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1、第26卷 第2期半 导 体 学 报Vol.26No.22005年2月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSFeb.,20053硅热流量传感器封装的热模拟分析高冬晖 秦 明 黄庆安(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)摘要:针对硅热流量传感器的封装,给出了其一维简化理论模型,并采用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN,建立了该封装结构的热模型.模拟结果显示,该封装后的传感器的温度场与未封装传感器相似,证明陶瓷封装结构是可行的;同时比较了封装前后传感器性能的差异,并进一步分析
2、了传感器的热性能和其特征尺寸的关系.该模型的建立,可以减少大量的模拟分析过程,减小计算量,研究结果将为该传感器封装的进一步优化设计提供理论参考和依据.关键词:有限元分析;硅热流量传感器;封装;热模拟EEACC:0290T;2575D;7230M中图分类号:TP21216 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0220368205模拟;给出其一维理论模型和ANSYS模拟结果,从1 引言理论上验证了封装后传感器的工作原理依然成立;最后,分析了该传感器的热性能与几何尺寸的关系.热流量传感器在现代社会
3、的应用越来越广泛,对于农业生产、气象、医学以及日常生活都有重要的2 传感器结构及其封装意义.国内外的很多科学家都在致力于该方面的研究,尤其是对薄膜结构的硅热流量风速计的研究最本文研究的热流传感器结构如图1所示.采用[1～3]为活跃,某些传感器即将投入商业化生产.目CMOSMEMS工艺,整个结构处于SiO2/Si3N4/SiO2前,阻碍热流量传感器进一步发展的重要一环是其形成的悬浮的绝热薄膜中.结构的中间是测温二极+封装.硅热流量传感器的封装,要求传感器部分暴露管,四周是n扩散多晶硅加热条以及测温单元———+在空气中或与
4、环境有良好的热交换,而其处理电路热堆,热堆由15个n扩散的多晶硅条和铝条串连则应与环境隔离,二者在封装要求上的矛盾,加大了而成,整个结构完全对称分布.热堆的冷端位于硅衬封装的难度.国内外关于热流传感器及其封装的计底上,和硅衬底保持同温T0;热端位于悬浮的绝热[4,5]算机模拟也不少,但由于模型建立的复杂性以膜内.当风速v=0时,由于整个结构对称分布,故及计算上的难度,使得传感器的计算机模拟分析在对边热堆的热端温度相等;当风速v>0时,温度分一定程度上滞后于传感器的实际发展.一个精确模布不再对称,该对边热端温差即为风速的
5、函数.型的建立和模拟会给设计者带来很大的方便,其中该传感器的封装,采用表面贴陶瓷片(直径为包括可以缩短研发周期,对器件设计进行优化,而不22mm,厚度为013mm,热导率为20W/(m·K))方用进行重复的试验,最终降低器件的成本.法,其封装后的结构如图2所示.传感器表面的压焊本文利用ANSYS中FLOTRANCFD分析功块等图形和陶瓷表面相应的厚膜图形接触,并从陶能,对封装之后的MEMS风速传感器进行建模和热瓷上引线接出,同时陶瓷表面提供了一个和空气接3江苏省自然科学基金资助项目(批准号:BK2003052) 高冬晖
6、 男,1979年出生,硕士研究生,主要从事MEMS集成传感器的研究.Email:gdhp79@hotmail.com 秦 明 男,1967年出生,博士,教授,主要从事MEMS传感器和光MEMS器件的研究. 黄庆安 男,1963年出生,教授,博士生导师,主要从事微电子技术及MEMS的教学与研究.2004201209收到,2004205209定稿n2005中国电子学会第2期高冬晖等: 硅热流量传感器封装的热模拟分析369对该有限元的热分析,我们采用了ANSYS中FLOTRANCFD的热2流体耦合单元FLUID141,建立二
7、维固体和液体耦合模型.在分析中,流体速度小于20m/s,其雷诺系数Re满足层流的条件,故不需要激发紊流模型.同时,为简化模型,我们进行了如下的假设:(1)该流体为不可压缩流且稳态的气体;(2)假设流体的入口温度恒为273K;(3)由于绝热膜热导率很小,加热部分向周围绝热膜的热传导可以忽略,而只考虑其向陶瓷热传导.4 一维理论模型图1 传感器结构表面示意图Fig.1Schematicstructureofsiliconsensor正面贴陶瓷封装后的传感器,横向热传导较大,使得整个陶瓷面被加热.在零风速下,陶瓷面的温度触的
8、平整界面.封装后的传感器,正面和空气有良好以中心对称分布.当陶瓷表面进行吹风时,上游端热的热交换,同时引线被保护,满足了MEMS封装的对流最大,下游端热对流相对较小.这会在陶瓷表面要求.进一步的封装也是需要的,用来引导空气水平形成温度梯度.和传感器表面接触.考虑陶瓷表面的温度Ts分布情况,为简化,我们将陶瓷部分看作很薄的一维长方形
