CMOS熱風(fēng)速傳感器的設(shè)計和封裝.pdf

1、風(fēng)速的測量在很多領(lǐng)域都有很重要的作用，如天氣預(yù)報、環(huán)境檢測和控制、運動休閑、戶外活動等方面。國內(nèi)外的很多科學(xué)家都在致力于該方面的研究，尤其是對硅熱風(fēng)速傳感器的研究最為活躍，某些傳感器已接近于商業(yè)化生產(chǎn)。與采用易磨損的機械結(jié)構(gòu)部件的風(fēng)速傳感器相比，基于硅的風(fēng)速傳感器的最大的優(yōu)點就在于由于其小型化和能夠采用標準的CMOSMEMS工藝批量制造導(dǎo)致的高可靠性和低成本。目前，基于CMOS工藝或MEMS技術(shù)的硅熱流量風(fēng)速傳感器成為熱點，如荷蘭和瑞士

2、等國研制的CMOS集成風(fēng)速傳感器。 本文闡述了熱風(fēng)速傳感器的工作原理，并采用有限元工具ANSYS對風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)進行了熱學(xué)模擬。重點設(shè)計了三種采用CMOS工藝實現(xiàn)的熱風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)，可以同時測量風(fēng)速和風(fēng)向，這些結(jié)構(gòu)均采用多晶硅電阻作為加熱元件，采用恒定溫差控制來測量風(fēng)速。第一種結(jié)構(gòu)采用poly/Al熱電堆和寄生雙極型晶體管作為測溫單元，整個結(jié)構(gòu)完全對稱。第二種結(jié)構(gòu)采用多晶硅電阻作為測溫元件，測量芯片上的溫度分布的變化。第三種

3、采用寄生晶體管作為溫敏元件測量溫度分布的變化。他們采用熱損失型測量原理來測量風(fēng)速的變化。前一種采用三角函數(shù)的關(guān)系計算風(fēng)向，后兩種均是采用高斯擬合的方法來計算風(fēng)向。 目前，阻礙熱風(fēng)速傳感器進一步發(fā)展的重要因素是其封裝。對于熱風(fēng)速傳感器，要求傳感器的敏感部分暴露在測試環(huán)境中，同時要求處理電路與環(huán)境隔離，以免影響處理電路的性能，兩者對封裝的要求產(chǎn)生了矛盾。所以，在考慮封裝時，要兼顧兩者。本論文設(shè)計了風(fēng)速傳感器的封裝，采用基于銅柱凸點技

4、術(shù)的倒封裝(Flip-Chip)的工藝，將傳感器芯片倒裝焊到薄層陶瓷基板上，陶瓷片的正面用作風(fēng)的感應(yīng)面，而背面則實現(xiàn)芯片的電氣連接。同時本文也考慮了在芯片背面貼薄層陶瓷片或薄層金屬片的封裝形式。為了提高風(fēng)速傳感器的性能，對該結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器還設(shè)計了背面腐蝕的CMOS后處理工藝，得到懸浮膜的結(jié)構(gòu)，從而可以提高傳感器的靈敏度、減小功耗和反應(yīng)時間。 針對傳感器工作的特點和要求設(shè)計了控制和處理電路。在測試中，采用恒溫差的控制方法，通過調(diào)

5、節(jié)加熱條上的加熱功率來保證恒溫差的控制。通過測量加熱條上的電壓可以反應(yīng)風(fēng)速的大小。同時，風(fēng)向的測試可以通過兩個垂直方向上熱電堆的輸出差的比值計算得到。該風(fēng)速傳感器沒有風(fēng)速量程限制。整個流速范圍可以達到30m/s以上，偏差不大于0.5m/s。風(fēng)向的誤差為50°。封裝后的傳感器功耗最大值小于100mw。和未封裝的同類傳感器相比，具有較大的輸出分辨率，易于采用電路進行控制和信號處理。 由于傳感器采用CMOS全兼容的工藝設(shè)計并制造，因此