隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,MEMS熱式風(fēng)速傳感器基于其體積小,功耗小,可批量化生產(chǎn)等方式,逐漸替代了傳統(tǒng)的具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)速計(jì),大批量的應(yīng)用于天氣預(yù)測(cè)、交通指引、農(nóng)業(yè)種植,工業(yè)制造等領(lǐng)域,為人們的生活帶來極大的便利。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室已有的二維熱式風(fēng)速傳感器芯片,提出了一種基于低溫共燒陶瓷工藝(Low Temperature Cofired Ceramic,LTCC)的MEMS熱式風(fēng)速計(jì)芯片的封裝方式,采用低溫共燒硅片陶瓷替代原有的手工膠貼硅片陶瓷的方式。本文所提出的封裝方式改善了原有封裝導(dǎo)熱膠不均勻性帶來的傳感器一致性問題,減小了封裝層面積,同時(shí)為芯片隔熱槽提供了支撐作用,旨在提高風(fēng)速計(jì)的靈敏度。首先通過COMSOL進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬,初步驗(yàn)證其性能。其次對(duì)低溫共燒陶瓷的工藝進(jìn)行研究,通過COMSOL進(jìn)行熱應(yīng)力仿真,為實(shí)驗(yàn)提供導(dǎo)向作用,再針對(duì)本文所涉及對(duì)象,調(diào)整工藝流程,反復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),旨在將陶瓷完全燒結(jié)在硅片表面,同時(shí)保證其粘附性、表面致密度、熱應(yīng)力滿足風(fēng)速傳感器封裝的要求。最后,對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試分析,通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)樣品的表面形態(tài)、致密度、厚度收縮率、粘附性、熱應(yīng)力等參數(shù)的分析,獲得最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明,勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速系數(shù)處于7.5-12.5之間時(shí),陶瓷的表面致密度大;升溫速度選擇10℃/min,封裝層熱應(yīng)力在允許范圍內(nèi),達(dá)到封裝要求;最低燒結(jié)溫度為850℃時(shí),玻璃的流動(dòng)性滿足燒結(jié)要求;保溫時(shí)間選取3h,即可給予玻璃熔融物充足的流動(dòng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)參數(shù)滿足上述條件時(shí),陶瓷配比50%,氣孔率為7%左右;陶瓷配比為40%時(shí),氣孔率接近0。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN405;TP212
【部分圖文】：

具有體積小、便攜性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且傳感結(jié)構(gòu)不需要直接暴露在空氣中因素影響，使用壽命長、封裝簡單，較好地提高了傳感器的性能；同傳感器可以在小風(fēng)速的情況下也具有較高的靈敏度和精確度，這是其備的。將從芯片封裝的角度入手，首次提出一種基于 LTCC[4-6](Low Tempmic)的新型封裝方式，改善傳感器的一致性和靈敏度的同時(shí)，為硅襯供支撐作用，最后對(duì)陶瓷封裝層性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析。以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速，達(dá)到課題的要求。外 MEMS 熱式風(fēng)速傳感器研究進(jìn)展風(fēng)速風(fēng)向傳感器研究最早在荷蘭代爾夫特大學(xué)展開，至今為止其獲得 1974 年，基于對(duì)熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器工作原理和檢測(cè)原理的分析，Va出基于 IC 工藝的熱損失型流量傳感器的概念，如圖 1-1 所示，圖((b)為芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖，其利用多晶硅電阻作為加熱測(cè)溫電阻，與壓加熱的惠斯通電橋，實(shí)現(xiàn)熱電的轉(zhuǎn)換，獲取風(fēng)速信息[7-9]。

（a） （b）1-2 Huijsing 等人提出的熱式風(fēng)速傳感器：（a）一維熱電子型風(fēng)速傳感器;（b）二維熱電堆型風(fēng)速傳感器；以看出在國外的熱風(fēng)速計(jì)研究發(fā)展進(jìn)程中，荷蘭的代爾夫特大學(xué)起一次都為熱風(fēng)速計(jì)的發(fā)展帶來突破性的進(jìn)展，當(dāng)然國外其他從事也為熱風(fēng)速計(jì)的發(fā)展帶來了不可或缺的貢獻(xiàn)，許多優(yōu)秀的熱風(fēng)速計(jì)88 年，瑞士查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的通過濕法腐蝕形成氮化硅懸臂梁提高靈敏度的風(fēng)速計(jì)[15]。1994 年瑞，Zurich)的 Paul 和 Baltes 等人提出了四交叉懸臂梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)速計(jì)靈敏度[16]。2014 年，新加坡南洋理工大學(xué)（NanyangTechnologicalUn出了基于突起玻璃泡結(jié)構(gòu)的熱損失型風(fēng)速傳感器優(yōu)化了靈敏度[17] MEMS 熱風(fēng)速計(jì)起步較晚，目前熱風(fēng)計(jì)的研究主要集中在東南大學(xué)5 年該實(shí)驗(yàn)室 YanqingZhu 等人提出了一種基于玻璃熱回流工藝在孔的 MEMS 熱式風(fēng)速傳感器[18]，如圖 1-3 所示。

（a） （b）1-2 Huijsing 等人提出的熱式風(fēng)速傳感器：（a）一維熱電子型風(fēng)速傳感器（b）二維熱電堆型風(fēng)速傳感器；以看出在國外的熱風(fēng)速計(jì)研究發(fā)展進(jìn)程中，荷蘭的代爾夫特大一次都為熱風(fēng)速計(jì)的發(fā)展帶來突破性的進(jìn)展，當(dāng)然國外其他也為熱風(fēng)速計(jì)的發(fā)展帶來了不可或缺的貢獻(xiàn)，許多優(yōu)秀的熱風(fēng)88 年，瑞士查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technolo通過濕法腐蝕形成氮化硅懸臂梁提高靈敏度的風(fēng)速計(jì)[15]。1994，Zurich)的 Paul 和 Baltes 等人提出了四交叉懸臂梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)靈敏度[16]。2014 年，新加坡南洋理工大學(xué)（NanyangTechnologica出了基于突起玻璃泡結(jié)構(gòu)的熱損失型風(fēng)速傳感器優(yōu)化了靈敏 MEMS 熱風(fēng)速計(jì)起步較晚，目前熱風(fēng)計(jì)的研究主要集中在東南5 年該實(shí)驗(yàn)室 YanqingZhu 等人提出了一種基于玻璃熱回流工孔的 MEMS 熱式風(fēng)速傳感器[18]，如圖 1-3 所示。

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