CMOS集成二维风速传感器的研究

论文题目: CMOS集成二维风速传感器的研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 微电子与固体电子学

作者: 高冬晖

导师: 秦明

关键词: 硅风速传感器,工艺,倒装焊,自封装

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 风速传感器在工农业生产、动植物生长以及人们的日常生活中都有非常重要的作用。随着基于硅技术的集成电路(IC)工艺的发展,人们正在努力尝试采用集成电路工艺来制作风速传感器,实现小体积,低功耗,高灵敏度且低成本的硅风速传感器。因此,硅风速传感器正成为国内外研究的热点。同时,采用IC标准CMOS工艺,使得传感器和电路的片上集成成为可能,可以实现高性能的片上系统。目前,荷兰和瑞士等国的科学家正在致力于该方面的研究,并已经有实用化的产品。本论文设计了一种二维硅热风速传感器,可以同时测量风速和风向。该结构利用标准的CMOS工艺进行加工。结构中加热条采用多晶硅制作,测温单元是多晶硅和铝的热堆,整个结构完全对称。在测试中,采用恒温差控制方法,通过调节加热条上的电压,来调节芯片的温度,保证恒温差的控制。在控制电路中,通过测量加热条上的电压反应风速的大小;同时,风向的测试可以通过两个垂直方向上对边热堆的输出差的比值得到。本论文从理论上阐述了热风速传感器的工作原理,并采用有限元工具ANSYS对一维以及二维风速传感器进行细致的模拟,分析了一维传感器的输出特性和传感器几何尺寸的关系,重点考虑了风速量程、灵敏度和几个关键尺寸(如加热条和测温单元的间距和流体沟道)的关系,并给出了最优化尺寸;同时,分析二维传感器两个垂直方向输出随风速的关系,提出了三角函数法测量风向的局限性。针对该风向测试方法的局限性,给出了所谓的高斯函数法测风向,该方法适合于圆形加热条的风速传感器。本论文的风速传感器结构在标准的CMOS工艺上加工,而传感器的后道体硅腐蚀则在东南大学微电子中心完成。通过腐蚀可以得到一个绝缘介质的悬浮膜,整个风速传感器结构都在该介质膜中。后道体硅腐蚀时,传感器结构正面采用ABS胶保护,结合腐蚀夹具,对硅背面进行腐蚀。夹具的使用保证腐蚀液不会和芯片正面接触。悬浮膜的结构,可以提高传感器的灵敏度以及减小功耗,对于手持式风速传感器至关重要。本论文也设计了风速传感器的封装,采用倒装焊的工艺,将传感器芯片倒装焊到厚度为0.3mm长宽均为1cm的陶瓷基板上,陶瓷片的正面用作风的感应面。通过倒装焊(FCB),芯片可以实现引线,同时,陶瓷片可以提供一个平整光滑的表面,使得传感器和风能平稳接触。文中从原理上验证了该封装方法的成立,并进行了封装实验。对组装以后的传感器,我们进行了全面的测试。采用恒温差控制方法,风速量程可以达到25m/s,最小输出灵敏度可以达到35mV/(m/s);对传感器的回滞特性进行了测试,回滞特性比较好;风向测试中,给出了垂直方向两个输出随风向的变化曲线,风向的最大误差控制在5°之内。从测试结果看,该传感器的性能基本满足设计指标。但从商业化的角度看,目前传感器还存在一些问题,如体硅腐蚀的一致性问题,传感器的功耗问题等。由于传统风速传感器的封装的复杂性以及封装对传感器性能的影响,本论文最后给出了一种自封装的二维风速传感器。整个结构制作在硅衬底上,硅衬底的背面作为芯片的感应面。文中对传感器进行了理论上的模拟,验证了该封装传感器的工作原理的成立,并给出了其加工工艺。由于该传感器采用背面吹风,故该风速传感器可以采用传统的IC封装形式,减少了封装给传感器带来的高额成本。该结构的提出,为传感器封装提供了新的思路。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章引言

1.1 课题背景

1.2 本论文的主要工作

1.3 论文纲要

1.4 本章小结

第二章硅风速传感器的工作原理和结构分析

2.1 边界层理论

2.2 热风速传感器性能指标

2.3 风速传感器的工作原理

2.4 风向的测试原理

2.5 风速传感器的封装

2.6 实验室现有传感器的结构和性能总结

2.7 本章小结

第三章: CMOS 兼容的风速传感器的设计和分析

3.1 一维热温差风速传感器的结构优化

3.2 二维热温差风速传感器的模拟优化

3.3 二维硅热风速传感器的结构设计

3.4 本章小结

第四章: CMOS 风速传感器的工艺与版图设计

4.1 CMOS 风速传感器的工艺设计

4.2 CMOS 风速传感器的版图设计

4.3 风速传感器的后道工艺

4.4 本章小结

第五章 CMOS 风速传感器的封装

5.1 风速传感器的封装

5.2 风速传感器封装的理论模型及模拟

5.3 CMOS 风速传感器的倒装焊封装：Flip-Chip

5.4 本章小结

第六章: CMOS 风速传感器的性能测试

6.1 风速传感器的控制与测试电路

6.2 CMOS 风速传感器的测试

6.3 本章小结

第七章: 自封装二维风速传感器的模拟和分析

7.1 二维自封装风速传感器的结构

7.2 工作原理

7.3 自封装风速传感器的ANSYS 模拟

7.4 芯片加工工艺

7.5 芯片的封装和组装

7.6 本章小结

第八章结束语

8.1 总结

8.2 存在的问题以及改进意见

致谢

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士期间发表的论文及专利

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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[4].脉冲调制型热风速传感器的研究[D]. 朱阿娟.东南大学2015
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[10].低功耗MEMS热式风速传感器的研究[D]. 苏玲.东南大学2016

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