基于微機械加工的風速傳感器制造技術

基于微機械加工的風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速傳感器及其制造方法，傳感器的整個結構集成在硅襯底（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ＩＣＰ槽（３１）以及外ＩＣＰ槽（３２），注入加熱條（２）的有緣區；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）光刻注入區；高濃度的磷注入（１１），作為襯底以及體硅引出的接觸區；ｄ）進行低溫二氧化硅（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，并進行ＩＣＰ刻蝕；ｈ）背面減薄，釋放出體硅電阻的結構。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是一種測量風速大小和風向的集成風速傳感器，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速傳感器及其制造方法。
技術介紹
風速計在氣象、交通和戶外工作領域都有廣泛的應用。傳統的風速測量采用機械的方法來實現，但體積大、成本高、功耗大，易磨損。隨著集成電路技術的發展，采用硅材料的熱流量風速傳感器克服了體積大，功耗高等缺點。這種硅熱流量傳感器一般基于MEMS(微機械加工)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。這些結構中，加熱單元和測溫單元直接的熱耦合較大，嚴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，故該風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，工藝復雜，成本較高，且封裝后的性能也存在一定的問題。可以說，硅熱流量風速傳感器的封裝已經嚴重阻礙了硅傳感器的發展。
技術實現思路
技術問題本專利技術的目的是提供一種采用體硅電阻作為測溫單元、易封裝的。技術方案本專利技術提出了一種風速傳感器結構。傳感器的整個結構集成在硅襯底上，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ICP槽，在體硅測溫電阻的外側設有外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ICP槽作為熱隔離。在硅襯底的上表面設有一層氧化層，在氧化層的上表面設有一層低溫二氧化硅；在外ICP槽外的氧化層上設有多晶硅；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ICP槽以及外ICP槽、注入加熱條的有緣區；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)光刻注入區，腐蝕出注入口，并進行高濃度的硼注入，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；d)進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，并進行ICP刻蝕；h)背面減薄，釋放出體硅電阻的結構。其工作原理中間部分的加熱條，由于正面絕熱膠體的存在，故產生的熱都通過硅襯底，向空氣中進行對流散熱。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。當無風時，加熱部分硅產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。當風速沿一定方向時，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，可以反映風速和風向。兩個體硅電阻的變化可以通過電橋來測量。有益效果本專利技術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面，因此其封裝也比較簡單，不需要復雜的封裝工藝，面可以采用傳統的IC封裝方法來實現。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。本專利技術傳感器采用標準的CMOS工藝加MEMS后處理，加工簡單，適合于大批量的生產。附圖說明圖1是本專利技術的芯片表面結構示意圖；圖2是本專利技術圖1水平中心線處剖視結構示意圖；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。具體實施例方式本專利技術是用于風速和風向信號敏感的微型風速傳感器。該傳感器的整個結構集成在硅襯底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之間設有內ICP槽31，在體硅測溫電阻1的外側設有外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ICP槽31作為熱隔離。在硅襯底5的上表面設有一層氧化層51，在氧化層51的上表面設有一層低溫二氧化硅53；在外ICP槽32外的氧化層51上設有多晶硅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，進行有緣區光刻，光刻出注入區和ICP區；干法腐蝕氮化硅，并進行場氧化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，并進行注入，作為加熱電阻條21；進行磷(P+)注入光刻，并注入，作為體電阻的引出接觸點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，一直到整個結構都釋放出來。封裝方法本傳感器由于采用硅背面作為感應面，因此其封裝可以采用傳統的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平穩接觸；c)對傳感器正面，采用引線61，進行常規的鍵合引線。d)硅表面用絕熱膠62包覆，保護硅芯片和引線，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上進行組裝，其他方面和上面的封裝方法相同。權利要求1.一種基于微機械加工的風速傳感器，其特征在于傳感器的整個結構集成在硅襯底(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)之間設有內ICP槽(31)，在體硅測溫電阻(1)的外側設有外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ICP槽(31)作為熱隔離。2.根據權利要求1所述的基于微機械加工的風速傳感器，其特征在于在硅襯底(5)的上表面設有一層氧化層(51)，在氧化層(51)的上表面設有一層低溫二氧化硅(53)；在外ICP槽(32)外的氧化層(51)上設有多晶硅(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)。3.一種如權利要求1所述的基于微機械加工的風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ICP槽(31)以及外ICP槽(32)，注入加本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于微機械加工的風速傳感器，其特征在于傳感器的整個結構集成在硅襯底（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）之間設有內ＩＣＰ槽（３１），在體硅測溫電阻（１）的外側設有外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ＩＣＰ槽（３１）作為熱隔離。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：高冬暉，秦明，黃慶安，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：84[中國|南京]