專利名稱：基于微機(jī)械加工的風(fēng)速傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種測量風(fēng)速大小和風(fēng)向的集成風(fēng)速傳感器，尤其是一種采用體硅電阻作為測溫單元，采用硅襯底傳熱的風(fēng)速傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)速計(jì)在氣象、交通和戶外工作領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的風(fēng)速測量采用機(jī)械的方法來實(shí)現(xiàn)，但體積大、成本高、功耗大，易磨損。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用硅材料的熱流量風(fēng)速傳感器克服了體積大，功耗高等缺點(diǎn)。這種硅熱流量傳感器一般基于MEMS(微機(jī)械加工)工藝，用鉑電阻作為加熱和測溫單元；或者采用CMOS(互補(bǔ)金屬-氧化物-硅)工藝，多晶硅條或硅襯底上的注入條作為加熱單元，熱堆作為測溫單元。這些結(jié)構(gòu)中，加熱單元和測溫單元直接的熱耦合較大，嚴(yán)重影響傳感器的靈敏度；另外，作為熱流量傳感器，芯片需要和流體直接接觸，而同時引線等芯片部件需要封裝保護(hù)，故該風(fēng)速傳感器的封裝比較困難。目前，一般采用的封裝形式是倒裝焊，工藝復(fù)雜，成本較高，且封裝后的性能也存在一定的問題?？梢哉f，硅熱流量風(fēng)速傳感器的封裝已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了硅傳感器的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種采用體硅電阻作為測溫單元、易封裝的基于微機(jī)械加工的風(fēng)速傳感器及其制造方法。
技術(shù)方案本發(fā)明提出了一種風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器的整個結(jié)構(gòu)集成在硅襯底上，中心部分由四個長方形的加熱條組成一個正方形，在每個加熱條外對稱分布有體硅測溫電阻，在體硅測溫電阻與加熱條之間有內(nèi)ICP槽，在體硅測溫電阻的外側(cè)設(shè)有外ICP槽，體硅測溫電阻通過兩端很窄的窄硅與整個硅襯底連接；加熱條與體硅測溫電阻之間的內(nèi)ICP槽作為熱隔離。
在硅襯底的上表面設(shè)有一層氧化層，在氧化層的上表面設(shè)有一層低溫二氧化硅；在外ICP槽外的氧化層上設(shè)有多晶硅；體硅測溫電阻的上面是磷注入，在磷注入的上面是金屬鋁；加熱條的上面是硼注入，在硼注入的上面是金屬鋁。
制造方法為a)在N型硅襯底上生長一層氧化層，光刻并腐蝕內(nèi)ICP槽以及外ICP槽、注入加熱條的有緣區(qū)；b)在氧化的硅片上淀積一層多晶硅52，通過光刻形成多晶硅電阻，作為電橋測量的固定電阻；c)光刻注入?yún)^(qū)，腐蝕出注入口，并進(jìn)行高濃度的硼注入，作為加熱條；高濃度的磷注入，作為襯底以及體硅引出的接觸區(qū)；d)進(jìn)行低溫二氧化硅淀積，并腐蝕出引線接觸窗口；e)淀積金屬鋁(54)，光刻鋁引線，腐蝕鋁；f)淀積鈍化層，光刻鈍化層；g)光刻ICP槽區(qū)，并進(jìn)行ICP刻蝕；h)背面減薄，釋放出體硅電阻的結(jié)構(gòu)。
其工作原理中間部分的加熱條，由于正面絕熱膠體的存在，故產(chǎn)生的熱都通過硅襯底，向空氣中進(jìn)行對流散熱。由于加熱部分和測溫部分之間的良好隔熱，加熱單元絕大部分的熱通過空氣對流散出。當(dāng)無風(fēng)時，加熱部分硅產(chǎn)生的熱是對稱分布的，故四周對稱分布的體硅的測得的溫度都相等，體硅電阻也是相等的。當(dāng)風(fēng)速沿一定方向時，這時溫度的分布不再對稱，下游處的溫度要比上游處高。故此時相對的體硅電阻的變化，可以反映風(fēng)速和風(fēng)向。兩個體硅電阻的變化可以通過電橋來測量。
有益效果本發(fā)明采用硅襯底上的濃注入條作為加熱單元，使得熱通過硅襯底向空氣中對流，故采用硅襯底背面作為感應(yīng)面，因此其封裝也比較簡單，不需要復(fù)雜的封裝工藝，面可以采用傳統(tǒng)的IC封裝方法來實(shí)現(xiàn)。同時，采用體硅電阻作為測溫單元，該電阻可以反映一定面積的平均溫度，相對于熱偶等測溫單元只能測某個點(diǎn)或線的溫度，該體硅電阻的測溫單元，更能反映整個溫度分布及其變化的情況。另外，加熱單元和測溫單元之間的隔熱槽，使得橫向傳熱很小，能大大提高傳感器的靈敏度。本發(fā)明傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝加MEMS后處理，加工簡單，適合于大批量的生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的芯片表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明圖1水平中心線處剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是采用印刷線路版(PCB)封裝的剖面圖；圖4是采用背面貼陶瓷封裝的剖面圖；以上的圖中有體硅測溫電阻1、磷注入11、加熱條2、硼注入21、內(nèi)ICP槽31、外ICP槽32、窄硅4、硅襯底5、氧化層51、多晶硅52、低溫二氧化硅53、金屬鋁54；絕源絕熱基板60，引線61，絕熱膠62，陶瓷片70。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是用于風(fēng)速和風(fēng)向信號敏感的微型風(fēng)速傳感器。該傳感器的整個結(jié)構(gòu)集成在硅襯底5上，中心部分由四個長方形的加熱條2組成一個正方形，在每個加熱條2外對稱分布有體硅測溫電阻1，在體硅測溫電阻1與加熱條2之間設(shè)有內(nèi)ICP槽31，在體硅測溫電阻1的外側(cè)設(shè)有外ICP槽32，體硅測溫電阻1通過兩端很窄的窄硅4與整個硅襯底5連接；加熱條2與體硅測溫電阻1之間的內(nèi)ICP槽31作為熱隔離。在硅襯底5的上表面設(shè)有一層氧化層51，在氧化層51的上表面設(shè)有一層低溫二氧化硅53；在外ICP槽32外的氧化層51上設(shè)有多晶硅52；體硅測溫電阻1的上面是磷注入11，在磷注入11的上面是金屬鋁54；加熱條2的上面是硼注入21，在硼注入21的上面是金屬鋁54。
該傳感器可以通過下面的工藝步驟完成在硅襯底5上長一層氧化層，并淀積一層氮化硅，進(jìn)行有緣區(qū)光刻，光刻出注入?yún)^(qū)和ICP區(qū)；干法腐蝕氮化硅，并進(jìn)行場氧化51；去淡化硅；多晶硅52淀積，光刻并腐蝕，得到電橋的固定電阻。硼(B+)注入光刻，并進(jìn)行注入，作為加熱電阻條21；進(jìn)行磷(P+)注入光刻，并注入，作為體電阻的引出接觸點(diǎn)11；低溫二氧化硅53淀積，光刻引線孔；腐蝕引線孔，淀積金屬鋁54；光刻鋁引線，腐蝕鋁；合金化；鈍化；鈍化光刻，并干法腐蝕鈍化層，將ICP刻蝕的地方刻到硅露出為止；正面ICP光刻，并ICP刻蝕，刻出約250um槽；采用背面減薄，一直到整個結(jié)構(gòu)都釋放出來。
封裝方法本傳感器由于采用硅背面作為感應(yīng)面，因此其封裝可以采用傳統(tǒng)的IC封裝方法，簡單而且成本低，見圖3所示。具體封裝過程a)準(zhǔn)備絕源絕熱基板60，中間有一個和傳感器大小差不多的孔；b)傳感器襯底5背面向上，貼到組裝基板上，使得硅襯底背面有足夠面積和風(fēng)平穩(wěn)接觸；c)對傳感器正面，采用引線61，進(jìn)行常規(guī)的鍵合引線。d)硅表面用絕熱膠62包覆，保護(hù)硅芯片和引線，同時使得膠體填充ICP孔。另外，也可以采用如圖4所示的封裝方法，整個芯片背面貼到陶瓷片70上進(jìn)行組裝，其他方面和上面的封裝方法相同。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械加工的風(fēng)速傳感器，其特征在于傳感器的整個結(jié)構(gòu)集成在硅襯底(5)上，中心部分由四個長方形的加熱條(2)組成一個正方形，在每個加熱條(2)外對稱分布有體硅測溫電阻(1)，在體硅測溫電阻(1)與加熱條(2)之間設(shè)有內(nèi)ICP槽(31)，在體硅測溫電阻(1)的外側(cè)設(shè)有外ICP槽(32)，體硅測溫電阻(1)通過兩端很窄的窄硅(4)與整個硅襯底(5)連接；加熱條(2)與體硅測溫電阻(1)之間的內(nèi)ICP槽(31)作為熱隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)械加工的風(fēng)速傳感器，其特征在于在硅襯底(5)的上表面設(shè)有一層氧化層(51)，在氧化層(51)的上表面設(shè)有一層低溫二氧化硅(53)；在外ICP槽(32)外的氧化層(51)上設(shè)有多晶硅(52)；體硅測溫電阻(1)的上面是磷注入(11)，在磷注入(11)的上面是金屬鋁(54)；加熱條(2)的上面是硼注入(21)，在硼注入(21)的上面是金屬鋁(54)。
3.一種如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)械加工的風(fēng)速傳感器的制造方法，其特征在于制造方法為a)在N型硅襯底(5)上長一層氧化層(51)，光刻并腐蝕內(nèi)ICP槽(31)以及外ICP槽(32)，注入加熱條(2)的有緣區(qū)；b)在氧化的硅片上淀積一層多晶硅52，通過光刻形成多晶硅電阻，作為電橋測量的固定電阻；c)光刻注入?yún)^(qū)，腐蝕出注入口，并進(jìn)行高濃度的硼注入21，作為加熱條(2)；高濃度的磷注入(11)，作為襯底以及體硅引出的接觸區(qū)；d)進(jìn)行低溫二氧化硅(53)淀積，并腐蝕出引線接觸窗口；e)淀積金屬鋁(54)，光刻鋁引線，腐蝕鋁；f)淀積鈍化層，光刻鈍化層；g)光刻ICP槽區(qū)，并進(jìn)行ICP刻蝕；h)背面減薄，釋放出體硅電阻的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
基于微機(jī)械加工的風(fēng)速傳感器及其制造方法是一種采用體硅電阻作為測溫單元，采用硅襯底傳熱的風(fēng)速傳感器及其制造方法，傳感器的整個結(jié)構(gòu)集成在硅襯底(5)上，制造方法為a)在N型硅襯底(5)上長一層氧化層(51)，光刻并腐蝕內(nèi)ICP槽(31)以及外ICP槽(32)，注入加熱條(2)的有緣區(qū)；b)在氧化的硅片上淀積一層多晶硅52，通過光刻形成多晶硅電阻；c)光刻注入?yún)^(qū)；高濃度的磷注入(11)，作為襯底以及體硅引出的接觸區(qū)；d)進(jìn)行低溫二氧化硅(53)淀積，并腐蝕出引線接觸窗口；e)淀積金屬鋁(54)，光刻鋁引線，腐蝕鋁；f)淀積鈍化層，光刻鈍化層；g)光刻ICP槽區(qū)，并進(jìn)行ICP刻蝕；h)背面減薄，釋放出體硅電阻的結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01P5/10GK1588091SQ200410064949
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者高冬暉, 秦明, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)