高性能热式风速计关键工艺研究

发布时间：2020-09-16 10:08

　　 随着半导体技术的发展,MEMS热式风速传感器基于其体积小,功耗小,可批量化生产等方式,逐渐替代了传统的具有可动结构的风速计,大批量的应用于天气预测、交通指引、农业种植,工业制造等领域,为人们的生活带来极大的便利。本文针对实验室已有的二维热式风速传感器芯片,提出了一种基于低温共烧陶瓷工艺(Low Temperature Cofired Ceramic,LTCC)的MEMS热式风速计芯片的封装方式,采用低温共烧硅片陶瓷替代原有的手工胶贴硅片陶瓷的方式。本文所提出的封装方式改善了原有封装导热胶不均匀性带来的传感器一致性问题,减小了封装层面积,同时为芯片隔热槽提供了支撑作用,旨在提高风速计的灵敏度。首先通过COMSOL进行风场模拟,初步验证其性能。其次对低温共烧陶瓷的工艺进行研究,通过COMSOL进行热应力仿真,为实验提供导向作用,再针对本文所涉及对象,调整工艺流程,反复进行多次实验,旨在将陶瓷完全烧结在硅片表面,同时保证其粘附性、表面致密度、热应力满足风速传感器封装的要求。最后,对实验样品进行测试分析,通过对不同实验样品的表面形态、致密度、厚度收缩率、粘附性、热应力等参数的分析,获得最佳的实验结果。实验表明,匀胶机转速系数处于7.5-12.5之间时,陶瓷的表面致密度大;升温速度选择10℃/min,封装层热应力在允许范围内,达到封装要求;最低烧结温度为850℃时,玻璃的流动性满足烧结要求;保温时间选取3h,即可给予玻璃熔融物充足的流动时间。实验参数满足上述条件时,陶瓷配比50%,气孔率为7%左右;陶瓷配比为40%时,气孔率接近0。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN405;TP212
【部分图文】：

具有体积小、便携性强等优点，且传感结构不需要直接暴露在空气中因素影响，使用寿命长、封装简单，较好地提高了传感器的性能；同传感器可以在小风速的情况下也具有较高的灵敏度和精确度，这是其备的。将从芯片封装的角度入手，首次提出一种基于 LTCC[4-6](Low Tempmic)的新型封装方式，改善传感器的一致性和灵敏度的同时，为硅衬供支撑作用，最后对陶瓷封装层性能指标进行测试分析。以实现风速，达到课题的要求。外 MEMS 热式风速传感器研究进展风速风向传感器研究最早在荷兰代尔夫特大学展开，至今为止其获得 1974 年，基于对热风速风向传感器工作原理和检测原理的分析，Va出基于 IC 工艺的热损失型流量传感器的概念，如图 1-1 所示，图((b)为芯片内部电路结构图，其利用多晶硅电阻作为加热测温电阻，与压加热的惠斯通电桥，实现热电的转换，获取风速信息[7-9]。

（a） （b）1-2 Huijsing 等人提出的热式风速传感器：（a）一维热电子型风速传感器;（b）二维热电堆型风速传感器；以看出在国外的热风速计研究发展进程中，荷兰的代尔夫特大学起一次都为热风速计的发展带来突破性的进展，当然国外其他从事也为热风速计的发展带来了不可或缺的贡献，许多优秀的热风速计88 年，瑞士查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的通过湿法腐蚀形成氮化硅悬臂梁提高灵敏度的风速计[15]。1994 年瑞，Zurich)的 Paul 和 Baltes 等人提出了四交叉悬臂梁结构的风速计灵敏度[16]。2014 年，新加坡南洋理工大学（NanyangTechnologicalUn出了基于突起玻璃泡结构的热损失型风速传感器优化了灵敏度[17] MEMS 热风速计起步较晚，目前热风计的研究主要集中在东南大学5 年该实验室 YanqingZhu 等人提出了一种基于玻璃热回流工艺在孔的 MEMS 热式风速传感器[18]，如图 1-3 所示。

（a） （b）1-2 Huijsing 等人提出的热式风速传感器：（a）一维热电子型风速传感器（b）二维热电堆型风速传感器；以看出在国外的热风速计研究发展进程中，荷兰的代尔夫特大一次都为热风速计的发展带来突破性的进展，当然国外其他也为热风速计的发展带来了不可或缺的贡献，许多优秀的热风88 年，瑞士查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technolo通过湿法腐蚀形成氮化硅悬臂梁提高灵敏度的风速计[15]。1994，Zurich)的 Paul 和 Baltes 等人提出了四交叉悬臂梁结构的风灵敏度[16]。2014 年，新加坡南洋理工大学（NanyangTechnologica出了基于突起玻璃泡结构的热损失型风速传感器优化了灵敏 MEMS 热风速计起步较晚，目前热风计的研究主要集中在东南5 年该实验室 YanqingZhu 等人提出了一种基于玻璃热回流工孔的 MEMS 热式风速传感器[18]，如图 1-3 所示。

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本文编号：2819731