论 文 题 目 | MEMS气体压力传感器的设计与封装研究 | ||
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本课题研究的目的，对国民经济或学术上的价值和意义，国内外研究现状及发展趋势： 本课题的总体目标是在MEMS气体压力传感器设计和封装等方面取得一定具有实际应用价值的研究成果，形成有特的研究体系。通过对硅压阻压力传感芯片的一系列研究，为MEMS气体压力传感器的设计、封装和应用提供重要的依据。 一、研究目的 MEMS(Micro electric-mechanical Systems)即微机电系统，是在集成电路生产技术和专用的微机电加工技术的基础上发展起来的高新技术。完整的MEMS一般是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统，其中微传感器用于感知外界信息，如力学、热学、光学、电磁学、化学等信号，微执行器用于控制对象, MEMS系统的尺寸通常在微米和毫米量级。MEMS技术是对传统机械加工技术的一种革新，MEMS器件可以做的很小，集成度很高，可以批量生产，大大降低了机电系统的成本，可以工作在很多微小尺寸的场合；也可以嵌入大尺寸机电系统中，极大的提高系统的自动化、集成化、智能化以及可靠性水平[1]。MEMS类传感器是近年来广泛应用的一类传感器。与传统的各种类型的传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、可靠性高、响应时间短等优点。另外，由于应用了十分成熟的集成电路技术和硅微加工工艺，可以制造出高集成度、高可靠性、稳定性的传感器，适合大批量生产，大幅降低传感器的生产成本[2]。MEMS类传感器在航空、航天、汽车电子、生物、医疗、环境监测、工业自动化、军事等几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 二、价值和意义 传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱。在各种传感器中，压力传感器是应用最为广泛的一种。但目前使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器，其应变电桥采用P型扩散电阻，而应变膜是N型硅衬底，两者之间是自然的pn结隔离。当工作温度超过1200℃，应变电阻与衬底间的PN结漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效，因而不能在较高温度环境下进行压力测量。而石油、汽车、航天等领域的使用要求，使高温压力传感器的研究成为必然[3]。 随着新材料、新工艺的不断出现，人们提出了多种高温压力传感器结构。目前已经研制出多晶硅压力传感器、SOI 单晶硅压力传感器、SIC压力传感器、SOS (Silicon on Sapphire)蓝宝石上硅压力传感器、石英压力传感器、溅射合金薄膜压力传感器、陶瓷厚膜压力传感器和光纤压力传感器等。多晶硅是半导体集成电路中广泛应用的薄膜材料[4]。它的物理和化学性质通常取决于薄膜的结构(如晶粒的尺寸)和掺杂的类型与浓度。80年代后期，基于多晶硅较大的压阻系数和良好的温度特性，有人提出了多晶硅高温压力传感器。多晶硅压力传感器以介质隔离代替PN结隔离，减小了器件在高温下的漏电，从而提高了传感器的工作温度。多晶硅的应变因子较大，因而传感器灵敏度高。多晶硅薄膜工艺成熟，传感器制作工艺为半导体集成电路平面工艺结合微机械加工技术，芯片易于批量制作，成本低廉。SOI (Silicon on Insulator)是新兴的半导体材料，具有自隔离、体漏电小、寄生电容小、抗辐射、无体硅门锁效应等特点，最早应用于大功率半导体器件。SOI材料的特殊结构使之也成为制作传感器的理想材料。国外已有研制成功的SOI单晶硅压力传感器，天津大学也研制出样品，目前正处于测试阶段。SOI单晶硅压力传感器的结构与多晶硅压力传感器相似，主要区别在于采用单晶硅薄膜制作惠斯通电桥的4个应变电阻。除保持多晶硅压力传感器己有长处和特点之外，由于单晶硅材料有更大的压阻系数(多晶硅薄膜在相同掺杂浓度下，压阻系数约为单晶硅材料的60%-70%) ,可以通过优化传感器芯片设计，进一步提高传感器的灵敏度。此外，SOI工材料是制作高温、高速、抗辐射等特殊集成电路的基本材料，SOI单晶硅压力传感器工艺是标准的集成电路平面工艺，这样就可以实现工作于恶劣环境的单片智能测压系统。SOIMEMS现己成为MEMS的主要研究方向之一[5]。 SiC材料是第三代直接跃迁型宽禁带的半导体材料。它的宽禁带结构、高击穿电压和较高热导率等特点，使其具有优良的抗辐射性能和高温稳定性，可用来制作高温器件。SiC还具有良好的机械性能，优异的化学稳定性以及较大的压阻系数，所以可以用来制作压力传感器。目前SiC高温器件和传感器的研究是一个非常热门的领域。 一些陶瓷材料具有压阻效应，可用于制作压力传感器。应用最广泛的是PZT材料。用丝网印刷技术，在陶瓷基板的特定位置上印出一定的PZT浆料图形，通过高温烧结，形成应变电阻。圆形陶瓷基板与底座间也是用烧结法形成固支结构。这是陶瓷应变压力传感器的基本工艺。陶瓷抗腐蚀，耐高温。厚膜压力传感器的工作温度一般可达到1500℃。瑞士Kistler公司以生产厚膜压力传感器闻名[6]。由于丝网印刷工艺精度和浆料均匀性的限制，这类传感器的应变电阻一般需要进行激光修正才一能达到较好的一致性。另外厚膜压力传感器的灵敏度相对较低，且功耗大。 压力传感器的一个主要发展方向是继续发现新的敏感材料和加工工艺，使传感器结构更精细，性能更优越，以适应各种环境测压的要求。另一方面现代MEMS工艺与半导体集成电路平面工艺相结合使压力传感器朝着单片集成和多功能化方向发展。作为MEMS最主要的产品，压力传感器尤其是高温压力传感器有着广阔的应用领域。以上几种典型的高温压力传感器，各具特点但又各有不足，因而适合在不同环境中使用。总的来说，多晶硅、 SIO单晶硅、SiC等半导体压力传感器最具发展前途。因为它们的制作工艺先进，与半导体集成电路平面工艺兼容，易于实现系统化、智能化，符合传感器的发展方向。我们应大力开展这方面的研究工作，以期在MEMS这一领域的竞争中占有一席之地。 三、国内外研究现状及发展趋势 早在1932年，Bridgeman等人就对晶体的压阻效应进行了初步研究：1954年C. S. Smith首先发文论述了硅和锗的压阻效应：1958年贝尔实验室率先研制出硅体型应变计，并于1960年商业化：60年代初，由于硅平面集成工艺技术的应用，敏感兀件和弹性兀件的一体化成为现实，很大程度上改善了蠕变、滞后、重复性、稳定性以及温度漂移性：70年代以后，周边固支的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻传感器问世，它是一种具有代表性新型传感器：80年代后期以来，人们实现了千帕以下量程的微压传感器的高性能化与市场化：目前，压力传感器正向高精度、高可靠性、宽温度范围、微功耗、无源化、智能化、数字化的方向发展[7]。 国外目前的压力传感器技术性能已达到较高的水平，主要表现在：精度高，测量范围宽：小型化、系列化和标准化：可靠性高、稳定性好：品种多，更新换代快。传感器量程0.01-10000Psi,测量精度一般为0.1^0.01%FS，尺寸最小可达0.25mm,稳定性为0.1 %F S/年，重复性为0.005%FS,滞后0.001 %FS,温度误差0.0002%FS，并能进行较大范围的温度补偿。当前从事汽车MEMS压力传感器研制和生产的著名企业和厂家有Philips, Motorola, TI, IC Sensor, SMI, GE, Bosch等[8-12]。德州仪器生产的一系列压阻式压力传感器应用于发动机歧管、推进和增压、制动系统压力、车辆稳定性控制、共轨压力、机油燃油压力、变速箱座椅承载检测等领域。传感器量程最高可达40000Psi,精度优于0. 25%FS,精确温度补偿范围为-40-1400℃，具有很高的可靠性[13]。 在材料方面，甲一在上世纪七十年代A. D. Kurtz等人已使用SOI材料成功研制出了高温压力传感器。如今美国科莱特公司采用BESOI制备技术研究并开发出了可以在高温下工作的压力传感器，它的最高工作温度可达480摄氏度；以法国LETI研究所联合斯伦贝格公司等单位共同参与，最高工作温度为4000C的SOI高温压力传感器也已成功研制出来[14]。SOI高温压力传感器在国内也取得一些成绩，如天津大学也研制出了能在300摄氏度范围内正常工作的SOI高温压力传感器。西安交通大学成功研制出以SIMOX技术为指导的SOI耐高温微压力传感器，有着非常高的压力测量范围以及很好的耐高温冲击能力[15]。中国科学院传感器技术国家重点实验室研制出采用真空封装技术基于SOI晶圆的微压力传感器。 传感器封装是感应芯片与载体或管壳的连接，这对传感器而言至关重要。封装的好坏直接影响着传感器的性能。压力传感器的封装方法主要有软封接和硬封接两种。硅胶粘接和环氧树脂属于软封接。阳极键合、硅直接键合、共晶键合和玻璃密封属于硬封接。由于高温压力传感器是需要在高温环境下工作的，普通的封装技术不能很好地满足高温压力传感器的封装要求，下而介绍两种新型的封装技术。NASA Glenn研究中心与Kulite半导体公司合作开发了一种直接封装技术，这种不用普通引线连接的技术解决了封装难题。使用这种封装时，不再使用引线键合引出信号，而是直接从感应膜片金属层由Pt线引出，避免了引线键合中触点失效的问题[16]。另外，传感器C型感应膜片的压敏电阻而不直接与高温介质接触，从而保护敏感压阻、欧姆接触等不直接承受高温介质的冲击，能有效提高传感器寿命。德国柏林工业大学开展SiC压阻式压力传感器的研究。在上世纪90年代，与奔驰公司合作开发了基于3C-SiC/SOI的压阻式压力传感器。其全SiC结构的压力传感器，封装上另辟蹊径，介质压力通过推杆传递到感应膜片[17]。 根据工作原理划分，压力传感器可分为电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、谐振式压力传感器、电容式压力传感器等。其中压阻式结构是日前研究最热、成果最多的一种，它有着高精度、高灵敏度、高频响等优点[18]。 压阻式压力传感器是一种新型压力传感器。它的前身是平膜应变传感器，因此基本测量原理与平膜应变传感器相同。但它以是半导体材料作为感应膜片，在膜片上使用集成电路扩散工艺制成四个等值压敏电阻，组成惠斯顿电矫，当膜片受力后、由于材料的压阻效应[19]。压敏电阻值发生变化，使电桥平衡破坏从而输出电信号以测得压力的变化，感应膜片结构已成为影响压阻式压力传感器性能的关键。 Hopkins和Prage于1953年对圆板的静承载能力做了分析[20-21]；之后Kondo和Pain Calladin以及Onat和Havthornthwaite分别采用不同的方法对圆板大变形静载能力作f估计，他们的分析都表明当板发生大挠度变形时由于膜力作用可以明显提高板的静承载能力[22]。Hopkins和Prager以及Wang（王仁）分别对简支和固支钢塑性圆板受到均布聚下脉冲载荷作用的塑性动力响应问题求解；Wang对冲击载荷作用下的简支圆板最终挠度的分析，可以说，圆板的塑性动力响应问题在理想钢塑性小挠度的假设下已经相当完善地解决了[23-24]。基于以上理论，可以由对薄板的分析延生到各个形状，现在主流的压阻式感应膜片包括以方型膜片、圆型膜片为主的C型膜片、E型膜片，以及双岛型膜片等，可以根据设计要求使用大挠度理论或小挠度理论对感应膜片进行设计与分析[25-26]。 参考文献 [1]传感器原理与应用[M]. 电子工业出版社 , 孟立凡, 2007 [2]屈晓南; 胡明; 张世名; 尹玉刚. SiC高温电容压力传感器封装结构优化[J]. 计算机仿真2013(03):45-46 [3]郭长旭，庞士信，张治国.波纹膜片性能分析[J].仪表技术与传感器，2010, 04： 9-10, 55. [4]刘峰. 压力传感器的焊接封装[J]. 衡器, 2015(11):38-40 [5]Mansoor Mohtashim， Haneef Ibraheem， Akhtar Suhail. An SOI CMOS-Based Multi-Sensor MEMS Chip for Fluidic Applications[J].Sensors, 2016(05):72-76 [6]Yao, Guang Xiu，Du, Han Yu，Huang, Qing An. Multi-Chip Module Design of a MEMS Air Pressure Sensor[J]. Key Engineering Materials, 2015(12):99-102 [7]A Mohan，AP Malshe，B Sriram. Multi Chip Module (Mcm) Design For Packaging Of A Mems Pressure Sensor[J]. Polymers & Adhesives in Microelectronics & Photonics .polytronic .international C，2007(10)：88-91 [8]李俊龙,朱平. 无引线封装的SOI压阻式压力传感器设计.仪表技术与传感器,2017(12):23-25 [9]袁鸿.波纹膜片非线性力学进展[J] .暨南大学学报(自然科学版)，2009,30 (OS)：18-21. [10]刘元浩，赵立波，赵玉龙，蒋庄德，田边，孟超.基干压力传感器封装的波纹膜片的结构研究[[J].传感器世界.2008. 12： 12-15. [11]Smith C S. Physics Review, 1954； 94：42-49 [12]陈玉玲,史岩峰,张艳华,张巧寿. 高可靠性压差传感器的设计与测试[J]. 仪表技术与传感器. 2018(05) [13]Kopystynskip. The Wide-Ranging Applications of Polysilicon Layers in Solid-StateSensors and Actuators.1989,17：69-73 [14]Obemeier E.Polysilicon layers lead to a new generation of pressure sensors. Digest Tech Int'1 Conf Sol-Sta Sens and Actu, 1985：430-433 [15]张瑞,梁庭,熊继军,刘雨涛,王涛龙,王心心. 一种大量程SOI压阻式压力传感器（英文）[J]. 传感技术学报. 2015(08) [16]传感器技术[M]. 东南大学出版社 , 贾伯年, 2007 [17]田雷,尹延昭,苗欣,吴佐飞. 无引线封装高温压力传感器[J]. 半导体技术. 2014(12) [18]Pollak-Diener G,Montag techniken fur siligium-sensoren,Technisechen Messen tm 56(1989) R.oldenbourg Verlag.422-429 [19]刘晓为. MEMS传感器接口ASIC集成技术[M]. 国防工业出版. 2013 [20]Wails C,Pomerantz DJ.J.Appl.phys,1969,40：3946-3949 [21]Borom M P,Amer J.Ceram.Soc.,1997,56：254-257 [22] Kanda Y,Matsudak,Murayamac,etal. The mechanism of field-assisted silicon-glass[J].Sensors and Actuators 1990；A21-23：P939 [23]Michael Harz.Anodic bonding for the third dimension [J].J of Micromech and Microeng, 1992；2；161 [24]Schafer H.Temperature Independent Pressure Sensor Using Polycrystalline Silicon Strain Gauges[J]. Sensors and Actuators,1989,17(3/4)：521-527 [25]张健,王军波,曹明威,陈德勇. 一种谐振式MEMS压力传感器单芯片级真空封装和低应力组装方法[J]. 纳米技术与精密工程,2013(11):36-37 [26]陈德勇,曹明威,王军波,焦海龙,张健. 谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装[J]. 光学精密工程, 2014(05):63-64 | |||
1.本课题研究的主要内容，实验设计方案，预期成果： 本文主要对耐高温压力传感器的设计及封装进行研究，分析硅压阻压力传感芯片的优设计，对其薄膜形状及厚度、芯片结构及性能估算、灵敏度温度漂移的补偿等环节，探讨封装的基本要求及典型封装形式、不锈钢膜片封装、静电键合等内容，然后通过具体的实验过程，采用建模和仿真的方法对压力传感器进行静电键合设计和实验； （1）MEMS气体压力传感器的设计 在硅弹性模片上，用集成电路的扩散技术在一定硅向上制作四个压力敏感电阻，将他们连接成惠斯顿电桥的形式。就构成了最基本的压力敏感器件。 1）压阻全桥原理。在压力传感器的设计中，为了提高满量程输出，减小零点温度漂移及提高线性度，通常把压敏电阻连接成全桥结构。电桥一般采用恒压源或恒流源两种方式供电。 a.恒压源供电。恒压源供电时，电桥的具体连接方式如图(1)所示。图中、、、为用扩散方法形成的四个桥臂电阻。在零压力初始状态时，电桥的输出为： 图1 恒压电路原理图 图2恒流电路原理图 b.恒流源供电。采用恒流源供电，桥路连接方法如图2所示。这时零输出电压为： 恒流源供电时，输出电压与压敏电阻增量及恒流源电流成正比。恒流源精度对传感器精度有影响。这种供电方法的优点是电桥的输出与温度无关，不受温度的影响。 2）压敏电阻的设计 压力敏感器件由扩散在硅膜上的四个电阻连成的惠斯顿电桥组成。电阻的设计直接影响器件的性能。电阻的阻值范围根据不同的应用场合，从几百欧姆到几千欧姆。电阻的形状，根据硅膜片的结构和尺寸，一般选用图3所式的两种形状。电阻的形状确定之后，可用下式计算阻值： 图3电阻条常用形状 （2）硅膜片上的压阻全桥设计。硅压阻式压力传感器常用的膜片结构有圆形、方形和矩形三种。硅膜片的结构不同，在压力作用下，硅膜片上的应力分布也不同，因此，压阻全桥在硅膜片上的设计也不同。在传统的工业用压阻式压力传感器中，硅膜片用机械研磨方法在硅片背面加工而成(即形成所谓硅杯)。这种方法加工的硅膜片尺寸较大，一般是直径10mm左右的圆形硅膜片。这时，电阻的尺寸可取得较大，电阻位置的偏差影响也比较小。但是，在集成化和微型化的压力传感器中，硅膜的尺寸大大缩小，电阻值和位置偏差引起的灵敏度偏差有可能成为影响桥路性能的重要因素。因此，在较小的硅膜上保证较高的电阻精度和降低位置灵敏性，就成为为小型化压力传感器压阻全桥设计中的重要问题。在压力敏感器件的设计中，晶体的取向主要有(100)和(110)晶面两种。为了提高膜的加工质量，可配合各向同性腐蚀。特别是在集成压力传感器中。方形和矩形硅膜片，为适应各向异性腐蚀工艺的要求，硅膜通常选在近来，方形和矩形膜比较流行，使用各向异性腐蚀的方法制作。 （3）多晶硅压力传感器芯片结构设计及工艺过程。 多晶硅压力传感器利用多晶硅的压阻效应原理，由于多晶硅膜的横向压阻效应远小于纵向压阻效应，在设计中充分利用了纵向压阻效应。本课题在研究中采用了矩形硅膜，其应力分布如前节所述，膜中心和边缘存在不同的两个应力区。当长宽比大于2时，横向压阻效应可以忽略。传感器四个电阻中，一对电阻置于应变膜中央部分，电阻在应力作用下，阻值变小；另一对电阻置于应变膜边缘附近，电阻在应力作用下，阻值变大。将四个电阻连成一个惠斯顿电桥的形式，便可产生较大的输出信号。 对压力传感器的芯片版图进行合理的设计，达到充分利用压阻系数和应力的联合作用效果：希望弹性膜上有较高的应力以保证较高的灵敏度，同时要使弹性膜的承载能力大大超过传感器的使用量程上限，即弹性膜上的最大应力应远低于材料的断裂强度。对电阻条进行合理的布置和设计，在不降低膜片的过载能力条件下，怎样使传感器获得较高的灵敏度，较小的零点输出，热零点漂移、热灵敏度漂移，是版图设计中要解决的问题。有限元理论以及计算机与相应软件的发展为应力计算提供了极大的方便。 多晶硅压力传感器芯片采用双面抛光电阻率为的n型(100)硅片作为衬底，在其上热氧化生成一层膜厚均匀、致密、无针孔的膜作为隔离，工艺流程图如下： 图4 工艺流程图 （2）MEMS气体压力传感器的封装 对于压力传感器的封装，概括起来，应该满足以下几方面的要求：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；2）避免热应力对芯片的影响；3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；4）电磁上要求是屏敝的；5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容。目前 MEMS 封装应用最为广泛的三种形式是：金属封装、塑料封装和陶瓷封装，这三种封装各有优劣。图5是MEMS封装中最常见的3种封装形式。 图5 MEMS 封装常见的三种形式 1）压力传感器的隔离式封装 为了防止硅芯片的腐蚀，人们使用了隔离结构来阻止芯片与待测介质的接触。由于不锈钢波纹膜片在低压下具有近于直线的弹性特性曲线以及良好的耐腐蚀性。因此，人们使用了不锈钢隔离膜式的金属封装。这种封装结构为气密封装。它的固态应变膜片特性、不锈钢隔膜结构和极好的动态性能可满足信号对压力传感器的高稳定、高可靠、低功耗、动态测试等的要求。它不但可以进行普通的气体及液体的压力测量，而且可以用于腐蚀性的气体及液体如酸、碱及各种液体推进剂等的压力测量。 采用隔离膜片封装的压力传感器利用了不锈钢膜片的弹性力学特性和硅油在低压力下的不可压缩性，由气密性良好的金属外壳和TO(Transistor-Outline)底座通过焊接形成一个密封的腔体，芯片贴于腔体内的TO上表面，腔体内充满了硅油。当传感器工作时，外界待测介质和感压芯片被硅油与不锈钢膜片隔离开来，使压力几乎可以没有损耗的传递到压力芯片。隔离式封装的压力传感器主要由TO基座、金属外壳、硅油、芯片及不锈钢膜片组成，如图6所示。 图6 压力传感器的隔离封装结构示意图 2）隔离式封装的结构设计 压力传感器隔离封装的器件主要包括TO基座、金属外壳、硅油、芯片及不锈钢膜片等，其中，封装材料的成本高达75%甚至更高。此外，封装材料的优劣对传感器的稳定性和可靠性也有很大的影响。因此，可以说封装结构的设计和材料的选择直接影响到了压力传感器的价格和性能。在封装的各器件中，TO基座一般有标准的制作工艺和结构形式。 a.隔离膜片的设计。膜片的设计和加工是实现传感器固态隔离封装的关键因素。隔离膜片应具有抗腐蚀、厚度小、弹性好等特点。要使膜片无损耗的传递压力，则必须消除自身变形应力的影响，波纹形状的膜片可以通过波纹间的结构形变和自调整来减小自身变形应力，从而提高传感器的线性度和响应灵敏度。 图7 波纹片结构图示 b.金属外壳与充油腔体的设计。由于隔离膜压力传感器需要工作在腐蚀性的环境中，除了波纹片选用不锈钢之外，与待测介质接触的TO基座和金属外壳都要采用抗腐蚀的材料。基于封装的热匹配的考虑，TO基座选用的材料为可伐合金，综合考虑TO与金属外壳的可焊接性、成本以及传感器的精度要求等问题，采用不锈钢TO也可以满足要求。由于TO与外壳为同种材料，这样封装之后的压力传感器可能会有更高的可靠性。本课题金属外壳采用了不锈钢304，这种材料是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。 图8 金属外壳结构示意图 c.陶瓷基座的设计。硅油在温度升高时的体积会变大，虽然波纹片对其体积变化有一定的补偿作用，但是硅油温度的升高还会增加腔体内的压力，使得压力传感器在高温时的输出偏大。为减小因硅油的热膨胀造成的附加压力，硅油的充灌量越小越好。由于金属外壳的充油腔形状比较规则，我们可以设计不规则形状的陶瓷基底来填充油腔。选用陶瓷材料的原因是 TO 基座（可伐材料）、陶瓷、硼硅玻璃(Pyrex7740)的热膨胀系数很接近，这样可以减小热失配所导致的芯片上的附加压力，陶瓷还是绝缘体，它不会吸附气体杂质等，因而不会对硅油油质产生影响。此外，陶瓷的硬度高、杨氏模量大、导热性好，将芯片贴于陶瓷之上，也可以减小安装时的安装应力对传感器性能的影响。本文设计了两种符合这种结构的陶瓷基座： 图9 两种结构的陶瓷基座 3）隔离式封装的工艺设计。压力传感器封装的基本工艺包括清洗、贴片、引线键合、气密焊接（包括氩弧焊、电容储能焊接）等。下面主要通过有限元和实验分析了玻璃基底的选择、贴片胶的选择、硅油的选择和处理等关键技术问题。 a.玻璃基底的研究。芯片和玻璃基底之间的静电封接工艺是压力芯片封装中常用的工艺。为了避免芯片在封接时产生大的热应力，通常选用热膨胀系数与硅相近的材料作芯片的载体。静电键合是不导电的、气密的，具有良好的热稳定性和化学稳定性，而且机械强度高。将硅片与Pyrex7740进行静电键合时，无论是芯片还是圆片，由于Pyrex7740和硅有相接近的膨胀系数，封接所造成的热应力是很小的。这对扩散硅压力传感器极为有利。不过，这是一种理想情况，而实际生产中还时常出现键合面开裂的问题。开裂的原因是原始裂纹和微开裂，造成应力集中。封接时的热循环又造成裂纹和开裂的传播。因此，在静电键合中优化键合工艺参数和封装的结构参数是及其重要的。 b.贴片胶的选择。压力芯片和TO基座或陶瓷基座的连接是通过有机高分子材料的胶接工艺实现的，这种材料要求机械强度高、耐水、油、弱酸性或碱性介质、耐热、耐低温。这种高分子胶接材料我们统称为贴片胶。相对于其他的芯片与TO的连接方式来说，胶接工艺不仅具有工艺灵活、工艺温度低、不需要助焊剂等优点，而且其工艺设备也相对便宜，因而得到广泛的应用。贴片胶的种类很多，性能参数也各不相同，因此它们的应用环境也不一样。衡量压力传感器贴片胶的好坏主要有2个参数：贴片胶的杨氏模量和剪切强度，其中杨氏模量决定了传感器的温度稳定性，剪切强度决定了传感器芯片的贴片的牢固与否。压力传感器的芯片为硅材料，基板通常为可伐或陶瓷材料。由于芯片和基板为不同材料，其热膨胀系数不同。当胶高温固化后，再冷却到室温，材料的膨胀和收缩程度也不相同，这样会在芯片和基板的粘接界面处产生应力。这种应力往往会影响压力传感器的输出。 (a)二维贴片胶模型 (b) 有限元分析结果 图10 贴片的二维模型及分析结果 （3）压力传感器进行静电键合设计和实验。 1）压力传感器封装的有限元分析。从膨胀系数和其可操作性上考虑，压力传感器通常是不能与基底材料直接粘合的。在传感器芯片与基底之间，必须存在一个特定的过渡层。选取合适材料作为该过渡层，可以防止在芯片和基底之间引入不希望的应力，从提高键合成功率并稳定压力传感器的输出一性能。由于硅-金属键合相对于硅-玻璃键合而言需要更高的温度，不便于实际操作。同时，硅-玻键合如选择合适的玻璃作过渡层材料，其热膨胀系数可以与金属衬底十分相近，选用玻璃可以使封接后的压力传感器分布电容小、热噪声小。另外硅-玻键合技术的气密性良好，稳定性高，不易产生蠕变。从实验的角度来看，硅-玻键合所需的设备相对简单，便于操作和实现。 1）器件建模。传感器芯片与过渡层材料键合可分为两种结构，如图4-1所示。(a)为绝对压力传感器，(b)为相对压力传感器。为了提高薄膜对外界压力的敏感程度，绝对压力传感器在键合过程中需要利用抽真空设备对芯片凹槽部分进行真空处理。键合过程复杂且成本较高。相对压力传感器结构免去了抽真空的环节，但需要在过渡层材料中心打孔。对于玻璃等透明物质，无法使用激光打孔的方法，通常可行的打孔方式为超声波打孔。由于相对压力传感器结构跳过了抽真空环节，故对外部环境要求较低。 (a)绝对压力传感器 (b)相对压力传感器 图11 传感器结构 2）仿真分析。本文将通过比较分析不同类型过渡层的装配应力大小，来选择键合材料；通过比较使用同种键合材料的两种传感器结构来判断何种结构的应力更小。 （2）静电键合实验平台设计 完成键合实验需要以下设备：1)升温及恒温装置，使玻璃发生类似电解的反应；2)高压直流电源，该电源对压力传感器硅片和硼磷硅玻璃的键合体施加一个较大的外部直流电压；3)静电键合装置，该模块用于实现硅片和玻璃的有效接触，且可以充当电源电极板。综上所述，实验设备主要由加热炉模块，高压直流电源模块和键合装置三大部分组成。 （3）键合实验的调试 第一阶段的实验完成了对12组参数的静电键合。采用恒定变量法，对第一阶段的实验结果进行分析： 1） 1-5组实验恒温温度为3000C，外加直流电压为220V，实验发现无论恒温键合时间如何延长，都不实现键合，甚至毫无键合趋势，由此说明该参数情况下不能够实现硅一玻静电键合； 2）5、6组实验通过恒定外加电压，恒定恒温键合时间，变化恒温温度进行对比分析温度对键合的影响。结果发现该参数情况下，温度对键合是否成功的影响不大； 3）7-12组实验结果预示了该键合方案和实验平台搭建的可能性，并且为220V电压不足以实现静电键合提供了依据。第一阶段的12组实验均未能满足键合要求。 预期成果： （1）研究了压力传感器的工作原理及物理特性，分析压力传感器的工艺流程。使用有限元分析方法估算出了压力传感器裸片的灵敏度及最大应力的位置，为芯片电阻的版图布局提供了理论依据。 （2）系统分析了多晶硅压力传感器的设计。多晶硅压力传感器在二氧化硅层上淀积多晶硅膜，既利用了硅优良的机械特性，又保证了压敏电阻与衬底间良好的绝缘性，大大提高了器件的温度特性。多晶硅压力传感器工作温度可超过2000C，制作工艺简单，与集成电路工艺兼容，成本低，适于批量生产。在研制和开发过程中，获得制做高质量硅杯的一整套工艺流程、工艺条件及工艺参数。 （3）研究了压力传感器隔离式封装的工艺过程。在结构设计方面，采用有限元分析方法、试验方法，优化了金属外壳和波纹膜片的结构，充油腔内填充陶瓷基座以减小温度的影响；在工艺设计方面，采用工艺力学的部分理论，对贴片胶、引线键合进行了比较深入的研究；对封装后的压力传感器进行了静态参数测试，最后结合理论与传感器的实际应用情况给出了失效模式和预防措施。 （4）预期发表论文1篇。 | |||
2.本课题研究过程中的关键问题以及解决的方法和措施： （1）压力传感器隔离膜片的设计 膜片的设计和加工是实现传感器固态隔离封装的关键因素。隔离膜片应具有抗腐蚀、厚度小、弹性好等特点。要使膜片无损耗的传递压力，则必须消除自身变形应力的影响，波纹形状的膜片（下面简称波纹片）可以通过波纹间的结构形变和自调整来减小自身变形应力，从而提高传感器的线性度和响应灵敏度。 （2）压力传感器封接材料的选取 几种封接方法中，比较有效且在生产中己得到广泛应用的是阳极键合、玻璃密封和共晶键合。传感器设计时，除了对芯片的版图需作周密的考虑外，也需选定封接方法，设计规划传感器的结构。整个传感器的封接涉及到芯片和底座间的连接以及底座和管壳之间的连接。这里涉及到力学和传热学问题。应力场和温度场的分布都可用数值模拟得到。模拟时必须知道材料的各种物理性质。热膨胀系数是判断材料间热失配应力大小的重要参数。因此，各种材料的选取可以通过实验对比得到。 | |||
3.所需要的主要设备、仪器、材料及经费预算 主要设备及仪器： 实验设备主要由加热炉模块，高压直流电源模块和键合装置三大部分组成。因此，主要设备和仪器包括加热炉、直流高压稳压电源以及静电键合装置。 经费预算：： [1] 科研业务费（两次出差）：0.20 万元 [2] 实验材料费（多晶硅样品制备，硅衬底）：2.00万元 [3] 仪器设备费（加热炉、直流高压稳压电源以及静电键合装置）：1.70万元 [4] 管理费：0.10万元 合计：4万元 | |||
4.论文工作计划进度 | |||
工作项目 | 阶段工作内容及预计完成的指标 | 起讫时间 | |
调 研 | 了解MEMS气体压力传感器的结构、特性和应用领域，以及国内外对MEMS气体压力传感器的研究现状。 | 2018.06-2018.8 | |
论文开题 | 对研究背景、研究内容和研究计划作初步安排。 | 2018.08-2018.10 | |
试验阶段一 | 分析MEMS气体压力传感器结构机理，并对传感器的结果进行仿真分析。 | 2018.10-2018.12 | |
试验阶段二 | 通过实验平台对静电键合的参数进行设置和测试，进而对键合参数进行优化。 | 2018.12-2019.04 | |
数据处理与 分 析 | 加热炉、直流高压稳压电源以及静电键合装置等对传感器的的结构及特性进行研究和分析。 | 2019.04-2019.10 | |
论文撰写 | 2019.11-2020.03 | ||
论文评阅 | 2019.11-2020.05 | ||
论文答辩 | 2020.06-2020.07 | ||
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