硅热流量传感器及其封装

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1、万方数据越藏褥国撩鳓戮鹈MEMSDevice＆Technology硅热流量传感器及其封装高冬晖，秦明(东南大学MEMS教育部重点实验室，江苏南京210096)摘要：在介绍硅热流量传感器的工作原理、工艺方法的基础上，重点给出了目前硅热流量传感器特别是风速计的几种常用结构以及相应的封装形式，并对每种结构及其封装形式的优缺点进行了分析。最后对硅热流量传感器封装发展中尚待解决的问题以及未来发展趋势进行了讨论。关键词：硅热流量传感器；风速计；封装中图分类号：TP212；TN305．94文献标识码：A文章编号：1671．4776(2004)05—0045

2、—07SiliconflowsensorsanditspackagingGAODong—hui，QINMing(KeyLaboratoryofMEMSofEducationMinistry，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China)Abstract：Theoperatingprincipleandthefabricationtechnologyofthesolid-statethermalflowsensorareintroduced．Thestructures，thepackagingtypeandth

3、efeaturesofthesolid—statether—malflowsensorespeciallythewindsensorarealsodiscussedindetails．Atlast，thechallengesforthedevelopmentofthewindsensorpackageanditsfuturedirectionarediscussed．Keywords：siliconflowsensor；windsensor；packaging1引言流体传感器在很多领域都有重要用途，如环境检测和控制系统、室内空气调节系统、天气

4、预报系统等。因此，自从1974年第一个硅热流传感器被开发以来，硅热流传感器得到了迅速的发展，并得到广泛的运用。目前硅热流量传感器已经发展成基于3种工作原理、5种工作方式的小家族。敏感元件从最初的P型扩散电阻发展到今天的薄膜型P型多晶硅／n型多晶硅热电堆；使用的电路结构也由最初的惠斯通电桥发展到今天的包括ADC在内的复杂电路；采用的工艺从最初的双极型工艺发展到今天的CMOSMEMS工艺；器件功能也从一维单一测流体流速、流向到今天的三维单芯片的多功能化(可同时测流速、流向、温度、收稿日期：2003—10-29基金项目：江苏省自然科学基金(BK20

5、03052)资助压力等)口]。同时，流体传感器与信号处理电路的集成也得到很大的发展，实现了微型化、智能化、数字化，大大提高了整体的性能。当然，流体传感器要实现真正的商业化，需解决其封装环节。同其他的MEMS器件的封装一样，热流量传感器的封装也没有标准可循，只有针对不同的结构特点和性能要求，来设计出满意的封装。目前，国内外对热流量传感器的封装主要采用贴陶瓷片封装⋯和flip—chip⋯封装等，但离真正的实用化还有一定的距离。目前，封装正成为热流量传感器商用化发展的瓶颈之。。一O目前的流体传感器一族，研究的重点在硅热流量风速传感器。这里就以硅热流

6、量风速计为例，来介绍它的结构及其相应的封装形式。o微纳电子技术2004年第5期万方数据磁鲢癣国鼐勘热鹬MEMSDevice＆Technology2硅热流量传感器2．1工作原理早期，热流量风速传感器的工作原理主要是热损失型C4]，即根据热损失量和流体的关系来求得流体的某些性质。目前，研制的热流量传感器的工作原理主要是基于均匀加热的平板表面在冷风吹动下形成的温度梯度，如图1所示。在吹风时，平板上原本对称的温度分布将不再对称，以中心对称的两点之间会产生温度差，如图1中的A，B两点。温度梯度大小是风速大小的函数，其梯度方向和流体方向一致。这样，通过测

7、量该温度梯度，可以求得风速和风向。平板加热部分图1风速计的工作原理2。2实现工艺目前热流量传感器一般采用传统的IC工艺加后道MEMS工艺(如平面加工和体加工)。采用传统IC工艺，虽然会有材料和膜厚的限制，但可以得益于IC工艺加工中的很多经验；另外，IC工艺使得MEMS器件和电路集成在一起成为可能。采用平面加工或体加工，主要是用来形成一层隔热膜，提高热流传感器的敏感度等性能。当然，要保证两种工艺的兼容，对后道MEMS工艺会有温度等条件的限制瞪]。2．3热流量传感器的结构为了提高风速传感器的性能和便于后道封装，各国研制出了多种传感器结构。按功能可

8、分为单纯风速测量、单纯风向测量以及能同时测量风速和风向的传感器。2．3．1单纯测量风速的热流量传感器测量风速的一维风速计的代表是瑞士ETHZurich大学物理电子实