[实用新型]一种具有热隔离结构的热式风速风向传感器

说明书

技术领域

本实用新型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。

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。

实用新型内容

本实用新型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。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。

本实用新型采用如下技术方案：

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。

本实用新型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。本实用新型传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。

本实用新型获得如下效果：