[发明专利]基于减薄工艺的热式风速风向传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的热式风速风向传感器，采用标准CMOS集成电路工艺制备传感器芯片，尤其涉及一种低功耗的基于陶瓷封装的集成风速风向传感器及其制备方法。

背景技术

在CMOS集成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系统较大的功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用硅衬底减薄工艺技术实现的圆片级封装的基于减薄工艺的热式风速风向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，传感器系统具有较低的功耗。

本发明采用如下技术方案：

一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片，所述减薄硅芯片的背面通过导热胶连接有陶瓷基板，在减薄硅芯片的正面设有N阱，在N阱上设有氧化层，在N阱的中部设有4个扩散电阻加热元件及4个热传感测温元件，4个热传感测温元件为热电偶测温元件且分布于4个扩散电阻加热元件的四周，在氧化层的边缘区域设有电引出焊盘，4个扩散电阻加热元件的电引出焊盘及4个热传感测温元件的电引出焊盘分别通过金属引线与电引出焊盘连接，在4个扩散电阻加热元件和4个热传感测温元件之间设置有热隔离槽，所述热隔离槽深及减薄硅芯片衬底中。

一种基于减薄工艺的热式风速风向传感器的制备方法如下所述：

第一步，硅芯片的制备

步骤1，在硅芯片表面热生长第一热氧化层；

步骤2，在第一热氧化层上化学气相淀积氮化硅层；

步骤3，利用RIE技术对硅芯片进行刻蚀，定义有源区；

步骤4，化学气相淀积第二氧化层；

步骤5，利用CMP技术对硅芯片进行抛光处理；

步骤6，湿法腐蚀去除氮化硅层，制备完成场氧化层；

步骤7，磷离子注入，制备N阱；

步骤8，热生长栅氧化层；

步骤9，硼离子注入，制备加热元件和热传感测温元件的一个端；

步骤10，化学气相淀积第三氧化层，其中第一热氧化层、第二氧化层和第三氧化层合并为一个氧化层；

步骤11，利用干法刻蚀工艺制备热传感测温元件上通孔和加热元件上通孔；

步骤12，利用溅射工艺制备电引出用铝焊盘和热传感测温元件的另一个端以及加热元件电引出焊盘；

步骤13，利用干法刻蚀工艺在加热元件和热传感测温元件之间制备热隔离槽；

第二步，减薄和封装

步骤1，在硅芯片的正面悬涂石蜡层；

步骤2，在80℃环境温度下通过石蜡层在硅芯片的正面粘附载玻片；

步骤3，利用减薄工艺对硅芯片的衬底进行减薄直至衬底厚度为80微米到100微米范围，得到减薄硅芯片；

步骤4，在减薄硅芯片背面悬涂导热胶，并贴敷陶瓷基板，在环境温度100℃下对导热胶进行固化；

步骤5，在80℃环境温度下去除载玻片和石蜡层；

第三步，划片，完成风速风向传感器的制备。