CMOS熱風(fēng)速傳感器的設(shè)計(jì)和封裝.pdf

1、風(fēng)速的測(cè)量在很多領(lǐng)域都有很重要的作用，如天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境檢測(cè)和控制、運(yùn)動(dòng)休閑、戶外活動(dòng)等方面。國(guó)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(duì)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(jī)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(diǎn)就在于由于其小型化和能夠采用標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，如荷蘭和瑞士

2、等國(guó)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(duì)風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱學(xué)模擬。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了三種采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的熱風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)溫單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱。第二種結(jié)構(gòu)采用多晶硅電阻作為測(cè)溫元件，測(cè)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(cè)量溫度分布的變化。他們采用熱損失型測(cè)量原理來(lái)測(cè)量風(fēng)速的變化。前一種采用三角函數(shù)的關(guān)系計(jì)算風(fēng)向，后兩種均是采用高斯擬合的方法來(lái)計(jì)算風(fēng)向。 目前，阻礙熱風(fēng)速傳感器進(jìn)一步發(fā)展的重要因素是其封裝。對(duì)于熱風(fēng)速傳感器，要求傳感器的敏感部分暴露在測(cè)試環(huán)境中，同時(shí)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(duì)封裝的要求產(chǎn)生了矛盾。所以，在考慮封裝時(shí)，要兼顧兩者。本論文設(shè)計(jì)了風(fēng)速傳感器的封裝，采用基于銅柱凸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)芯片的電氣連接。同時(shí)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(duì)該結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器還設(shè)計(jì)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(shí)間。 針對(duì)傳感器工作的特點(diǎn)和要求設(shè)計(jì)了控制和處理電路。在測(cè)試中，采用恒溫差的控制方法，通過(guò)調(diào)

5、節(jié)加熱條上的加熱功率來(lái)保證恒溫差的控制。通過(guò)測(cè)量加熱條上的電壓可以反應(yīng)風(fēng)速的大小。同時(shí)，風(fēng)向的測(cè)試可以通過(guò)兩個(gè)垂直方向上熱電堆的輸出差的比值計(jì)算得到。該風(fēng)速傳感器沒(méi)有風(fēng)速量程限制。整個(gè)流速范圍可以達(dá)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(jìn)行控制和信號(hào)處理。 由于傳感器采用CMOS全兼容的工藝設(shè)計(jì)并制造，因此