張 敏，淦 華，官 勇，繆 旻，金玉豐

(1.南京電子器件研究所，南京210016;2.微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，北京大學，北京100871)

慣性MEMS、射頻MEMS等微納米器件基于微結(jié)構(gòu)的諧振特性完成信號傳感，微結(jié)構(gòu)需要在微小空間及特定低壓環(huán)境下持續(xù)正常工作［1-3］:壓強太高，腔體內(nèi)氣體將對器件產(chǎn)生阻尼，器件靈敏度指標受到制約;壓強太低又會發(fā)生“振蕩”現(xiàn)象，器件的穩(wěn)定性難以保證。因此，對真空封裝的微腔體內(nèi)真空度進行測量與監(jiān)控，找出適合器件性能發(fā)揮的最佳壓強數(shù)值，在該類器件研制中十分重要。

壓強測量的歷史悠久［4］，測量原理繁多、技術(shù)成熟，皮拉尼真空計、電容薄膜真空計、壓電應變真空計、熱陰極電離真空計、菲利浦斯電離真空計、石英晶體振蕩真空計等早已廣泛應用。但這些傳統(tǒng)的測量儀器針對的大多是電真空器件、真空設備等測量空間，一般需要在封裝器件上開孔引入探測源，封裝工藝要求高，難度大，難以滿足MEMS微小腔體的壓強測量。采用微機械硅工藝可以制備嵌入式壓力傳感器［5-8］，但工藝相對復雜、成本較高。基于微型皮拉尼測量原理［9］，本文采用金絲和鋁絲等電子封裝中常用的單金屬絲進行了微腔體內(nèi)壓強測試研究，證明該方法具有低成本、易加工、較高精度的綜合優(yōu)勢［10-12］。

1 基本原理與探測單元設計

如圖1所示，采用單金屬絲進行氣體壓強測量的原理是:在一個相對密封腔體內(nèi)，一根通過恒定電流的金屬絲將產(chǎn)生一定的熱量，在稀薄氣體下的基本沒有氣體的流動，所以也就沒有因?qū)α鞫鴵p失的熱量;考慮溫差不大的情況下輻射傳導帶走的熱量Qr可以忽略，以及熱絲固體連接部分傳導的熱量Qs和氣體分子數(shù)目無關(guān)，金屬絲的溫度取決于氣體導走熱量部分Qg，即當達到熱平衡時，熱絲溫度保持一定值。氣體壓強越高，導走的熱量越多，平衡溫度便越低。通過測試該熱絲的溫度就可測量熱絲周圍的氣體分子數(shù)目，即采用單金屬熱絲就可以測量氣體壓強?；谏鲜鲈硌兄频钠だ嵊嬘?906年制成，并成為百年應用不衰的低壓測量真空計。

圖1 熱絲的熱量耗散

針對微納真空封裝的應用要求，本課題所設計的內(nèi)置敏感式真空度測量方法是在器件級真空封裝體內(nèi)預留兩個管腳，將具有特定電阻溫度系數(shù)的金屬絲(如:鎢絲、鎳絲、鉑絲、硅鋁絲等)兩端壓焊在這兩個管腳的壓焊點上，再采用常規(guī)的芯片貼裝、引線鍵合、抽氣封蓋等真空封裝方式完成封裝。金屬絲和真空封裝體便形成了一個微型的真空計，封裝體中連接芯片的管腳可以完成芯片功能，而連接金屬絲的管腳可以對該封裝體的真空度提供很方便的測量。結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用金屬絲構(gòu)成的微型皮拉尼計敏感結(jié)構(gòu)，與所封裝的芯片是相互獨立的。

圖2 封裝體結(jié)構(gòu)橫向俯視圖

2 單金屬絲測量性能模擬分析

對于所設計的以單金屬絲為傳感單元的微型皮拉尼計，金屬絲的尺寸(長度、直徑)以及材料種類對靈敏度和測量范圍有著很大的影響。通過測試性能的模擬可以比較出各個參數(shù)對于性能影響的趨勢，指導不同應用環(huán)境下的結(jié)構(gòu)設計。

采用CFD-ACE+軟件中的CFD-GEOM模塊建立微型皮拉尼計的有限體積模型，并對模型進行六面體網(wǎng)格劃分。模擬過程選用電(electric)模塊和熱傳導(heat transfer)模塊耦合計算。電模塊應用的是直流穩(wěn)態(tài)導通的計算公式。在仿真過程中，皮拉尼計中所采用的金屬材料首先為硅鋁絲，材料特性參數(shù)為:密度2 690 kg/m3，恒定熱容 900 J/(kg·K)，恒定的熱傳導率210 W/(m·K)，各向同性的溫度相關(guān)的電阻率 ρ=ρ0［1+α(T-T0)］，其中 ρ0為3 ×10-8Ω·m，T0為293 K，電阻溫度系數(shù)(為0.004 29 K-1。皮拉尼計的周圍氣氛設置為氮氣，其密度為1.25 kg/m3，恒定粘滯系數(shù)1.65×10-5kg/(m·s)，電導率設置很小基本可以作為絕緣體，恒定熱容1 042 J/(kg·K)。管殼設定為96%的氧化鋁陶瓷，材料特性參數(shù)為:密度3 700 kg/m3，恒定熱容0.691 J/(kg·K)，恒定的熱傳導率16 W/(m·K)，也基本可以作為絕緣體。

為了簡化模型及運算，金屬絲兩端直接連接到管殼壁，這樣通過固體的散熱量會更小，模型更理想化。在邊界條件的設定中，管殼周圍與外界相臨的邊界設為恒溫293 K。在恒定電流下，使用不同氣壓相應的氣體熱傳導率，計算模擬達到熱電平衡，可以得到平衡后的電壓差V，于是不同氣壓對應平衡后不同的電壓，得到氣體壓強關(guān)于電壓的關(guān)系曲線。

圖3 不同直徑硅鋁絲的模擬結(jié)果

金屬絲直徑的改變也同樣直接改變了熱絲的電阻值，改變了通過氣體熱傳導的面積，影響器件的靈敏度和測量范圍。圖3是在加載100 mA的直流下，不同直徑硅鋁絲加熱功率與壓強的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，直徑小的器件其靈敏度有明顯的提高。直徑的減小同時也會減小熱絲與兩邊anchor的接觸面積，會減小熱量通過固體傳導的部分，使器件測量下限降低。金屬絲直徑的大小受加工工藝的限制，目前引線鍵合使用比較多的是直徑25 μm的金屬絲。因此，雖然直徑減小會提高器件性能，但要考慮目前加工金屬絲最小直徑的限制，以及在封裝時鍵合工藝的難度，建議采用直徑25 μm及以下的金屬絲工藝方案。

3 實驗測試與結(jié)果分析

實驗研究中已采用鉑絲、金絲及硅鋁絲進行了封裝體內(nèi)壓強測試和標定試驗。具體方法是把金屬絲焊接在封裝管殼的兩個焊點上，如圖4所示，測試是通過四探針法測量皮拉尼計在真空條件下的直流電壓特性，即保持電流一定，在不同真空度下測量金屬絲兩端的電壓，得到電壓關(guān)于壓強的關(guān)系曲線。

圖4 帶金屬絲的封裝管殼圖

由于微納封裝空間普遍較小，所用金屬細絲長度為毫米級。為去除引線電阻的影響，本實驗選用四探針方法進行測量。在連接金屬絲的兩個管腳上分別接有兩個引線，通過兩邊的兩根引線施加直流電流到金屬絲上，電壓通過另外兩根引線進行測量。電阻R通過V/I求得，去除了引線電阻等寄生電阻。

加工的皮拉尼計使用陶瓷封裝，將金屬絲鍵合在陶瓷管殼的焊盤上，測量引線則焊接到封裝管殼的引腳上。實際測量過程中電流源選用的是SB118型直流穩(wěn)流源，其精度可以達到0.001 mA，測量電壓選取的是Fluke289萬用表，精度為0.01 mV。將皮拉尼計器件置于真空腔體中，給定一個恒定電流，在不同的氣壓下，得到一組電壓，進而得到電壓關(guān)于壓強的關(guān)系曲線。

3.1 不同長度金屬絲測試結(jié)果的比較

試驗過程中采用鉑絲、金絲和硅鋁絲進行測試。在加載60 mA的直流下，改變真空腔內(nèi)的壓強，待達到熱平衡后，即電壓讀數(shù)穩(wěn)定，測得皮拉尼計兩端的電壓。分別對8 mm、10 mm及12 mm的鉑絲(直徑為25 μm)進行測試，結(jié)果如圖5所示。

實驗結(jié)果揭示:不同長度鉑絲的皮拉尼計其測量范圍基本上都是1 Pa～1 000 Pa，但測量靈敏度差異較大。對于12 mm長鉑絲，斜率即靈敏度為0.255 mV/Pa;對于 10 mm長鉑絲，靈敏度為0.157 mV/Pa;對于8 mm長鉑絲，靈敏度為0.056mV/Pa。長度越長，皮拉尼計的靈敏度越高，這種影響趨勢與模擬結(jié)果是一致的。

圖5 不同長度鉑絲的測試結(jié)果，I=60 mA

3.2 不同加載電流下測試結(jié)果

對于同一皮拉尼計，產(chǎn)生的焦耳熱與電流的平方成正比，加載的電流越大，其產(chǎn)生的熱量更多。在同一壓強范圍內(nèi)，其耗散的熱量變化更大，那么熱平衡時的溫度變化也更大，進而熱絲的電阻值變化越大，則輸出的電壓變化范圍會變大。如圖6，對于長度8 mm，直徑25 μm的鉑絲，加載80 mA電流時，在1 Pa～1 000 Pa范圍內(nèi)，輸出電壓變化174.34 mV，靈敏度為0.174 mV/Pa;加載60 mA時，在1 Pa到1 000 Pa范圍內(nèi)，輸出電壓變化56.54 mV，靈敏度為0.056 mV/Pa，器件感知壓強的靈敏度明顯高于加載60 mA時的靈敏度。

圖6 不同加載電流下，鉑絲的輸出電壓關(guān)于壓強的曲線

圖7研究了不同加載電流下，長度為12 mm、直徑25 μm的硅鋁絲進行測試的結(jié)果。加載100 mA電流時，在1 Pa到1 000 Pa范圍內(nèi)，輸出電壓變化0.59 mV;加載200 mA電流時，在1 Pa到1 000 Pa范圍內(nèi)，輸出電壓變化6.28 mV。

圖7 不同加載電流下，硅鋁絲輸出電壓關(guān)于壓強的曲線

對于同一測試結(jié)構(gòu)，在大的加載電流下其靈敏度更高。但電流過大，電阻絲產(chǎn)生的熱量越大，達到熱平衡時的時間較長，也即是熱絲的溫度響應時間更長，輸出讀數(shù)不穩(wěn)定。

3.3 不同材料下測試結(jié)果

我們對不同材料的測試數(shù)據(jù)也進行了分析，3種所研究材料中鉑絲的性能最好，這時由于鉑絲的電阻率較其他兩種材料大(鉑電阻率1.1×10-7Ω·m，金電阻率2.4×10-8Ω·m，硅鋁絲電阻率3.0×10-8Ω·m)，同樣的加載電流下，鉑絲產(chǎn)生的熱量較大，不同壓強下其通過氣體的熱傳導變化明顯，于是電阻和測得的輸出電壓的變化較大，所以鉑絲是這3種金屬絲中是最理想的傳感單元，有較高的靈敏度和較寬的動態(tài)范圍1 Pa～1 000 Pa。

4 結(jié)論

本文設計、分析并制備了基于單金屬絲的皮拉尼型低壓測試結(jié)構(gòu)，可對真空封裝的微腔體內(nèi)真空度進行測量與監(jiān)控。采用鉑絲等單金屬絲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)微納器件級封裝內(nèi)部1 Pa～1 000 Pa壓力檢測，金屬絲直徑建議為25 μm或以下。本文還研究了金屬絲的尺寸(長度、直徑)以及材料種類對皮拉尼計靈敏度的影響，在合適范圍內(nèi)，金屬絲直徑越小，長度越長，加載電流越大，皮拉尼計靈敏度越高。

［1］Tai-Ran Hsu.MEMS Packaging［M］.The Institute of Electrical Engineers，London，United Kingdom，2004.

［2］Simon I，Billat S，Link T，et al.In-Situ Pressure Measurements of Encapsulated Gyroscopes［C］//Transd-Ucer Eurosensors’07，The 14th International Conference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems，Lyon，F(xiàn)rance，June 10-14，2007，16:348-353.

［3］Moelders N，Daly J T，Greenwald A C，et al.Localized in Situ Vacuum Measurements for MEMS Packaging［C］//Proc Micro-Nanosyst Symp，Dec.1-3，2004:211-215.

［4］王欲知，陳旭.真空技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［5］Voklein F，Meier A.Microstructure Vacuum Gauges and Their Future Perspectives［J］.Vacuum 82，2008，2(1):420-430.

［6］Ville K，Jyrki K，Aarne O，et al.Stability of Wafer Level Vacuum Encapsulated Single-Crystal Silicon Resonators［J］.Sensors and Actuators，2006，2:42-47.

［7］Chae J，Stark B H，Najafi K.A Micro-Machine Pirani Gauge with Double Heat Sinks［J］.IEEE Transactions on Advanced Packaging，2005，28(4):619-625.

［8］Mercier D，Bordel G，Brunet-Manquat P.Saw Pirani Vacuum Sensor with a New Functioning Mode and a Fast Response Time［C］//Transducers’11，Beijing，China，June 5-9，2011，Page(s):902-905.

［9］金玉豐，陳兢，繆旻.微米納米器件封裝技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［10］Gan Hua，Qiu Yunsong，Miao Min，et al.A Micro In-Situ Pirani Vacuum Gauge for Microsystem Package Application［C］//The 11th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging，2010，Page(s):125-129.

［11］Miao Min，Gan Hua，Jin Yufeng，et al.A Vacuum/Airtight Package with Multifunctional LTCC Substrate and Integrated Pirani Vacuum Gauge for 3D SIP Integration Applications［C］//The 10th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology，2010，Page(s):1961-1963.

［12］Miao Min，Zhang Jing，Qiu Yunsong，et al.A LTCC Microsystem Vacuum Package Substrate with Embedded Cooling Microchannel and Pirani Gauge［C］//The 5th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems，2010，Page(s):399-403.