MEMS壓力傳感器自動組裝系統(tǒng)

1、第6卷 第4期 2008年7月納 米 技 術(shù) 與 精 密 工 程 Nanotechnology and Precision EngineeringV ol.6 No.4 Jul . 2008收稿日期:2007-04-12.MEMS 壓力傳感器自動組裝系統(tǒng)陳立國1,凌云峰2,陳濤1(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所,哈爾濱 150080;2.中國電子科技集團公司第四十九所,哈爾濱 150001摘 要:研制了MEMS 特種壓力傳感器的組裝系統(tǒng).首先給出了MEMS 特種壓力傳感器組裝工藝過程,并通過分析得出組裝精度下降將導(dǎo)致傳感器靈敏度和線性性能下降的結(jié)論.在此基礎(chǔ)上確定了自動組裝系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),并詳

2、細(xì)介紹了研制的具有力感知功能的微操作手、三工位鍵合爐以及顯微視覺等關(guān)鍵技術(shù)模塊.通過分析現(xiàn)有硅膜焊盤圖形對稱性分布的特點,給出了一種芯片中心求取方法,為高精度自動組裝奠定了基礎(chǔ).最后,將各模塊集成建立了自動組裝系統(tǒng),給出了各個模塊的控制節(jié)拍和流程,并通過實驗證明該系統(tǒng)可實現(xiàn)5,m 的組裝精度和25,s/個的組裝效率,適用于多種MEMS 傳感器的自動組裝作業(yè). 關(guān)鍵詞:微機電系統(tǒng);自動組裝;壓力傳感器;顯微視覺;中圖分類號:TP24 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1672-6030(200804-0297-05AutomaticMicroassemblySystemforMEMSPressureSe

3、nsorPackagingCHEN Li-guo 1,LING Yun-feng 2,CHEN Tao 1(1.Robotics Institute ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150080,China ;2.The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation ,Harbin 150001,China Abstract :An automatic microassembly system for MEMS pressure sensor p

4、ackaging was developed.In order to analyzethe influences of assembly precision on the sensibility ,linearity and other capabilities of sensor ,the packaging process of MEMS pressure sensor was introduced in detail.The automatic assembly system consists of a micro force sensor integrated micromanipul

5、ator ,a bonding centre with three working cells ,and a microscopic vision module.Through analyzing the sym-metry characteristics of graph of welding points on the chip ,a detection method was given for locating chip centre ,which lays a foundation for automatic assembly with high precision.At last ,

6、the automatic assembly system was developed and the time distributing in a manufacturing cycle was provided.Experimental results prove that the system has 5m precision and 25 s/chip efficiency ,and can be used for many other packaging tasks.Keywords :MEMS ;automatic assembly ;pressure sensor ;micros

7、copic vision壓阻式硅微壓力傳感器是當(dāng)前商業(yè)化最為成功的MEMS 傳感器之一,在石油化工、化纖、冶金、窯爐、汽車以及航空航天發(fā)動機等環(huán)境下的壓力測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景1-2.但是由于壓力傳感器的組裝工藝過程仍以手工操作為主,無法滿足傳感器批量制造的需求.由于傳感器芯片尺寸微小、組裝精度要求高,存在操作困難、精度低和一致性差等各種問題.采用高精度、自動化微操作系統(tǒng)實現(xiàn)組裝作業(yè)是解決上述困難的唯一途徑.隨著高溫壓力傳感器批量制作的迫切需求,合理設(shè)計鍵合工藝、開發(fā)實用化自動鍵合設(shè)備具有重要的研究意義和實用價值.298 納 米 技 術(shù) 與 精 密 工 程 第 6卷 第 4期對傳感器的靈敏

8、度和線性等性能的影響,然后給出了自動組裝系統(tǒng)的工作流程,并詳細(xì)介紹了關(guān)鍵技術(shù)模塊.最后對自動組裝系統(tǒng)進行了實驗研究并給出了系統(tǒng)的節(jié)拍控制. 圖1 典型高溫壓力傳感器靜電鍵合工藝1 組裝精度對傳感器性能的影響分析傳感器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示,圖中壓阻條在N 型硅上表面分別沿<110>和<110>方向分布,組成一對惠斯通全橋差分檢測電路,用來檢測作用在硅膜片是上的壓力變化情況. 圖2 壓力傳感器結(jié)構(gòu) 對硅杯膜片進行受力分析,可以推導(dǎo)出硅杯薄膜在壓力p 作用下沿徑向和切向的應(yīng)力表達式為(222222313831138r p r a r hp r a r h µµ

9、;µµ=+=+(1式中:p 為作用在硅膜片上的外部壓力;a 為硅膜片的半徑;r 為距離硅膜片邊緣距離;h 為硅膜片厚度;µ為泊松比, µ=0.35. 當(dāng)硅片上的壓阻受到徑向和切向的應(yīng)力作用時,壓阻的變化率可以表達為l l t t RR =+= (1 444411(22r r r (2式中:l 、t 分別為縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù);l 、t 分別為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力.假設(shè)測試電壓為V p ,則檢測電橋的輸出電壓V o 可以表達為o p 4444p 11(22r R V V r r V R =(4(4 2244p 23(1(316V a r hµ

10、µ+ (4 22(1(13a r µµ+ (3 從式(3可以得出,當(dāng)式(4成立時,壓阻在外力作用下只受徑向應(yīng)力的作用,切向應(yīng)力等于零. 10.81613r aa µµ+=+ (4 在傳感器設(shè)計過程中通常將壓阻條設(shè)計在理想位置處,以提高傳感器的靈敏度.但是在傳感器的制造過程中,玻璃環(huán)與硅芯片的組裝精度同樣會影響傳感器的性能.從組裝工藝看,當(dāng)組裝出現(xiàn)偏差時,壓阻條的理想位置會發(fā)生改變,切向應(yīng)力的存在造成傳感器的靈敏度下降.此外,組裝偏差同樣造成4個壓阻位置偏差的不一致性,使得傳感器的線性受到很大影響.而現(xiàn)有的組裝過程通常是手工操作,很難保證組裝精度

11、,進而無法實現(xiàn)傳感器性能參數(shù)的穩(wěn)定控制.2 自動組裝系統(tǒng)的研制從特種高溫壓力傳感器鍵合工藝分析,要實現(xiàn)自動化鍵合作業(yè),對組裝系統(tǒng)功能提出以下要求. (1微操作手及作業(yè)工具方面:除了具有力感知功能實現(xiàn)微小器件的安全拾取和放下外,同時還要提供鍵合需要的壓力(1,N . (2組裝功能模塊:除了裝配功能外,必須提供電壓和溫度加載功能,滿足鍵合條件. (3組裝對準(zhǔn)功能:傳感器硅芯片與玻璃環(huán)的對準(zhǔn)主要在高精度的顯微視覺下進行,使芯片與玻璃環(huán)的對準(zhǔn)精度達到工藝要求. (4自動倉儲功能:采用操作手結(jié)合作業(yè)工具實現(xiàn)硅芯片和玻璃環(huán)的搬運、調(diào)整,在鍵合加工中心完成鍵合后,還要實現(xiàn)成品的自動存儲.特種高溫壓力傳感器自

12、動化封裝工藝流程如圖3所示.圖3 MEMS 特種高溫壓力傳感器自動組裝流程2008年 7月 陳立國等:MEMS 壓力傳感器自動組裝系統(tǒng) 2992.1 模塊化操作手及作業(yè)工具 微操作手不僅要精確吸附及搬運微器件,而且考慮到操作手工作在高溫(450,左右、高電壓(1,200,V (DC 、加載作業(yè)(1,N 的環(huán)境中,系統(tǒng)必須絕熱、絕緣且具有力檢測單元.為了便于組合、更換,將操作手進行模塊化設(shè)計,包括移動定位模塊、力傳感模塊和作業(yè)工具模塊.移動定位模塊主要實現(xiàn)整個操作手的多自由度精確定位;力傳感模塊由手臂、微力傳感器、絕緣絕熱體構(gòu)成,實現(xiàn)操作力的控制并保證操作手絕緣、絕熱;作業(yè)工具模塊是一個微真空吸

13、附器,根據(jù)器件的形狀、尺寸和質(zhì)量設(shè)計真空吸頭的尺寸和形狀,從而滿足操作要求.系統(tǒng)建立時,根據(jù)需要將各模塊組裝,迅速建立使用的操作手.其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示.高精度的步進電機控制系統(tǒng)是一種價格低廉、實用性較強的精密定位結(jié)構(gòu).本文根據(jù)芯片類MEMS 器件尺寸范圍及對準(zhǔn)精度要求,采用了步進電機平臺組合成四自由度精密運動平臺,運動自由度運動性能指標(biāo)如表1所示. 圖4 微操作器的基本結(jié)構(gòu)表1 四自由度微操作手運動定位模塊性能指標(biāo)指標(biāo) 旋轉(zhuǎn)自由度/(°XY 工作臺/mZ 向自由度/m行程 360 1.5×1053×104分辨力 0.001 0.4 0.11, 重復(fù)誤差<

14、0.01< 1,< 0.3,2.2 鍵合模塊圖5 鍵合爐模塊2.3 顯微視覺系統(tǒng)顯微視覺系統(tǒng)是整個組裝控制系統(tǒng)的核心.組裝對象的位置信息經(jīng)過顯微鏡放大后,由CCD 攝像機將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)圖像采集卡送入計算機,用專用軟件對圖像進行分析處理,判斷系統(tǒng)的焦面狀態(tài)和目標(biāo)位置狀態(tài),將結(jié)果送入控制系統(tǒng),通過自動調(diào)焦機構(gòu)調(diào)整顯微鏡在垂直工作臺方向的位置以獲得最清晰的圖像,實現(xiàn)自動調(diào)焦.另一方面,通過操作手定位模塊和鍵合爐模塊位置調(diào)整,將芯片和玻璃環(huán)移到視野中央,通過專用軟件實現(xiàn)芯片位置 測量5-7.采用中國大恒圖像公司的CG400圖像采集卡、WAT231S 型CCD 攝像機和日本駿河公

15、司的V20-507型單筒連續(xù)變倍顯微鏡構(gòu)成顯微視覺系統(tǒng).顯微鏡的工作距離為90,mm ,其放大倍數(shù)可在0.254.5范圍內(nèi)調(diào)節(jié),經(jīng)測試,當(dāng)系統(tǒng)采用2倍物鏡時,視覺測量精度可達到5,µm ,滿足不同尺度器件組裝的要求.顯微視覺系統(tǒng)的一個重要任務(wù)就是要實現(xiàn)硅芯片中心和玻璃環(huán)引壓孔中心的識別.通常采用的方法就是對顯微圖像分割后求取圖像重心的位置作為幾何中心8.圖像分割后的圖像如圖6所示.中心位置可由式(5獲得.110001100110001100(,(,(,(,M N x y M N x y M N x y M N x y yI x y x I x y xI x y y I x y = (

16、5 1(,(,0(,x y I x y x y =對象背景 式中:M 為圖像的寬度;N 為圖像高度.芯片中心和玻璃環(huán)中心的求取直接影響系統(tǒng)的組裝精度.對于玻璃環(huán)引壓孔中心,由于圖像結(jié)構(gòu)簡單,采用上述方法即可滿足精度要求;而對于芯片中心的求取需要進行修正.芯片的原始圖像如圖7所300納 米 技 術(shù) 與 精 密 工 程第6卷 第4期示.中間的圓型區(qū)域是芯片設(shè)計時給出的與玻璃環(huán)引壓孔對準(zhǔn)的標(biāo)志區(qū)域,白色部分是在該系統(tǒng)光照條件下的壓阻引線和焊盤區(qū)域.傳感器設(shè)計時考慮了以后的調(diào)整和補償,橋式電路設(shè)計成開環(huán)形式,因此傳感器顯微圖像經(jīng)過自適應(yīng)閾值分割后形成圖8所示的5塊區(qū)域.由于這5塊區(qū)域是非對稱分布的,按

17、照式(5求取中心顯然與對準(zhǔn)標(biāo)志區(qū)域的圓形中心偏差較大. (a 芯片圖像分割結(jié)果(b玻璃環(huán)圖像分割結(jié)果圖6圖像分割后的芯片和玻璃環(huán)圖像圖7硅芯片圖像13254圖8硅芯片圖像分割后標(biāo)識對象結(jié)果仔細(xì)分析芯片圖像可知,區(qū)域1和區(qū)域2呈對稱分布,且與標(biāo)志區(qū)域中心相對位置固定.因此,本文首先采用面積濾波的方法剔除掉其他小區(qū)域,得到圖9所示圖像;然后,通過求重心的方法分別求出2個區(qū)域的重心位置O1和O2.與兩點聯(lián)線垂直的方向(如圖9虛線箭頭方向就是偏移調(diào)整的方向,調(diào)整的距離L可由傳感器掩模板的尺寸確定.OO1L2圖9標(biāo)志區(qū)域中心求取方法示意3 自動組裝系統(tǒng)實驗表2為一個加工周期內(nèi)各模塊的動作流程.其中玻璃環(huán)

18、傳輸10,s,芯片傳輸、定位以及成品傳輸5,s/個,每個工位鍵合時間30,s.經(jīng)過合理配置運動節(jié)拍,一個循環(huán)周期為75,s,正常運轉(zhuǎn)后每兩個成品倉儲的時間間隔為25,s,大大提高了生產(chǎn)效率.圖10MEMS組裝系統(tǒng)2008年7月陳立國等:MEMS壓力傳感器自動組裝系統(tǒng) 301表2自動組裝流程時間/s 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 657075鍵合頭1SB鍵合頭2SB鍵合頭3SB操作手P C B A P C B A P C B A注:P為成品傳輸;C為芯片傳輸;B為玻璃環(huán)搬運傳輸;A為定位對準(zhǔn);SB為鍵合.4 結(jié) 語參考文獻:1 朱作云,李躍進,楊銀堂,等.

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