36、非平面组装用薄芯片流量传感器

非平面组装用薄芯片流量传感器

1. 热流量传感器简介

热流量传感器的测量原理可归类为量热法（也称为热稀释、热传递）。该传感器至少由一个加热器和一个下游温度传感器组成，下游温度传感器测量加热器释放的热量及其因强制对流而产生的变化。为实现最大程度的热绝缘，加热器和下游温度传感器集成在一个薄膜上。此外，还有一个上游温度传感器，这使得传感器能输出差分信号，从而消除了通过薄膜的传导效应，并且使传感器能够双向测量质量流量。

在工作模式下，流量传感器的工作原理如下：加热器以恒定温差模式（CTD）运行，通过持续测量加热器的电阻来控制温度。虽然也可以采用恒定电流（CC）或恒定功率（CP）等其他工作模式，但它们的测量范围较小。加热器产生的热量会在薄膜上方形成对称的温度场，当有流动介质时，由于强制对流，温度分布会变得不对称，温度传感器测量这个变化后的温度场，并将其解释为流体/介质的质量流量。

加热器和温度计位于薄膜上，为了实现最大的热绝缘，薄膜的厚度应尽可能薄，对于微机电系统（MEMS）技术而言，其厚度范围通常在几百纳米到几十微米之间。常用的薄膜材料有氮化硅、二氧化硅或硅。

温度计基于电阻原理或热电效应（即塞贝克效应）工作。当利用热电效应时，两点之间的温度差会直接转换为电压，这种转换通过热电偶实现，热电偶由两种具有不同塞贝克系数的导电材料组合而成。两个或多个热电偶的串联连接被称为热电堆，在流量传感器的热电堆中，由于多晶硅具有较高的塞贝克系数，因此常使用多晶硅和金属的组合。热电堆的一个接触区域位于薄膜上，另一个位于基板上，以实现热解耦，这样薄膜上的所有温度测量都以基板温度为参考。

传统上，MEMS流量传感器多使用硅作为基板材料，但硅存在一些缺点。例如，几百微米厚的硅基板在系统集成方面可能会产生不利影响，为了减少紊流以获得更准确的输出信号，需要对传感器进行齐平安装，这不仅成本高，还可能损坏流道或被覆盖的表面。

使用薄的柔性基板材料可以避免紊流问题和传感器的齐平安装需求，而且柔性基板上的流量传感器可以轻松集成在非平面表面，如管道甚至机翼上。与硅基板上的流量传感器通常使用键合线连接不同，柔性流量传感器可以通过倒装芯片键合轻松连接，减少了对流动剖面的影响。

此前已有在柔性基板上实现热流量传感器的尝试。例如，有人在125毫米厚的聚酰亚胺箔上放置一根或两根独立的镍线，实现了热线风速仪，利用加热元件（镍线）因对流换热而冷却，通过测量其电阻来确定温度并解释为流量。还有人在25毫米厚的聚酰亚胺薄膜上沉积Au/Cr加热器，并将其安装在直管内壁表面，同样利用风速测量原理。然而，目前关于在柔性基板上使用具有高热电效应材料（如多晶硅）的热电流量传感器的研究还比较少。

2. 技术方法

制造热电流量传感器的主要思路是先在硅基板上进行传统制造，然后将功能层转移到柔性基板上。这是因为在加工过程中，硅晶圆会承受较大的热负荷，例如低压化学气相沉积（LPCVD）多晶硅（560°C）和氮化硅（最高800°C）的过程。

具体制造过程如下：
1. 基板准备 ：使用380毫米厚的双面抛光硅晶圆，首先对基板进行热氧化，形成500纳米厚的氧化层，该氧化层作为后续传感器释放的蚀刻停止层。
2. 沉积氮化硅 ：在氧化层上沉积300纳米厚的富硅低应力LPCVD氮化硅，它具有很高的热稳定性和化学稳定性，可作为功能结构的保护层。
3. 制作热电堆和加热器 ：热电堆由原位p型掺杂多晶硅和90%钨与10%钛的合金制成，加热器也使用钨钛合金。为提高热稳定性，在热电堆的多晶硅和钨钛之间沉积氮化钛扩散阻挡层。
4. 沉积聚酰亚胺 ：通过旋涂沉积可光定义的聚酰亚胺（HD - 4100），初始厚度约为20毫米，可通过光刻进行图案化，最终固化过程使其厚度减至10毫米。虽然聚酰亚胺会降低传感器的灵敏度，但对于倒装芯片键合过程中的机械稳定性是必要的。
5. 制作电气连接 ：电镀金凸块并涂上2毫米厚的锡层用于倒装芯片键合，同时在整个柔性基板上放置额外的锡层，以确保除电气连接外的机械安装。
6. 释放传感器结构 ：使用深反应离子蚀刻（DRIE）工艺去除聚酰亚胺下方的硅，以热氧化层为停止层。聚酰亚胺基板略小于蚀刻腔，整个柔性传感器结构仅由氮化硅/热氧化层的薄边缘支撑，便于移除。
7. 倒装芯片键合 ：使用真空头拾取传感器并将其放置在柔性印刷电路板（PCB）上，柔性PCB上有铜线路，顶部有2毫米厚的锡层，与柔性传感器上的结构相对应。通过短暂加热使锡熔化，实现高电气和机械质量的键合。

以下是制造过程的流程图：

graph LR
    A[硅晶圆热氧化] --> B[沉积氮化硅]
    B --> C[制作热电堆和加热器]
    C --> D[沉积聚酰亚胺]
    D --> E[制作电气连接]
    E --> F[释放传感器结构]
    F --> G[倒装芯片键合]

3. 传感器特性

3.1 电气特性

通过向加热器施加一定功率并测量输出电压来测量热电堆的灵敏度。由于所用的钨钛合金的电阻温度系数为2.6×10⁻⁴ K⁻¹，因此通过电阻来控制加热器的温度。

在加热器温度高于环境温度0 - 100 K的范围内，测得的热电堆表现出线性行为。由15个热电偶组成的热电堆，其相对于加热器温度的灵敏度为1.8 mV - K⁻¹，这远低于相同传感器设计在仅使用氮化硅薄膜的硅基板上测得的4.3 mV - K⁻¹。灵敏度降低的原因是在600纳米的氮化硅薄膜上增加了10毫米厚的聚酰亚胺层。聚酰亚胺的热导率为0.25 W - m⁻¹ - K⁻¹，而氮化硅的热导率为3.11 - 4.04 W - m⁻¹ - K⁻¹，较厚的聚酰亚胺层导致额外的热通量，使薄膜冷却更有效，输出信号降低。此外，远离加热器的热电堆端部不像硅基板那样能完全实现热解耦，硅基板的热导率高达150 W - m⁻¹ - K⁻¹，这也导致热电堆两个接触区域之间的温度差减小，输出信号降低。

通过测量不同加热器温度下的热耗散，也可以观察到聚酰亚胺层的额外热通量。在运行过程中，柔性流量传感器的功率消耗为0.25 mW - K⁻¹，而相同设计的硅基板流量传感器在加热器温度高于环境温度0 - 100 K时的功率消耗为0.13 mW - K⁻¹。

通过向加热器施加电压脉冲并记录热电堆信号的时间响应，测量热电堆输出信号的时间常数。柔性流量传感器的时间常数为12 - 13 ms，而相同设计的硅基板流量传感器的时间常数为3 - 5 ms，这种差异同样是由于薄膜上的额外聚酰亚胺层增加了热容量，从而增加了时间常数。

总体而言，在电气特性方面，柔性流量传感器与硅基板上的等效流量传感器相比不具竞争力，这是由于作为基板材料的额外聚酰亚胺层以及为保证机械稳定性而位于薄膜区域的聚酰亚胺层所致。以下是电气特性的对比表格：
| 特性 | 传统流量传感器 | 柔性流量传感器 |
| ---- | ---- | ---- |
| 基板材料 | 硅 | 聚酰亚胺 |
| 薄膜材料 | 氮化硅 | 氮化硅 + 聚酰亚胺 |
| 热电堆灵敏度（mV - K⁻¹） | 4.3 | 1.8 |
| 功率消耗（mW - K⁻¹） | 0.13 | 0.25 |
| 时间常数（ms） | 3 - 5 | 12 - 13 |

3.2 流量测量

将传感器安装在PCB上，并在顶部连接一个横截面积为1×1.5毫米的流道，以创建确定的流体流动条件，使用空气作为介质进行测量，加热器温度设定为高于流体温度30 K。

测量结果表明，柔性流量传感器的输出信号低于硅基板上的流量传感器。这是因为薄膜上的额外聚酰亚胺层增加了向两个热电堆的热传导损失，使得相对于通过流动介质的强制对流的热传输变得相对较小，导致较厚的薄膜对上方流体的加热不太敏感。不过，在较高流速下，这种效应具有优势，传感器的输出信号在较高流速下才会饱和，从而能够更好地检测流速差异。

非平面组装用薄芯片流量传感器

4. 结论与应用展望

目前已成功研发出一种用于非平面组装的、基于10毫米厚聚酰亚胺箔的热电流量传感器。该传感器的功能层先在标准硅晶圆上制造，然后转移到聚酰亚胺基板上，并通过倒装芯片键合技术将柔性传感器系统安装在PCB上，实现了电气和机械连接。

对该传感器的灵敏度、功耗、时间常数以及不同流速下的输出信号进行了测量。结果显示，与硅基板上的等效传感器相比，其性能有所降低。这主要归因于额外的聚酰亚胺层，它既作为基板材料，又为保证机械稳定性而存在于薄膜区域。聚酰亚胺层增加了加热器与基板之间的热传导，导致功耗增加，不同流速下的输出信号降低，同时热容量的增加也使得时间常数增大。

虽然柔性流量传感器的特性与硅基板上的热电流量传感器不同，但它的优势在于其厚度较薄，能够实现更高程度的集成，从而适用于非平面表面的应用。在工程领域，许多场景都需要在非平面表面进行流量测量，但只有在某些特定情况下，集成柔性流量传感器才具有实际意义。例如，硅传感器由于其高度可能会产生紊流，而柔性流量传感器可以避免这一问题；或者在需要保证流道结构完整性的情况下，柔性流量传感器也能发挥作用。

此外，较薄的柔性流量传感器系统可以避免因集成而对流道造成破坏，而硅基板流量传感器则可能存在这种风险。不过，需要考虑的是，传感器系统需要进行电气连接，为了避免使用导线，无线通信是一个有吸引力的解决方案。可以将柔性流量传感器与柔性电子设备和天线集成在柔性PCB上，这样就可以轻松集成到大多数非导电管道中。

以下是无线通信柔性流量传感器系统的工作原理流程图：

graph LR
    A[管外阅读器产生电磁场] --> B[天线感应产生电压]
    B --> C[柔性电子设备整流电压]
    C --> D[电压供给柔性传感器测量]
    D --> E[传感器热电堆信号数字化]
    E --> F[短路天线发送信号]
    F --> G[阅读器检测电磁场变化并解读信号]

这种无线通信的柔性流量传感器系统为流量测量开辟了新的应用领域，例如风洞中的失速测量。它能够提供更准确的流量测量结果，有助于更好地理解热边界层和速度边界层中的过程。以下是传统硅基板流量传感器与无线通信柔性流量传感器的对比列表：
- 传统硅基板流量传感器 ：
- 优点：灵敏度高、时间响应快、功耗低。
- 缺点：易产生紊流、安装复杂、可能损坏流道。
- 应用场景：适用于对精度要求极高、安装空间充足的平面表面流量测量。
- 无线通信柔性流量传感器 ：
- 优点：可集成在非平面表面、避免紊流、减少流道破坏风险、可无线通信。
- 缺点：灵敏度较低、时间常数较大、功耗较高。
- 应用场景：适用于非平面表面、对安装便捷性和流道完整性要求较高的流量测量，如管道、机翼等。

综上所述，柔性流量传感器虽然在某些性能指标上不如传统硅基板流量传感器，但凭借其独特的优势，在特定的应用场景中具有广阔的发展前景。随着技术的不断进步，相信柔性流量传感器的性能将会不断提升，应用范围也会不断扩大。