[发明专利]基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低功耗高灵敏度的热式风速风向传感器，尤其涉及一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器及其封装方法。

背景技术

热风速风向传感器在风速、风向的测量中有广泛的应用，而随着近些年国内外自然灾害逐步增多，对于气象监测的要求越来越高，因此实现低功耗高灵敏度的热风速风向传感器具有重要的意义。在基于CMOS工艺的热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。一方面其封装材料既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，热式风速风向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

发明目的：本发明根据以往硅风速风向传感器存在的问题，提出了一种利用衬底转移工艺实现的基于陶瓷封装CMOS集成的热式风速风向传感器及其封装方法，设计结构在保证与标准CMOS工艺兼容以及实现圆片级封装的同时，能够完全消除加热元件在硅基衬底上的热传导，在低功耗的条件下可以获得较高的灵敏度；并通过最后一步反应离子刻蚀技术，解决在圆片级封装过程中的电引出问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷基板和传感芯片，传感芯片包括二氧化硅绝热层，在二氧化硅绝热层的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘，二氧化硅绝热层的正面和陶瓷基板的正面通过粘合剂胶体实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；粘合剂胶体为导热材质。

具体的，所述传感芯片中：加热元件以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件同样以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件设置在加热元件的外侧，用以感应温度场的分布；通过相对的测温元件上的热温差来反应风速和风向信息。

一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器封装方法，包括如下步骤：

(1)制备陶瓷基板和基于硅衬底的传感芯片，基于硅衬底的传感芯片的结构为：在硅衬底上设置有二氧化硅绝热层，在二氧化硅绝热层的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘；

(2)将二氧化硅绝热层的正面和陶瓷基板的正面之间通过粘合剂胶体实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；

(3)使用腐蚀与研磨的方法完全去除硅衬底。

具体的，所述步骤(2)中，键合过程环境温度低于400℃，与CMOS工艺兼容。

具体的，所述步骤(1)中，基于硅衬底的传感芯片制备过程如下：

(11)在硅衬底上氧化或淀积一层二氧化硅绝热层；

(12)在二氧化硅绝热层上加工生长金属层；

(13)利用光刻和刻蚀工艺对金属层进行图形化；

(14)去除光刻胶形成加热元件、测温元件和焊盘。

具体的，所述步骤(12)中，金属层为金属铝层。