一種全集成型風(fēng)速傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種全集成型風(fēng)速傳感器。由基板、兩個(gè)相同的超聲波發(fā)生模塊和兩個(gè)相同的超聲波接收模塊構(gòu)成?；逵蒘i襯底，Si襯底鍵合層和集成電路構(gòu)成；超聲波接收模塊由接收Si柱，制備孔，方孔，上、下電極，接收壓電體及接收鍵合層構(gòu)成；超聲波發(fā)生模塊由發(fā)生Si柱，聚音孔，發(fā)聲單元及發(fā)生鍵合層組成。超聲波發(fā)生模塊與對(duì)應(yīng)的接收模塊構(gòu)成一組收發(fā)系統(tǒng)，共2組。超聲波發(fā)生模塊和接收模塊與基板形成機(jī)械連接，與集成電路形成電氣連接。本發(fā)明具有體積小，集成度高，完全兼容現(xiàn)有的集成電路工藝，測量精度高，制備成本低的優(yōu)點(diǎn)，有效的拓展了風(fēng)速測量技術(shù)的應(yīng)用范圍。
【專利說明】
一種全集成型風(fēng)速傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種全集成型風(fēng)速傳感器。
技術(shù)背景
[0002]風(fēng)速檢應(yīng)用十分廣泛，幾乎遍及各個(gè)領(lǐng)域，例如:高速公路橫風(fēng)湖風(fēng)監(jiān)測，礦井下空氣流動(dòng)狀況監(jiān)測，天氣監(jiān)測，排氣系統(tǒng)等等。風(fēng)速傳感器是風(fēng)速檢測的重要部件。
[0003]傳統(tǒng)的風(fēng)速檢測設(shè)備有基于機(jī)械式的風(fēng)速檢測儀及超聲風(fēng)速檢測儀。傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速檢測儀是通過風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，利用光電傳感器探測風(fēng)車的轉(zhuǎn)速，再通過算法將風(fēng)車轉(zhuǎn)速換算成風(fēng)速，其并非直接對(duì)風(fēng)速進(jìn)行探測；它的優(yōu)勢在于成本低廉，生產(chǎn)工藝簡單，但是其對(duì)風(fēng)速并不敏感，當(dāng)風(fēng)力過小不足以驅(qū)動(dòng)風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將不能完成檢測，當(dāng)風(fēng)力過大容易使風(fēng)車損壞。傳統(tǒng)的超聲風(fēng)速檢測儀相比機(jī)械式風(fēng)速檢測儀有了很大的進(jìn)步，其主要通過兩對(duì)相對(duì)的超聲傳感器組成，一對(duì)超聲傳感器包括超聲波發(fā)射管及超聲波接收管，當(dāng)超聲波發(fā)射管產(chǎn)生的超聲波順風(fēng)時(shí)，超聲波的傳播速度相對(duì)于無風(fēng)時(shí)會(huì)加快，超聲波到達(dá)接收管的時(shí)間減小，當(dāng)超聲波逆風(fēng)時(shí)，超聲波傳播速度相對(duì)于無風(fēng)時(shí)會(huì)減慢，超聲波到達(dá)接收管的時(shí)間會(huì)增加。超聲波傳播速度受風(fēng)速的影響而產(chǎn)生的變化是非常微小的，并且一般發(fā)射管與接收管之間的間距一般只有十幾厘米，使得有風(fēng)無風(fēng)時(shí)超聲波傳播速度的差異更加微小，所以超聲波風(fēng)速檢測需要非常優(yōu)秀的算法。
[0004]但是傳統(tǒng)的無論機(jī)械式風(fēng)速檢測儀還是超聲風(fēng)速檢測儀，它們的體積都比較龐大，并且目前的風(fēng)速檢測儀風(fēng)速檢測模塊與信號(hào)處理模塊是分離的，信號(hào)處理電路一般制備在PCB上，檢測儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于其向小型化，便攜，高集成度方向發(fā)展，同時(shí)也不能將風(fēng)速檢測儀移植到其他小型系統(tǒng)上去。同時(shí)，大體積的儀器也勢必會(huì)造成生產(chǎn)成本及材料的浪費(fèi)。目前，小型的，高集成度的風(fēng)速檢測儀還沒有被報(bào)道過。傳統(tǒng)風(fēng)速檢測儀的龐大體積也限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在的問題或不足，提出了一種全集成型風(fēng)速傳感器，它體積小，集成度高，測量精度高，并且完全兼容現(xiàn)有的集成電路工藝。
[0006]該全集成型風(fēng)速傳感器，包括:基板、兩個(gè)相同的超聲波發(fā)生模塊和兩個(gè)相同的超聲波接收模塊。超聲波發(fā)生模塊和超聲波接收模塊設(shè)置于基板上，超聲波發(fā)生模塊的發(fā)聲面與超聲波接收模塊的接收面相對(duì)應(yīng)，形成一對(duì)收發(fā)系統(tǒng)，共計(jì)兩對(duì)。兩對(duì)收發(fā)系統(tǒng)形成的兩條連線長度相同，并相互垂直成十字形，垂足為兩條連線中點(diǎn)。
[0007]所述基板由Si襯底、設(shè)置在Si襯底上的集成電路和設(shè)置在Si襯底上的Si襯底鍵合層構(gòu)成;集成電路用于處理由超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)，制備在Si襯底上，與Si襯底鍵合層不相交;超聲波發(fā)生模塊和超聲波接收模塊的鍵合層與Si襯底鍵合層相適應(yīng)，并通過金錫鍵合工藝與Si襯底鍵合層鍵合，形成機(jī)械連接，通過金絲鍵合使其與集成電路形成電氣連接。
[0008]所述超聲波發(fā)生模塊由發(fā)生Si柱、聚音孔、發(fā)聲單元和發(fā)生鍵合層構(gòu)成。聚音孔設(shè)置在發(fā)生Si柱上，發(fā)聲單元設(shè)置在聚音孔內(nèi)，發(fā)生Si柱底部設(shè)有發(fā)生鍵合層。
[0009 ]所述超聲波接收模塊由接收S i柱、制備孔、方孔、下電極、接收壓電體、上電極和接收鍵合層構(gòu)成。方孔設(shè)置在接收Si柱上;制備孔設(shè)置在接收Si柱上，制備孔內(nèi)從下至上依次設(shè)置有下電極、接收壓電體和上電極;接收Si柱底部設(shè)有接收鍵合層。下電極、接收壓電體和上電極共同組成超聲波接收單元，使音頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。
[0010]所述設(shè)置在接收Si柱上的方孔使接收Si柱的有效厚度減薄，以便接收壓電體接收到超聲波后更容易產(chǎn)生振動(dòng)。
[0011]所述集成電路采用標(biāo)準(zhǔn)單晶硅集成電路制備工藝制備。所述方孔通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備。所述鍵合層均采用薄膜制備工藝制備如真空蒸鍍法。所述聚音孔通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備。
[0012]所述發(fā)生Si柱上的聚音孔內(nèi)面為拋物面，發(fā)生單元設(shè)置在該拋物面的焦點(diǎn)上。以確保聚音孔能有效的對(duì)超聲波產(chǎn)生匯聚作用。聚音孔表面采用電鍍工藝制備金薄膜以增強(qiáng)反射率。
[0013]所述超聲波發(fā)生模塊的發(fā)聲單元采用壓電陶瓷制備，通過對(duì)壓電陶瓷兩面施加高頻電信號(hào)，使陶瓷產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。
[0014]所述下電極布滿整個(gè)制備孔的表面。
[0015]所述Si柱為單晶硅直方柱狀，并倒角一條邊。在與倒角面相對(duì)的平面上選2個(gè)制備出制備孔和方孔最終制成接收Si柱，另外2個(gè)制備出聚音孔最終制成發(fā)生Si柱。
[0016]本發(fā)明的全集成型風(fēng)速傳感器，包括基板、兩個(gè)超聲波發(fā)生模塊、兩個(gè)超聲波接收模塊。通過超聲波發(fā)生模塊產(chǎn)生特定頻率的超聲波，超聲波接收模塊接收該超聲波并將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)供信號(hào)處理電路處理。超聲波發(fā)生模塊與超聲波接收模塊共同組成收發(fā)系統(tǒng)。它集成度高，全面兼容現(xiàn)有的集成電路工藝，將信號(hào)處理電路直接制備在Si襯底上，使得超聲收發(fā)系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)共同組成一個(gè)傳感器，將傳統(tǒng)的體積龐大的風(fēng)速檢測儀變換為體積小巧，集成度高的風(fēng)速傳感器。超聲接收模塊、超聲發(fā)生模塊通過金錫鍵合工藝與基板鍵合，使得制備其基板形成機(jī)械連接，通過金絲鍵合使其與集成電路形成電氣連接。本發(fā)明傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、自動(dòng)生產(chǎn)，能提高生產(chǎn)效率，降低成本，同時(shí)大大減小傳統(tǒng)風(fēng)速檢測儀的體積，使得風(fēng)速傳感器能夠移植到其他小型設(shè)備中去。
[0017]綜上所述，本發(fā)明全集成型風(fēng)速傳感器具有體積小、測量精度高、制備成本低的優(yōu)點(diǎn)，有效拓展風(fēng)速測量技術(shù)的應(yīng)用范圍，適用于更多的電子設(shè)備，如手機(jī)、智能手表、多功能手環(huán)等便攜式電子設(shè)備，如室內(nèi)空氣流通測量儀、車載空氣流通測量儀、空調(diào)風(fēng)扇風(fēng)速測量儀等低成本消費(fèi)類電子設(shè)備。
【附圖說明】
[0018]圖1是傳統(tǒng)機(jī)械式的風(fēng)速傳感器；
[0019]圖2是傳統(tǒng)超聲波風(fēng)速傳感器；
[0020]圖3是實(shí)施例的全集成型風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖4(f)是實(shí)施例的完整基板結(jié)構(gòu)圖，(g)為Si襯底鍵合層分層圖；
[0022]圖5(a)是超聲波接收模塊未制備壓電體及上電極時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，(b)為完整的超聲波接收模塊結(jié)構(gòu)圖，(C)是接收Si柱鍵合層分層圖；
[0023]圖6(d)是實(shí)施例的超聲波發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)圖，(e)是發(fā)生Si柱鍵合層分層圖；
[0024]圖7為實(shí)施例制備完成的未切割全集成型風(fēng)速傳感器尺寸示意圖；
[0025]圖8為實(shí)施例制備完成的切割后全集成型風(fēng)速傳感器尺寸對(duì)比示意圖。
[0026]附圖標(biāo)記:基板l，Si襯底1-1，下鍵合層1-2，金薄膜層1-3，鉻薄膜層1-4，集成電路1-5 ；超聲接收模塊2-X，超聲接收模塊2-Y，接收Si柱2-1，方孔2-2，接收壓電體2_3，下電極
2-4，上電極2-5，鉻薄膜層2-6，金薄膜層2-7，錫薄膜層2_8，抗氧化層2_9，制備孔2_10，接收鍵合層2-11 ；超聲波發(fā)生模塊3-X，超聲波發(fā)生模塊3-Y，發(fā)生Si柱3-1，聚音孔3_2，發(fā)生單元
3-3，鉻薄膜層3-4，金薄膜層3-5，錫薄膜層3-6，抗氧化保護(hù)層3_7，發(fā)生鍵合層3_8。
【具體實(shí)施方式】
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[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028]如圖3所示為本實(shí)施例的全集成型風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由基板I，超聲接收模塊2-X，2-Y，超聲發(fā)生模塊3-X，3-Y組成。2-X，2-Y，3-X，和3-Y通過金錫鍵合工藝鍵合在基板I的Si襯底鍵合層上。
[0029]如圖4所示，Si襯底鍵合層1-2由金薄膜層1-3和鉻薄膜層1-4組成，通過真空蒸鍍法制備;集成電路1-5米用標(biāo)準(zhǔn)Si集成電路制備工藝制備。
[0030]如圖5所示，方孔2-2通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備，其作用在于減小接收Si柱對(duì)接收壓電體振動(dòng)的影響。制備孔2-10采用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備，設(shè)置在接收Si柱上。下電極2-4的材料為金屬金，采用真空蒸鍍法制備，完全覆蓋住制備孔2-10的孔表面。接收壓電體2-3的材料為壓電陶瓷，采用電泳法制備在下電極2-4上，與其形成良好接觸。上電極2-5的材料為金屬金，通過磁真空蒸鍍法或磁控濺射法制備在接收壓電體2-3上。上電極2-5與下電極2-4都自帶小焊盤，以備壓焊金絲使用。接收鍵合層2-11由鉻薄膜層2-6，金薄膜層2-7，錫薄膜層2-8和抗氧化層2-9組成。
[0031]如圖6所示，聚音孔3-2采用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備，其表面為標(biāo)準(zhǔn)拋物面，且表面采用電鍍工藝制備金薄膜以增強(qiáng)反射率。發(fā)聲單元3-3采用壓電陶瓷制備，能夠?qū)⒊曅盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。發(fā)生鍵合層由鉻薄膜層3-4，金薄膜層3-5，錫薄膜層3-6和抗氧化保護(hù)層3-7組成。
[0032]超聲接收模塊2-Χ，2_Υ，超聲發(fā)生模塊3-Χ，3_Υ通過金錫鍵合工藝鍵合在基板I的Si襯底鍵合層上。2-Χ與3-Χ構(gòu)成一組收發(fā)系統(tǒng);2-Υ與3-Υ構(gòu)成一組收發(fā)系統(tǒng)。且兩組收發(fā)系統(tǒng)中，超聲接收模塊與超聲波發(fā)生模塊距離相同。
[0033]本實(shí)施例的全集成型風(fēng)速傳感器通過以下步驟制備得到:
[0034]步驟1、采用標(biāo)準(zhǔn)娃集成電路工藝在一片4英寸的娃片上制備集成電路1-5，該集成電路能夠產(chǎn)生高頻信號(hào)供超聲波發(fā)生模塊使用，并且能夠處理超聲波接收模塊產(chǎn)生的電信號(hào)，計(jì)算出風(fēng)速并將信號(hào)輸出。
[0035]步驟2、采用真空蒸鍍法在步驟I中所述硅片上制備Si襯底鍵合層1-2，共計(jì)4個(gè);至此基板I制備完成。
[0036]步驟3、切割單晶硅，制備成直方柱狀，將其一邊倒角制備出接收Si柱2-1，制備方孔2-2，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在與倒角面相對(duì)的平面上通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備出制備孔2-10o
[0037]步驟4、在步驟3中所述的制備孔中通過真空蒸鍍法制備下電極2-4，并通過電泳法在制備孔中制備出接收壓電體2-3。采用真空蒸鍍法在接收壓電體上制備上電極2-5。
[0038]步驟5、采用真空蒸鍍法在接收Si柱底面制備接收鍵合層2-11。如此超聲接收模塊制備完成，如圖5所示共計(jì)兩個(gè)。
[0039]步驟6、切割單晶硅，制備成直方柱狀，將其一邊倒角制備出發(fā)生Si柱3。在與倒角面相對(duì)的平面上通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備出聚音孔3-2，并采用電鍍法在聚音孔3-2表面沉積金屬金薄膜，以增強(qiáng)反射能力。在聚音孔3-2底部制備發(fā)聲單元3-3。
[0040]步驟7、采用真空蒸鍍法在發(fā)生Si柱底面制備發(fā)生鍵合層3-8。如此超聲發(fā)生模塊制備完成，如圖6所示。
[0041]步驟8、采用金錫鍵合技術(shù)將所述超聲接收模塊，超聲發(fā)生模塊通過金錫鍵合工藝鍵合在基板I的Si襯底鍵合層上。
[0042]基于上述，鍵合完成后，形成了全集成型風(fēng)速傳感器，如圖7所示(未切割)。
[0043]步驟9、用切割法將鍵合后的樣品，分割成單獨(dú)的器件。
[0044]基于上述，切割樣品，形成單獨(dú)器件的示意圖如圖3所示。單獨(dú)的全集成型風(fēng)速傳感器的尺寸規(guī)模如圖8所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全集成型風(fēng)速傳感器，包括基板、兩個(gè)相同的超聲波發(fā)生模塊和兩個(gè)相同的超聲波接收模塊，其特征在于:所述超聲波發(fā)生模塊和超聲波接收模塊設(shè)置于基板上，超聲波發(fā)生模塊的發(fā)聲面與超聲波接收模塊的接收面相對(duì)應(yīng)，形成一對(duì)收發(fā)系統(tǒng)，共計(jì)兩對(duì);兩對(duì)收發(fā)系統(tǒng)形成的兩條連線長度相同，并相互垂直成十字形，垂足為兩條連線中點(diǎn)； 所述基板由Si襯底、設(shè)置在Si襯底上的集成電路和設(shè)置在Si襯底上的Si襯底鍵合層構(gòu)成;集成電路用于處理由超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)，制備在Si襯底上，與Si襯底鍵合層不相交;超聲波發(fā)生模塊和超聲波接收模塊的鍵合層與Si襯底鍵合層相適應(yīng)，并通過金錫鍵合工藝與Si襯底鍵合層鍵合，形成機(jī)械連接，通過金絲鍵合使其與集成電路形成電氣連接； 所述超聲波發(fā)生模塊由發(fā)生Si柱、聚音孔、發(fā)聲單元和發(fā)生鍵合層構(gòu)成;聚音孔設(shè)置在發(fā)生Si柱上，發(fā)聲單元設(shè)置在聚音孔內(nèi)，發(fā)生Si柱底部設(shè)有發(fā)生鍵合層;所述發(fā)聲單元通過對(duì)其兩面施加高頻電信號(hào)，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波； 所述超聲波接收模塊由接收Si柱、制備孔、方孔、下電極、接收壓電體、上電極和接收鍵合層構(gòu)成;方孔設(shè)置在接收Si柱上，制備孔設(shè)置在接收Si柱上，制備孔內(nèi)從下至上依次設(shè)置有下電極、接收壓電體和上電極;接收Si柱底部設(shè)有接收鍵合層;下電極、接收壓電體和上電極共同組成超聲波接收單元，使音頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。2.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述發(fā)生Si柱上的聚音孔內(nèi)面為拋物面，發(fā)生單元設(shè)置在該拋物面的焦點(diǎn)上。3.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述聚音孔表面采用電鍍工藝還制備有一層金薄膜以增強(qiáng)反射率。4.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述下電極布滿整個(gè)制備孔的表面。5.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述Si柱為單晶硅直方柱狀，并倒角一條邊，在與倒角面相對(duì)的平面上選2個(gè)制備出制備孔和方孔最終制成接收Si柱，另夕卜2個(gè)制備出聚音孔最終制成發(fā)生Si柱。6.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述設(shè)置在接收Si柱上的方孔使接收Si柱的有效厚度減薄，以便接收壓電體接收到超聲波后更容易產(chǎn)生振動(dòng)。7.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述發(fā)聲單元采用壓電陶瓷制備。8.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述集成電路采用標(biāo)準(zhǔn)單晶硅集成電路制備工藝制備。9.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述方孔和聚音孔均通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備。10.如權(quán)利要求1所述全集成型風(fēng)速傳感器，其特征在于:所述鍵合層均采用薄膜制備工藝制備。
【文檔編號(hào)】G01P5/24GK105866467SQ201610316590
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】羅文博, 陳留根, 吳勤勤, 俞玉澄, 吳傳貴, 帥垚, 張萬里
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)