梁 庭，薛勝方，雷 程，王文濤，李志強(qiáng)，單存良

(中北大學(xué),儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

0 引言

高頻響MEMS壓力傳感器作為高頻動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境下的核心器件，常用于爆炸沖擊波試驗(yàn)中，可以有效地反演還原測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)[1]。影響高頻響MEMS壓力傳感器諧振頻率的主要因素是敏感芯片自身的固有頻率和封裝外殼(安裝耦合剛度)。傳感器整體的高頻測(cè)量范圍，是由諧振頻率的大小決定的。因此當(dāng)敏感芯片的固有頻率確定時(shí)，可以通過優(yōu)化改良剛性封裝外殼以提升傳感器的高頻限制[2]。

高頻響MEMS壓力傳感器的剛性封裝外殼主要分為齊平式封裝和管腔式封裝。齊平式封裝由于不存在管腔效應(yīng)的影響，能夠保證傳感器的高頻測(cè)量，理論上是高頻封裝的第一選擇。但是齊平式封裝對(duì)芯片本身有著更高的要求，常規(guī)的引線鍵合正裝芯片穩(wěn)定性較差，無法適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。需要添加引壓管道做成含管腔接頭式的封裝外殼[3-4]。而管腔式封裝會(huì)對(duì)芯片的性能測(cè)試帶來管腔效應(yīng)的影響，對(duì)傳感器的傳輸產(chǎn)生高頻限制。因此，本文基于壓阻式MEMS壓力傳感器的原理基礎(chǔ)上，通過對(duì)敏感芯片的設(shè)計(jì)加工及封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真及參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種高頻響齊平式MEMS壓力傳感器。

1 方案整體設(shè)計(jì)

目前，應(yīng)用廣泛的2種傳感器的封裝形式，分別為管腔式封裝和齊平式封裝。如圖1所示，2種封裝結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于有無引壓管，即對(duì)傳感器有無管腔效應(yīng)的影響[5]。

(a)管腔式封裝(b)齊平式封裝圖1 2種封裝結(jié)構(gòu)

對(duì)于非高頻器件，管腔式封裝可以適配大多數(shù)芯片的工藝限制及封裝要求，引壓管的存在也可以更好的保護(hù)芯片本身。對(duì)于高頻器件，由于引壓管會(huì)有低通濾波的效果，極大地削弱高頻信號(hào)的傳輸，無法滿足設(shè)計(jì)要求。齊平式封裝與管腔式封裝相反，即敏感芯片與封裝殼體持平，測(cè)量介質(zhì)直接作用在芯片自身，不存在引壓管的影響，不會(huì)帶來高頻削弱的影響，但是芯片外漏對(duì)芯片本身的工藝及封裝提出了更高的要求[6]。

為了能夠適配現(xiàn)有工藝限制的敏感芯片，芯片采用絕壓倒裝的方式進(jìn)行封裝，整體才用齊平式管殼封裝，傳感器整體示意圖如圖2所示。壓敏芯片測(cè)試端與剛性外殼齊平，SOI高頻響壓力傳感器由倒裝高溫壓力敏感芯片、溫度補(bǔ)償電路、耐高溫信號(hào)調(diào)理電路組成，壓力傳感器采取自下而上的垂直裝配結(jié)構(gòu)，首先裝配壓敏芯片單元，采用雙重密封墊將敏感芯片與封裝外殼齊平密封固定，利用耐高溫結(jié)構(gòu)無機(jī)膠對(duì)敏感芯片周圍進(jìn)行絕緣密封，接著順序裝配溫度補(bǔ)償電路與耐高溫信號(hào)調(diào)理電路，并用耐高溫電纜與耐高溫焊錫實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接；最后裝配接插件導(dǎo)出電源及信號(hào)接口。

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓敏芯片的設(shè)計(jì)加工

2.1 壓敏芯片設(shè)計(jì)與仿真

傳統(tǒng)的MEMS壓阻式擴(kuò)散硅基壓力傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)通過惠斯登電橋的形式實(shí)現(xiàn)力-電耦合，其在結(jié)構(gòu)上壓敏電阻與硅基底之間采用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)電流隔離，其硅加工工藝成熟且容易量產(chǎn)化，缺點(diǎn)在于PN結(jié)的反向漏電流會(huì)隨著溫度升高而急劇加大，而當(dāng)溫度超過125 ℃時(shí)，PN結(jié)反向漏電流過大，會(huì)引起芯片損壞，導(dǎo)致傳感器性能嚴(yán)重退化甚至失效[7]。因此針對(duì)高溫高頻測(cè)試，本次芯片設(shè)計(jì)加工采用SOI平膜結(jié)構(gòu)，芯片設(shè)計(jì)量程為0～1.5 MPa，敏感膜片設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)為1 000 μm，依據(jù)以下2個(gè)設(shè)計(jì)原則：

(1)線性原則：為了滿足傳感器輸出信號(hào)和施加載荷呈線性變化，敏感膜的最大變形量ωmax應(yīng)小于膜厚的1/5，如式(1)所示：

(1)

式中：E為硅的彈性模量；p為傳感器的最大載荷；a為敏感膜片的邊長(zhǎng)；t為敏感膜的厚度。

(2)可靠性原則：為保證傳感器工作的穩(wěn)定性，壓敏芯片需具備抗過載能力，具體為敏感膜表面最大應(yīng)力σmax小于材料破壞應(yīng)力的1/5，如式(2)所示：

(2)

式中σm為硅的破壞應(yīng)力，σm=6 GPa。

將σm代入式(2)，計(jì)算得t>19.6 μm。結(jié)合2個(gè)原則，敏感膜厚度取值范圍為t>27.9 μm。

同時(shí)利用Ansys對(duì)敏感膜進(jìn)行力學(xué)及固有頻率仿真分析，得出敏感膜片最大應(yīng)力與最大撓度隨著膜片厚度的變化情況，仿真結(jié)果如圖3所示。考慮傳感器的靈敏度、非線性誤差、可靠性以及加工精度約束[8]，壓力敏感芯片敏感膜的厚度為60 μm；在此條件下，敏感膜片的一階固有頻率可達(dá)775.03 kHz，如圖4所示。

(a)撓度仿真示意圖

圖4 膜片一階固有頻率圖

2.2 壓敏芯片工藝加工

采用MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行制備，流片過程及相關(guān)工藝如圖5所示。

圖5 工藝流程圖

主要的工藝步驟包括：(a)清洗：對(duì)SOI晶圓進(jìn)行無機(jī)清洗去除表面雜質(zhì)；(b)離子注入：對(duì)頂層硅器件層進(jìn)行離子注入，進(jìn)行B離子注入；(c)重?fù)诫s：對(duì)金屬引線區(qū)及電阻歐姆接觸區(qū)定點(diǎn)定量摻雜，保證后續(xù)可以形成良好的歐姆接觸；(d)刻蝕：采用干法刻蝕的方式將設(shè)計(jì)好的電阻通過深硅刻蝕工藝對(duì)其進(jìn)行圖形化；(e)濺射：通過光刻-濺射-剝離的工藝，完成金屬引線和電極的圖形化，通過退火工藝完成歐姆接觸；(f)背腔刻蝕：通過背套光刻工藝完成背腔圖形化，通過深硅刻蝕工藝完成背腔的刻蝕。

3 傳感器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 芯片封裝設(shè)計(jì)

為了滿足惡劣環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，傳統(tǒng)的正裝引線鍵合及硅油填充隔離式封裝難以滿足高溫復(fù)雜環(huán)境下的性能測(cè)試。因此本次采用陽極鍵合形式的倒裝式封裝實(shí)現(xiàn)芯片自身的封裝，鍵合后的芯片具有氣密性良好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等優(yōu)良特性[9]。

硅片和硼硅玻璃的熱膨脹系數(shù)相差較小(硅：2.6×10-6/K，硼硅玻璃：3.3×10-6/K)，且由于溫度變化產(chǎn)生的形變量會(huì)引起硅片表面產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，會(huì)對(duì)傳感器的零點(diǎn)漂移及溫度漂移產(chǎn)生影響，厚度適宜的硼硅玻璃鍵合后可有效減小硅片表面的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力[10]。因此本次鍵合采用厚度為500 μm的帶孔硼硅玻璃實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)鍵合封裝，如圖6所示。對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行電鍍及通孔填充工藝實(shí)現(xiàn)硅片上電極的引出，并通過圖形化及IBE離子束刻蝕工藝完成焊盤的制作，最后通過切割工藝得到單個(gè)芯片。

(a)陽極鍵合(b)實(shí)物圖圖6 陽極鍵合及實(shí)物圖

芯片封裝如圖7所示，將切割后的獨(dú)立芯片上的焊盤與定制的高溫陶瓷基板上的焊區(qū)通過熱壓鍵合的方式實(shí)現(xiàn)電性互連，互連產(chǎn)生的雜散電容、互聯(lián)電阻非常小，同時(shí)對(duì)敏感芯片關(guān)鍵部分進(jìn)行氣密封裝，可以保證器件的可靠性和長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。

(a)芯片倒裝封裝原理圖

3.2 封裝外殼設(shè)計(jì)及優(yōu)化

管腔式的封裝結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)傳感器的頻響產(chǎn)生很大的限制，因此采用齊平式封裝結(jié)構(gòu)，可以有限避免管腔效應(yīng)帶來的高頻限制；SOI介質(zhì)隔離方式的倒裝式芯片設(shè)計(jì)，既不存在擴(kuò)散硅在高溫條件下PN漏電導(dǎo)致的性能失效，還具有氣密性良好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等優(yōu)良特性，可以滿足較高溫度條件下的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試要求[11-13]。

為了保證高頻傳輸?shù)淖罡咝б?，同樣?duì)不銹鋼殼體進(jìn)行高頻傳輸仿真分析。仿真依據(jù)仿照管道聲學(xué)分析的原理對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的封裝殼體進(jìn)行管殼內(nèi)部信號(hào)傳輸?shù)姆抡娣治?。圖8為管殼聲波信號(hào)傳輸波形圖，通過改變管殼的內(nèi)徑及側(cè)壁厚度，觀察整個(gè)殼體內(nèi)部的信號(hào)頻率變化，對(duì)管殼結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化處理，得到頻響最優(yōu)情況下的封裝外殼尺寸。

圖8 信號(hào)傳輸頻率變化曲線

如圖9所示，當(dāng)傳感器固定約束1.5 MPa條件下，在管殼的適配長(zhǎng)度最小時(shí)，改變管殼內(nèi)徑和側(cè)壁厚度能夠達(dá)到的最大復(fù)合頻響為375.2 kHz。

圖9 最大復(fù)合頻率曲線圖

3.3 后端補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

由于芯片本身在高溫測(cè)試時(shí)存在溫度漂移，會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，需要對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)試。SOI高頻響壓力傳感器采用惠斯登電橋測(cè)量原理，其電橋補(bǔ)償參數(shù)包括零位補(bǔ)償、零位溫度漂移補(bǔ)償、靈敏度溫度漂移補(bǔ)償[14-15]。

如圖10、圖11所示，電源通過穩(wěn)壓后分別對(duì)放大電路和穩(wěn)壓器進(jìn)行供電；而穩(wěn)壓器接通電源后，對(duì)傳感器的壓敏芯片供電使其進(jìn)行測(cè)試產(chǎn)生輸出信號(hào)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償電路時(shí)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生的溫度漂移被電路補(bǔ)償修正，最后經(jīng)過放大電路測(cè)試信號(hào)被放大并輸出。

圖10 溫度補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑框圖

圖11 耐高溫信號(hào)放大電路原理圖

設(shè)計(jì)采用的是低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方式，與其它的硬件補(bǔ)償方法相比，低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要補(bǔ)償電路緊靠敏感頭橋臂電阻，這使得低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電路使用更靈活，傳感器敏感頭封裝更便捷，同時(shí)由于消除了補(bǔ)償電路與壓阻電橋的環(huán)境溫度梯度的影響，顯著提高了補(bǔ)償精度[16]。補(bǔ)償效果如圖12所示。

(a)補(bǔ)償前信號(hào)輸出

4 測(cè)試結(jié)果

通過搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)封裝好的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)為溫度-壓力復(fù)合場(chǎng)。測(cè)試溫度范圍為20～220 ℃，壓力量程為2 MPa，利用高精度萬用表每間隔100 kPa進(jìn)行一次讀數(shù)，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

(a)常溫測(cè)試結(jié)果

在20～220 ℃溫度測(cè)試范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度為4.93×10-5mV/Pa，總體測(cè)量精度為±1.5%FS，滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可通過改進(jìn)工藝與封裝方法，降低壓力傳感器的殘余應(yīng)力在高溫下引起的參數(shù)漂移來進(jìn)一步提高全溫區(qū)的測(cè)試精度。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并制備了一種高頻響SOI壓阻式壓力傳感器，絕壓倒裝式的芯片滿足高溫高壓惡劣環(huán)境下的測(cè)試要求，齊平式封裝結(jié)構(gòu)傳感器能夠滿足高頻測(cè)試需求。依據(jù)仿真及加工測(cè)試結(jié)果，該傳感器測(cè)試性能表現(xiàn)良好，具有較好的線性度和測(cè)量精度。若能突破高溫焊接材料的限制，能夠測(cè)量更高的溫度區(qū)間。