程 穎

(中國電子科技集團公司第49研究所)

熱膜式流量傳感器的封裝研究

程 穎

(中國電子科技集團公司第49研究所)

討論了傳感器的封裝要求和工藝方法，實現(xiàn)了傳感器的封裝，測試分析了封裝后熱膜式流量傳感器的性能，保證了熱膜式流量傳感器的有效應用.

熱膜式流量傳感器;封裝

0 引言

近年來，流量傳感器得到了迅速發(fā)展，傳感器的功能得到了很大的提高，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防工程中得到了越來越廣泛的應用［1，2］.

由于 MEMS 工藝［3，8］制備的傳感器芯片結構尺寸小、強度低，必須通過封裝來提高其機械強度，來保護芯片的微結構、電路結構和電氣連接.因此，流量傳感器只有進行封裝以后才能實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的實際應用，封裝是實現(xiàn)流量傳感器的應用和促進其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，封裝研究對于實現(xiàn)流量傳感器的商業(yè)化和促進流量傳感器的進一步發(fā)展都具有重要意義［4，9］.

筆者研究了熱膜式流量傳感器的結構和工作原理，討論了傳感器的封裝要求，設計了封裝工藝，實現(xiàn)了傳感器的封裝.測試分析了封裝后熱膜式流量傳感器的性能，保證了熱膜式流量傳感器的有效應用.

圖1 敏感芯片剖面示意圖

1 傳感器的芯片結構及工作原理

熱膜式流量傳感器敏感芯片是以單晶硅為襯底，采用微機械加工技術(MEMS)制作出的懸橋結構，此微結構的剖面如圖1所示.在硅襯底1表面氧化生成SiO2薄膜后，再通過LPCVD方法淀積Si3N4薄膜，制作出厚度1～2 μm左右的復合膜絕緣層;在復合膜上濺射一層幾個微米厚的坡莫合金，用刻蝕方法把合金膜制作成加熱電阻、流體測溫熱敏電阻和控制電阻;再將復合膜下面的硅用各向異性腐蝕方法去除，使膜懸空，就形成了懸橋結構.懸橋結構大大降低了芯片的功耗，從而提高了流量芯片的響應靈敏度及響應速度.

兩個測溫熱敏電阻對稱的分布在加熱電阻的兩側并且與兩個外接電阻構成一個惠斯登測量電橋，當流體靜止時，此測量電橋處于平衡狀態(tài)，當有流體流過時，加熱電阻前方的溫度就會低于后方的溫度，使兩熱敏電阻阻值不等，破壞了測量電橋的平衡，產(chǎn)生輸出的直流電壓信號，由流量計的托馬斯原理可得出，此信號強度與被測流體的質(zhì)量流量成正比，由此測出流體流量［5，6］.

兩個控制電阻與加熱電阻構成另一個電橋，該電橋控制加熱電阻使加熱溫度保持恒定高于環(huán)境溫度160℃.從而保證傳感器的輸出靈敏度不受環(huán)境溫度變化的影響，可靠地穩(wěn)定了傳感器的輸出性能，提高了測量精度和重復性.

2 傳感器的封裝要求與封裝設計

傳感器封裝的總體要求是，一方面，芯片的敏感部分必須暴露在測試環(huán)境中同時避免受到機械損傷;另一方面，處理電路部分應當與測試環(huán)境隔離，以免影響電路性能.為此，首先把敏感芯片粘貼在陶瓷基片上，并且通過線壓焊技術，用金線實現(xiàn)敏感芯片上的焊點和陶瓷基片上的焊點的連接，通過陶瓷基片上的布線與基片外部引腳相連.然后，把一個通氣罩粘接在陶瓷基片之上，再把基片的引腳插焊固定在處理電路線路板的背面，在通氣罩旁邊則是處理電路的數(shù)字放大器.如圖2所示.

圖2 外形結構圖

圖3 通氣罩結構圖

通氣罩的流量通道設計依據(jù)于流體力學原理，保證雷諾數(shù)ReD≤2320，此時管道內(nèi)的流體流動為層流狀態(tài).流量通道的截面尺寸依據(jù)設計，式中u為流體的平均流速，D為管道直徑，V為工作狀態(tài)下流體的運動粘度，然后再針對工程實踐進行修正.流量通道長度依據(jù) XL=0.03ReD設計，式中:XL為流量通道長度，Re為雷諾數(shù);D為當量直徑(等效半徑的4倍，而等效半徑等于管道截面積與管道周長之比).同時減小入口段長度，避免入口效應，保證流體在出口的溫度與入口溫度相同［6］.為了保護敏感芯片，防止機械損傷，還在入口段設計了過濾網(wǎng)膜.通氣罩材料采用模塑件，以保證高可靠低成本.

針對0～6 L/min量程進行了通氣罩的管路設計，通氣罩剖面如圖3所示.

通氣罩與基片的粘接必須保證流體通道密封性好，保證芯片的敏感部分和被測試的流體接觸并和外面的流體隔離，使通道內(nèi)的被測量流體與加熱芯片及周圍環(huán)境完成熱交換.粘接劑必須耐老化，耐溫沖，耐振動.

3 封裝工藝

為了測量流體流量，封裝后芯片的敏感部分必須接觸被測流體，而基片上的金電極、壓焊鍵合點也會暴露在被測流體中.在傳感器的長期使用中，對于裸露的金電極和壓焊點，流體中的離子會對其造成腐蝕，在電場作用下還會產(chǎn)生金遷移，就可能引起電極和焊點的金層浮起、開裂等問題，導致傳感器的性能改變或失效，因此在粘接通氣罩之前必須對電極、焊點采取絕緣隔離保護措施，以避免其因裸露而失效.

對多種膠、漆進行了實驗對比驗證，選擇了隔離性能、高低溫特性、附著強度等環(huán)境可靠性均優(yōu)異的涂敷劑，摸索完善了涂敷工藝，對電極、焊點進行了有效的隔離保護.

粘有流量敏感芯片的陶瓷基片(敏感元件)和通氣罩的粘接工藝，是封裝的關鍵工藝.敏感元件和通氣罩等部件的粘接結構和定位直接決定流量傳感器的流體流量通道，如果元件面粘接不平，導流槽不和通氣罩的軸向平行，那么測量時就會產(chǎn)生很大誤差，因此，元件和通氣罩的粘接質(zhì)量直接影響流量傳感器的精度和互換性.為了減少粘接偏差，設計制作了專用的粘接工裝夾具.嚴格合理地使用這些精密粘結夾具和設備，就可以保證元件面粘平，使通氣罩的軸向平行于導流槽，減少粘接偏差，提高傳感器的精度和一致性.

4 性能測試結果與分析［7，10］

中國電子科技集團公司第二○六計量站對封裝后的十個傳感器，進行了性能測試，其結果見表1.

圖4給出了每個傳感器的輸出曲線和他們的平均輸出的曲線.橫軸為被測氣體的流量(L/min)，測試區(qū)間是該傳感器的使用范圍0～6 L/min，縱軸是傳感器的輸出電壓(V).

圖4 輸出曲線圖

表1 傳感器的精度、重復性、耗散功率、輸出電流和響應時間的測試結果

測試結果表明:這十個傳感器的精度小于2%FS，重復性小于1%FS;批量生產(chǎn)的傳感器的精度也達到小于3%FS，重復性達到1%FS，這兩項指標在流量傳感器中屬于高精度和高穩(wěn)定性水平.測量結果也說明封裝沒有降低敏感芯片的性能，封裝效果良好.

由第二○六計量站還對部分樣品進行了高溫貯存、低溫貯存、溫度沖擊、低頻振動、脈沖力沖擊、高溫壽命及穩(wěn)態(tài)濕熱等七項環(huán)境試驗.在以下試驗條件下分別測量了樣品的零點輸出電壓(V):在125±2℃下保溫48 h的高溫貯存;在-55±3℃下保溫 24 h的低溫貯存;在高溫125±2℃，低溫-55±3℃，保溫1h，轉換時間≤5 min，沖擊3次的溫度沖擊;施加10～55 Hz的頻率，0.75 mm的位移幅值，每個方向(三個互相垂直的方向)持續(xù)2h的低頻振動;施加峰值100 g(5點)，脈沖持續(xù)時間6 ms，速度變化3.75 m/s的半正弦波脈沖力，在試樣的三個互相垂直的方向上各3次的脈沖力沖擊;在電壓(10±0.1)VDC，溫度125℃ ±3℃下96 h的高溫壽命試驗.在溫度40±2℃，相對濕度90% ～95%下進行96 h的穩(wěn)態(tài)濕熱試驗測量了樣品的絕緣電阻(MΩ).結果如表2所示，表中的數(shù)字為測得的零點輸出電壓值(V)或絕緣電阻值(MΩ)，結果說明傳感器的封裝牢固安全可靠.

表2 環(huán)境試驗結果

5 結論

在介紹熱膜式流量傳感器敏感芯片的結構和原理的基礎上，討論了傳感器的封裝要求和關鍵工藝，設計了傳感器的封裝方式，特別是設計了通氣罩和通氣罩的粘接工藝.傳感器的性能測試和環(huán)境試驗的結果表明，封裝效果良好，安全可靠，可以保證熱膜式流量傳感器的有效應用.

［1］樊尚春.傳感器技術新發(fā)展.世界電子元器件，2003(5):10-12.

［2］程穎，王江，尹延昭，劉亞娟.平膜式流量芯片的研制.計量與測試技術，2009，36(11):27-28.

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The Study of the Packaged Thermal-film Air Flow Sensor

Cheng Ying
(49 th Reseach Institute，CETC)

The packaging requirements and the fabrication technology of the sensor are discussed and the packaged sensor is realized.The properties of the packaged thermal-film air flow sensor are analyzed，which ensure effective applications of packaged sensor.

Thermal-film air flow sensor;Packaging

2010-09-03

(責任編輯:李佳云)