硅热流量传感器封装的热模拟分析.pdfVIP

第 26 卷 　第 2 期 半 　导 　体 　学 　报 Vol. 26 　No. 2 2005 年 2 月 　　 CHIN ESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS 　　Feb. ,2005 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/ FLO TRAN ,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 : 0290 T ; 2575D ; 7230M 中图分类号: TP2126 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : (2005) 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 为活跃[1～3 ] ,某些传感器即将投入商业化生产. 目 CMOS MEMS 工艺 ,整个结构处于 SiO / Si N / SiO 2 3 4 2 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 算机模拟也不少[4 ,5 ] ,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函数. ( 型的建立和模拟会给设计者带来很大的方便 ,其中