环形内槽（2）和环形外槽（3）；

步骤2，将玻璃（4）与硅芯片（1）正表面在真空环境下进行阳极键合，对环形内槽（2）和环形外槽（3）进行真空密封；

步骤3，将键合后玻璃（4）与硅芯片（1）在一个大气压下加热至550℃-900℃温度范围内，进行热成型，环形内槽（2）和环形外槽（3）内外压力差使软化后的玻璃（4）填充至环形内槽（2）和环形外槽（3）中直至填满，冷却，将上述填满的结构退火消除应力；

步骤4，利用机械减薄工艺去除环形内槽（2）中和环形外槽（3）中以外的其他玻璃；

步骤5，利用机械减薄工艺对硅芯片（1）的衬底进行减薄直至露出环形内槽（2）中和环形外槽（3）中的玻璃为止，至此形成玻璃隔热内环（5）和玻璃隔热外环（6），完成各向异性导热衬底（7）的制备，此时各向异性导热衬底（7）的厚度在100微米左右；

第二步，加热元件和热传感测温元件的制备

步骤1，在制备好的各向异性导热衬底（7）上表面悬涂光刻胶（8）并曝光进行图形化，露出制备加热元件（10）、热传感测温元件（11）和电引出用焊盘（15）的区域；

步骤2，利用溅射工艺溅射金属铂层（9）；

步骤3，利用剥离工艺去除光刻胶（8）和多余的金属铂层（9），完成加热元件（10）、热传感测温元件（11）和电引出用焊盘（15）的下层金属铂层（12）的制备；

步骤4，悬涂光刻胶（13）并曝光进行图形化，露出制备电引出用焊盘（15）的区域；

步骤5，溅射金属金层（14）；

步骤6，利用剥离工艺去除光刻胶（13）和多余的金属金层（14），完成电引出用焊盘（15）的上层金层（16）的制备；

第三步，划片，完成传感器的制作，

所述各向异性导热衬底（7）衬底中围绕中心对称镶嵌有玻璃隔热内环（5）和玻璃隔热外环（6），并且，所述玻璃隔热内环（5）将各向异性导热衬底（7）分割成各向异性导热衬底（7）的中心硅衬底及玻璃隔热内环（5）和玻璃隔热外环（6）之间的硅衬底，各向异性导热衬底（7）的中心硅衬底上表面围绕中心对称设置有4个加热元件（10），玻璃隔热内环（5）和玻璃隔热外环（6）之间的硅衬底上表面围绕4个加热元件（10）四周设置有4个热传感测温元件（11），在各向异性导热衬底（7）的边沿区域设置有电引出用焊盘（15），其中电引出用焊盘（15）由金属铂层（12）和金层（16）组成。

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