MEMS氣體壓力傳感器的設(shè)計(jì)與封裝研究開題報(bào)告

1、開題報(bào)告MEMS氣體壓力傳感器的設(shè)計(jì)與封裝研究學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：機(jī)械學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：論文題目MEMS氣體壓力傳感器的設(shè)計(jì)與封裝研究論文選題來源國(guó)家及科研項(xiàng)目省級(jí)科研項(xiàng)目市校級(jí)科研項(xiàng)目vt選項(xiàng)目本課題研究的目的，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)或?qū)W術(shù)上的價(jià)值和意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì):本課題的總體目標(biāo)是在MEMS氣體壓力傳感器設(shè)計(jì)和封裝等方面取得一定具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究成果，形成有特色的研究體系。通過對(duì)硅壓阻壓力傳感芯片的一系列研究，為MEMS氣體壓力傳感器的設(shè)計(jì)、封裝和應(yīng)用提供重要的依據(jù)。一、研究目的MEMS(Microelectric-mechanicalSystems)即微機(jī)電系統(tǒng)，是在集成電路生產(chǎn)技

2、術(shù)和專用的微機(jī)電加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高新技術(shù)。完整的MEMS一般是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)，其中微傳感器用于感知外界信息，如力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)等信號(hào)，微執(zhí)行器用于控制對(duì)象，MEMS系統(tǒng)的尺寸通常在微米和毫米量級(jí)。MEMS技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的一種革新，MEMS器件可以做的很小，集成度很高，可以批量生產(chǎn)，大大降低了機(jī)電系統(tǒng)的成本，可以工作在很多微小尺寸的場(chǎng)合；也可以嵌入大尺寸機(jī)電系統(tǒng)中，極大的提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、集成化、智能化以及可靠性水平1。MEMS類傳感器是近年來廣泛應(yīng)用的一類傳感器。與傳統(tǒng)的各種類型的傳感器

3、相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、耗能低、慣性小、可靠性高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于應(yīng)用了十分成熟的集成電路技術(shù)和硅微加工工藝，可以制造出高集成度、高可靠性、穩(wěn)定性的傳感器，適合大批量生產(chǎn)，大幅降低傳感器的生產(chǎn)成本。MEMS類傳感器在航空、航天、汽車電子、生物、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化、軍事等幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。二、價(jià)值和意義傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。在各種傳感器中，壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的一種。但目前使用的硅壓力傳感器主要是擴(kuò)散硅壓力彳感器，其應(yīng)變電橋采用P型擴(kuò)散電阻，而應(yīng)變膜

4、是N型硅襯底，兩者之間是自然的pn結(jié)隔離。當(dāng)工作溫度超過1200C,應(yīng)變電阻與襯底間的PN結(jié)漏電力口居心使傳感器特性嚴(yán)重惡化以至失效，因而不能在較高溫度環(huán)境下進(jìn)行壓力測(cè)量。而石油、汽車、航天等領(lǐng)域的使用要求，使高溫壓力傳感器白研究成為必然3。隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，人們提出了多種高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)研制出多晶硅壓力傳感器、SOI單晶硅壓力傳感器、SIC壓力傳感器、SOS(SilicononSapphire)藍(lán)寶石上硅壓力傳感器、石英壓力傳感器、濺射合金薄膜壓力傳感器、陶瓷厚膜壓力傳感器和光纖壓力傳感器等。多晶硅是半導(dǎo)體集成電路中廣泛應(yīng)用的薄膜材料4。它的物理和化學(xué)性質(zhì)通常取決于薄

5、膜的結(jié)構(gòu)（如晶粒的尺寸）和摻雜的類型與濃度。80年代后期，基于多晶硅較大的壓阻系數(shù)和良好的溫度特性，有人提出了多晶硅高溫壓力傳感器。多晶硅壓力傳感器以SiO2介質(zhì)隔離代替PN結(jié)隔離，減小了器件在高溫下的漏電，從而提高了傳感器的工作溫度。多晶硅的應(yīng)變因子較大，因而傳感器靈敏度高。多晶硅薄膜工藝成熟，傳感器制作工藝為半導(dǎo)體集成電路平面工藝結(jié)合微機(jī)械加工技術(shù)，芯片易于批量制作，成本低廉。SOI（SilicononInsulator）是新興的半導(dǎo)體材料，具有自隔離、體漏電小、寄生電容小、抗輻射、無體硅門鎖效應(yīng)等特點(diǎn)，最早應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體器件。SOI材料的特殊結(jié)構(gòu)使之也成為制作傳感器的理想材料。國(guó)外已

6、有研制成功的SOI單晶硅壓力傳感器，天津大學(xué)也研制出樣品，目前正處于測(cè)試階段。SOI單晶硅壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與多晶硅壓力傳感器相似，主要區(qū)別在于采用單晶硅薄膜制作惠斯通電橋的4個(gè)應(yīng)變電阻。除保持多晶硅壓力傳感器己有長(zhǎng)處和特點(diǎn)之外，由于單晶硅材料有更大的壓阻系數(shù)（多晶硅薄膜在相同摻雜濃度下，壓阻系數(shù)約為單晶硅材料的60%-70%）,可以通過優(yōu)化傳感器芯片設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。此外，SOI工材料是制作高溫、高速、抗輻射等特殊集成電路的基本材料，SOI單晶硅壓力傳感器工藝是標(biāo)準(zhǔn)的集成電路平面工藝，這樣就可以實(shí)現(xiàn)工作于惡劣環(huán)境的單片智能測(cè)壓系統(tǒng)。SOIMEMS現(xiàn)己成為MEMS的主要研究方向之一

7、5。SiC材料是第三代直接躍遷型寬禁帶的半導(dǎo)體材料。它的寬禁帶結(jié)構(gòu)、高擊穿電壓和較高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，使其具有優(yōu)良的抗輻射性能和高溫穩(wěn)定性，可用來制作高溫器件。SiC還具有良好的機(jī)械性能，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及較大的壓阻系數(shù)，所以可以用來制作壓力傳感器。目前SiC高溫器件和傳感器的研究是一個(gè)非常熱門的領(lǐng)域。-些陶瓷材料具有壓阻效應(yīng)，可用于制作壓力傳感器。應(yīng)用最廣泛的是PZT材料。用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在陶瓷基板的特定位置上印出一定的PZT漿料圖形，通過高溫?zé)Y(jié)，形成應(yīng)變電阻。圓形陶瓷基板與底座間也是用燒結(jié)法形成固支結(jié)構(gòu)。這是陶瓷應(yīng)變壓力傳感器的基本工藝。陶瓷抗腐蝕，耐高溫。厚膜壓力傳感器的工作溫度一般可達(dá)

8、到1500C。瑞士Kistler公司以生產(chǎn)厚膜壓力傳感器聞名6。由于絲網(wǎng)印刷工藝精度和漿料均勻性的限制，這類傳感器的應(yīng)變電阻一般需要進(jìn)行激光修正才一能達(dá)到較好的一致性。另外厚膜壓力傳感器的靈敏度相對(duì)較低，且功耗大。壓力傳感器的一個(gè)主要發(fā)展方向是繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的敏感材料和加工工藝，使傳感器結(jié)構(gòu)更精細(xì)，性能更優(yōu)越，以適應(yīng)各種環(huán)境測(cè)壓的要求。另一方面現(xiàn)代MEMS工藝與半導(dǎo)體集成電路平面工藝相結(jié)合使壓力傳感器朝著單片集成和多功能化方向發(fā)展。作為MEMS最主要的產(chǎn)品，壓力傳感器尤其是高溫壓力傳感器有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。以上幾種典型的高溫壓力傳感器，各具特點(diǎn)但又各有不足，因而適合在不同環(huán)境中使用?？偟膩碚f，多晶

9、硅、SIO單晶硅、SiC等半導(dǎo)體壓力傳感器最具發(fā)展前途。因?yàn)樗鼈兊闹谱鞴に囅冗M(jìn)，與半導(dǎo)體集成電路平面工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化，符合傳感器的發(fā)展方向。我們應(yīng)大力開展這方面的研究工作，以期在MEMS這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)早在1932年，Bridgeman等人就對(duì)晶體的壓阻效應(yīng)進(jìn)行了初步研究：1954年C.S.Smith首先發(fā)文論述了硅和錯(cuò)的壓阻效應(yīng)：1958年貝爾實(shí)驗(yàn)室率先研制出硅體型應(yīng)變計(jì)，并于1960年商業(yè)化：60年代初，由于硅平面集成工藝技術(shù)的應(yīng)用，敏感兀件和彈性兀件的一體化成為現(xiàn)實(shí)，很大程度上改善了蠕變、滯后、重復(fù)性、穩(wěn)定性以及溫度漂移性：70年

10、代以后，周邊固支的力敏電阻與硅膜片一體化的擴(kuò)散型壓阻傳感器問世，它是一種具有代表性新型傳感器：80年代后期以來，人們實(shí)現(xiàn)了千帕以下量程的微壓傳感器的高性能化與市場(chǎng)化：目前，壓力傳感器正向高精度、高可靠性、寬溫度范圍、微功耗、無源化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展7。國(guó)外目前的壓力傳感器技術(shù)性能已達(dá)到較高的水平，主要表現(xiàn)在：精度高，測(cè)量范圍寬：小型化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化：可靠性高、穩(wěn)定性好：品種多，更新?lián)Q代快。傳感器量程0.01-10000Psi,測(cè)量精度一般為0.1A0.01%FS,尺寸最小可達(dá)0.25mm,穩(wěn)定T為0.1%FS/年，重復(fù)性為0.005%FS,滯后0.001%FS,溫度誤差0.0002%

11、FS,并能進(jìn)行較大范圍的溫度補(bǔ)償。當(dāng)前從事汽車MEMS壓力傳感器研制和生產(chǎn)的著名企業(yè)和廠家有Philips,Motorola,TI,ICSensor,SMI,GE,Bosch等8-12。德州儀器生產(chǎn)的一系列壓阻式壓力傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)歧管、推進(jìn)和增壓、制動(dòng)系統(tǒng)壓力、車輛穩(wěn)定性控制、共軌壓力、機(jī)油燃油壓力、變速箱座椅承載檢測(cè)等領(lǐng)域。傳感器量程最高可達(dá)40000Psi，精度優(yōu)于0.25%FS,精確溫度補(bǔ)償范圍為-40-1400C,具有很高的可靠性13。在材料方面，甲一在上世紀(jì)七十年代A.D.Kurtz等人已使用SOI材料成功研制出了高溫壓力傳感器。如今美國(guó)科萊特公司采用BESOI制備技術(shù)研究并開發(fā)

12、出了可以在高溫下工作的壓力傳感器，它的最高工作溫度可達(dá)480攝氏度；以法國(guó)LETI研究所聯(lián)合斯倫貝格公司等單位共同參與，最高工作溫度為4000C的SOI高溫壓力傳感器也已成功研制出來14。SOI高溫壓力傳感器在國(guó)內(nèi)也取得一些成績(jī)，如天津大學(xué)也研制出了能在300攝氏度范圍內(nèi)正常工作的SOI高溫壓力傳感器。西安交通大學(xué)成功研制出以SIMOX技術(shù)為指導(dǎo)的SOI耐高溫微壓力傳感器，有著非常高的壓力測(cè)量范圍以及很好的耐高溫沖擊能力15。中國(guó)科學(xué)院傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出采用真空封裝技術(shù)基于SOI晶圓的微壓力傳感器。傳感器封裝是感應(yīng)芯片與載體或管殼的連接，這對(duì)傳感器而言至關(guān)重要。封裝的好壞直接影響著

13、傳感器的性能。壓力傳感器的封裝方法主要有軟封接和硬封接兩種。硅膠粘接和環(huán)氧樹脂屬于軟封接。陽極鍵合、硅直接鍵合、共晶鍵合和玻璃密封屬于硬封接。由于高溫壓力傳感器是需要在高溫環(huán)境下工作的，普通的封裝技術(shù)不能很好地滿足高溫壓力傳感器的封裝要求，下而介紹兩種新型的封裝技術(shù)。NASAGlenn研究中心與Kulite半導(dǎo)體公司合作開發(fā)了一種直接封裝技術(shù)，這種不用普通引線連接的技術(shù)解決了封裝難題。使用這種封裝時(shí)，不再使用引線鍵合引出信號(hào)，而是直接從感應(yīng)膜片金屬層由Pt線引出，避免了引線鍵合中觸點(diǎn)失效的問題16。另外，傳感器C型感應(yīng)膜片的壓敏電阻而不直接與高溫介質(zhì)接觸，從而保護(hù)敏感壓阻、歐姆接觸等不直接承受

14、高溫介質(zhì)的沖擊，能有效提高傳感器壽命。德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)開展SiC壓阻式壓力傳感器的研究。在上世紀(jì)90年代，與奔馳公司合作開發(fā)了基于3C-SiC/SOI的壓阻式壓力傳感器。其全SiC結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，封裝上另辟蹊徑，介質(zhì)壓力通過推桿傳遞到感應(yīng)膜片17。根據(jù)工作原理劃分，壓力傳感器可分為電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、電感式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、電容式壓力傳感器等。其中壓阻式結(jié)構(gòu)是日前研究最熱、成果最多的一種，它有著高精度、高靈敏度、高頻響等優(yōu)點(diǎn)18。壓阻式壓力傳感器是一種新型壓力傳感器。它的前身是平膜應(yīng)變傳感器，因此基本測(cè)量原理與平膜應(yīng)變傳感器相同。但它以

15、是半導(dǎo)體材料作為感應(yīng)膜片，在膜片上使用集成電路擴(kuò)散工藝制成四個(gè)等值壓敏電阻，組成惠斯頓電矯，當(dāng)膜片受力后、由于材料的壓阻效應(yīng)19。壓敏電阻值發(fā)生變化，使電橋平衡破壞從而輸出電信號(hào)以測(cè)得壓力的變化，感應(yīng)膜片結(jié)構(gòu)已成為影響壓阻式壓力傳感器性能的關(guān)鍵。Hopkins和Prage于1953年對(duì)圓板的靜承載能力做了分析20-21;之后Kondo和PainCalladin以及Onat和Havthornthwaite分別采用不同的方法對(duì)圓板大變形靜載能力作f估計(jì)，他們的分析都表明當(dāng)板發(fā)生大撓度變形時(shí)由于膜力作用可以明顯提高板的靜承載能力22。Hopkins和Prager以及Wang（王仁）分別對(duì)簡(jiǎn)支和固支鋼

16、塑性圓板受到均布聚下脈沖載荷作用的塑性動(dòng)力響應(yīng)問題求解；Wang對(duì)沖擊載荷作用下的簡(jiǎn)支圓板最終撓度的分析，可以說，圓板的塑性動(dòng)力響應(yīng)問題在理想鋼塑性小撓度的假設(shè)下已經(jīng)相當(dāng)完善地解決了23-24?；谝陨侠碚摚梢杂蓪?duì)薄板的分析延生到各個(gè)形狀，現(xiàn)在主流的壓阻式感應(yīng)膜片包括以方型膜片、圓型膜片為主的C型膜片、E型膜片，以及雙島型膜片等，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求使用大撓度理論或小撓度理論對(duì)感應(yīng)膜片進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析25-26。參考文獻(xiàn)1傳感器原理與應(yīng)用M,電子工業(yè)出版社,孟立凡，20072屈曉南；胡明；張世名；尹玉剛.SiC高溫電容壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化J.計(jì)算機(jī)仿真2013(03):45-463郭長(zhǎng)旭，龐士信

17、，張治國(guó).波紋膜片性能分析J.儀表技術(shù)與傳感器，2010,04:9-10,55.4劉峰.壓力傳感器的焊接封裝J.衡器，2015(11):38-405MansoorMohtashim,HaneefIbraheem,AkhtarSuhail.AnSOICMOS-BasedMulti-SensorMEMSChipforFluidicApplicationsJ.Sensors,2016(05):72-766Yao,GuangXiu,Du,HanYu,Huang,QingAn.Multi-ChipModuleDesignofaMEMSAirPressureSensorJ.KeyEngineeringMa

18、terials,2015(12):99-1027AMohan,APMalshe,BSriram.MultiChipModule(Mcm)DesignForPackagingOfAMemsPressureSensorJ.Polymers&AdhesivesinMicroelectronics&PernationalC,2007(10)：88-918李俊龍，朱平.無引線封裝的SOI壓阻式壓力傳感器設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2017(12):23-259袁鴻.波紋膜片非線T力學(xué)進(jìn)展J.暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,30(OS):18

19、-21.10劉元浩，趙立波，趙玉龍，蔣莊德，田邊，孟超.基干壓力傳感器封裝的波紋膜片的結(jié)構(gòu)研究J.傳感器世界.2008.12:12-15.11SmithCS.PhysicsReview,1954;94：42-4912陳玉玲，史巖峰，張艷華，張巧壽.高可靠性壓差傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試J.儀表技術(shù)與傳感器.2018(05)13Kopystynskip.TheWide-RangingApplicationsofPolysiliconLayersinSolid-StateSensorsandActuators.1989,17：69-7314ObemeierE.Polysiliconlayersleadto

20、anewgenerationofpressuresensors.DigestTechInt'1ConfSol-StaSensandActu,1985:430-43315張瑞,梁庭,熊繼軍，劉雨濤，王濤龍，王心心.一種大量程SOI壓阻式壓力傳感器(英文)J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2015(08)16傳感器技術(shù)M.東南大學(xué)出版社,賈伯年，200717田雷,尹延昭，苗欣，吳佐飛.無引線封裝高溫壓力傳感器J.半導(dǎo)體技術(shù).2014(12)18Pollak-DienerG,Montagtechnikenfursiligium-sensoren,TechnisechenMessentm56(1989)R.o

21、ldenbourgVerlag.422-42919劉曉為.MEMS傳感器接口ASIC集成技術(shù)M.國(guó)防工業(yè)出版.201320WailsC,PomerantzDJ.J.Appl.phys,1969,40:3946-394921BoromMP,AmerJ.Ceram.Soc.,1997,56:254-25722KandaY,Matsudak,Murayamac,etal.Themechanismoffield-assistedsilicon-glassJ.SensorsandActuators1990;A21-23:P93923MichaelHarz.Anodicbondingforthethird

22、dimensionJ.JofMicromechandMicroeng,19922;16124SchaferH.TemperatureIndependentPressureSensorUsingPolycrystallineSiliconStrainGaugesJ.SensorsandActuators,1989,17(3/4)：521-52725張健,王軍波，曹明威，陳德勇.一種諧振式MEMS壓力傳感器單芯片級(jí)真空封裝和低應(yīng)力組裝方法J.納米技術(shù)與精密工程,2013(11):36-3726陳德勇，曹明威，王軍波，焦海龍，張健.諧振式MEMS壓力傳感器的制作及圓片級(jí)真空封裝J.光學(xué)精密工程，20

23、14(05):63-641 .本課題研究的主要內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，預(yù)期成果：本文主要對(duì)耐高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)及封裝進(jìn)行研究，分析硅壓阻壓力傳感芯片的優(yōu)設(shè)計(jì)，對(duì)其薄膜形狀及厚度、芯片結(jié)構(gòu)及性能估算、靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)，探討封裝的基本要求及典型封裝形式、不銹鋼膜片封裝、靜電鍵合等內(nèi)容，然后通過具體的實(shí)驗(yàn)過程，采用建模和仿真的方法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行靜電鍵合設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)；（1） MEMS氣體壓力傳感器的設(shè)計(jì)在硅彈性模片上，用集成電路的擴(kuò)散技術(shù)在一定硅向上制作四個(gè)壓力敏感電阻，將他們連接成惠斯頓電橋的形式。就構(gòu)成了最基本的壓力敏感器件。1）壓阻全橋原理。在壓力傳感器的設(shè)計(jì)中，為了提高滿量程輸出，減小

24、零點(diǎn)溫度漂移及提高線性度，通常把壓敏電阻連接成全橋結(jié)構(gòu)。電橋一般采用恒壓源或恒流源兩種方式供電。a.恒壓源供電。恒壓源供電時(shí)，電橋的具體連接方式如圖（1）所示。圖中R、R、R、R為用擴(kuò)散方法形成的四個(gè)橋臂電阻。在零壓力初始狀態(tài)時(shí)，電橋的輸出為:Ji圖1恒壓電路原理圖圖2恒流電路原理圖b.恒流源供電。采用恒流源供電，橋路連接方法如圖2所示。這時(shí)零輸出電壓為:(RR2RR)恒流源供電時(shí)，輸出電壓與壓敏電阻增量及恒流源電流成正比。恒流源精度對(duì)傳感器精度有影響。這種供電方法的優(yōu)點(diǎn)是電橋的輸出與溫度無關(guān)，不受溫度的影響。2）壓敏電阻的設(shè)計(jì)壓力敏感器件由擴(kuò)散在硅膜上的四個(gè)電阻連成的惠斯頓電橋組成。電阻的設(shè)

25、計(jì)直接影響器件的性能。電阻的阻值范圍根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，從幾百歐姆到幾千歐姆。電阻的形狀,根據(jù)硅膜片的結(jié)構(gòu)和尺寸，一般選用圖3所式的兩種形狀。電阻的形狀確定之后，可用下式計(jì)算阻值:巨:圖3電阻條常用形狀（2）硅膜片上的壓阻全橋設(shè)計(jì)。硅壓阻式壓力傳感器常用的膜片結(jié)構(gòu)有圓形、方形和矩形三種。硅膜片的結(jié)構(gòu)不同，在壓力作用下，硅膜片上的應(yīng)力分布也不同，因此，壓阻全橋般是直徑10mm左般是直徑10mm左在硅膜片上的設(shè)計(jì)也不同。在傳統(tǒng)的工業(yè)用壓阻式壓力傳感器中，硅膜片用機(jī)械研磨方法在硅片背面加工而成（即形成所謂硅杯）。這種方法加工的硅膜片尺寸較大,右的圓形硅膜片。這時(shí)，電阻的尺寸可取得較大，電阻位置的偏差

26、影響也比較小。但是，在集成化和微型化的壓力傳感器中，硅膜的尺寸大大縮小，電阻值和位置偏差引起的靈敏度偏差有可能成為影響橋路性能的重要因素。因此，在較小的硅膜上保證較高的電阻精度和降低位置靈敏性，就成為為小型化壓力傳感器壓阻全橋設(shè)計(jì)中的重要問題。在壓力敏感器件的設(shè)計(jì)中，晶體的取向主要有(100)和(110)晶面兩種。為了提高膜的加工質(zhì)量，可配合各向同性腐蝕。特別是在集成壓力傳感器中。方形和矩形硅膜片，為適應(yīng)各向異性腐蝕工藝的要求，硅膜通常選在近來，方形和矩形膜比較流行，使用各向異性腐蝕的方法制作。(3)多晶硅壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝過程。多晶硅壓力傳感器利用多晶硅的壓阻效應(yīng)原理，由于多晶硅膜

27、的橫向壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)小于縱向壓阻效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中充分利用了縱向壓阻效應(yīng)。本課題在研究中采用了矩形硅膜，其應(yīng)力分布如前節(jié)所述，膜中心和邊緣存在不同的兩個(gè)應(yīng)力區(qū)。當(dāng)長(zhǎng)寬比大于2時(shí)，橫向壓阻效應(yīng)可以忽略。傳感器四個(gè)電阻中，一對(duì)電阻置于應(yīng)變膜中央部分，電阻在應(yīng)力作用下，阻值變??；另一對(duì)電阻置于應(yīng)變膜邊緣附近，電阻在應(yīng)力作用下，阻值變大。將四個(gè)電阻連成一個(gè)惠斯頓電橋的形式，便可產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)。對(duì)壓力傳感器的芯片版圖進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，達(dá)到充分利用壓阻系數(shù)和應(yīng)力的聯(lián)合作用效果：希望彈性膜上有較高的應(yīng)力以保證較高的靈敏度，同時(shí)要使彈性膜的承載能力大大超過傳感器的使用量程上限，即彈性膜上的最大應(yīng)力應(yīng)遠(yuǎn)低于材料的斷裂

28、強(qiáng)度。對(duì)電阻條進(jìn)行合理的布置和設(shè)計(jì)，在不降低膜片的過載能力條件下，怎樣使傳感器獲得較高的靈敏度，較小的零點(diǎn)輸出，熱零點(diǎn)漂移、熱靈敏度漂移，是版圖設(shè)計(jì)中要解決的問題。有限元理論以及計(jì)算機(jī)與相應(yīng)軟件的發(fā)展為應(yīng)力計(jì)算提供了極大的方便。多晶硅壓力傳感器芯片采用雙面拋光電阻率為8-10G.cm的n型(100)硅片作為襯底，在其上熱氧化生成一層膜厚土勻、致密、無針孔的SiO2膜作為隔離，工藝流程圖如下：LPCVIM生長(zhǎng)多晶硅k離子注入硼.退火W刻電阻條淀積SiO2Si3O4上SiO2光刻*蒸鋁合金化J鋁電極光刻>硅杯窗口套刻4硅杯腐蝕一去除SiO2Si3Q切片.4驗(yàn)收芯片熱老化工藝流以下幾3）寸傍蝕

29、左自容。中封裝二）陶邕次裝常,來阻止么及良N抗振后4）電離水金種形H常見白1:鋼波自圖4（2）MEMS氣體壓力傳感器的封裝（寸于壓力傳感器的封裝，概括起來，應(yīng)該滿足2,抗沖擊；2）避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響；磁上要求是屏敝的；5）用九笛的方式隔言6）低的價(jià)格，封裝形式與標(biāo)準(zhǔn)制造上2,立是：金屬封裝、塑料封裝和陶瓷封裝，這三彳33種封裝形式。1Jk（a）型料封裝（b圖5MEMS三）壓力傳感器的隔離式封裝為了防止硅芯片的腐蝕，人們使用了隔離結(jié)構(gòu)Z膜片在低壓卜具后近于直線的彈性特性曲線1程圖h回的要求：電氣上要求芯片上t體或流體，或通3目前MEMS各有優(yōu)劣。圖/閨裝見的三種形式芯片與待測(cè)介質(zhì)的好的耐腐蝕

30、性。因1）機(jī)械上是堅(jiān)固的，環(huán)境或大地是絕緣的；t非氣密隔離方式隔封裝應(yīng)用最為廣泛的三5是MEMS封裝中金屬封裝接觸。由于/、銹匕人們使用了最不銹鋼隔離膜式的金屬封裝。這種封裝結(jié)構(gòu)為氣密封裝。它的固態(tài)應(yīng)變膜片特性、不銹鋼隔膜結(jié)構(gòu)和極好的動(dòng)態(tài)性能可滿足信號(hào)對(duì)壓力傳感器的高穩(wěn)定、高可靠、低功耗、動(dòng)態(tài)測(cè)試等的要求。它不但可以進(jìn)行普通的氣體及液體的壓力測(cè)量，而且可以用于腐蝕性的氣體及液體如酸、堿及各種液體推進(jìn)劑等的壓力測(cè)量。采用隔離膜片封裝的壓力傳感器利用了不銹鋼膜片的彈性力學(xué)特性和硅油在低壓力下的不可壓縮性，由氣密性良好的金屬外殼和TO(Transistor-Outline)底座通過焊接形成一個(gè)密封的

31、腔體，芯片貼于腔體內(nèi)的TO上表面，腔體內(nèi)充滿了硅油。當(dāng)傳感器工作時(shí)，外界待測(cè)介質(zhì)和感壓芯片被硅油與不銹鋼膜片隔離開來，使壓力幾乎可以沒有損耗的傳遞到壓力芯片。隔離式封裝的壓力傳感器主要由TO基座、金屬外殼、硅油、芯片及不銹鋼膜片組成，如圖6所示。圖6壓力傳感器的隔離封裝結(jié)構(gòu)示意圖2)隔離式封裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力傳感器隔離封裝的器件主要包括TO基座、金屬外殼、硅油、芯片及不銹鋼膜片等，其中，封裝材料的成本高達(dá)75%甚至更高。此外，封裝材料的優(yōu)劣對(duì)傳感器的穩(wěn)定性和可靠性也有很大的影響。因此，可以說封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選擇直接影響到了壓力傳感器的價(jià)格和性能。在封裝的各器件中，TO基座一般有標(biāo)準(zhǔn)的制作工

32、藝和結(jié)構(gòu)形式。a.隔離膜片的設(shè)計(jì)。膜片的設(shè)計(jì)和加工是實(shí)現(xiàn)傳感器固態(tài)隔離封裝的關(guān)鍵因素。隔離膜片應(yīng)具有抗腐蝕、厚度小、彈性好等特點(diǎn)。要使膜片無損耗的傳遞壓力，則必須消除自身變形應(yīng)力的影響，波紋形狀的膜片可以通過波紋間的結(jié)構(gòu)形變和自調(diào)整來減小自身變形應(yīng)力，從而提高傳感器的線性度和響應(yīng)靈敏度。圖7波紋片結(jié)構(gòu)圖示b.金屬外殼與充油腔體的設(shè)計(jì)。由于隔離膜壓力傳感器需要工作在腐蝕性的環(huán)境中，除了波紋片選用不銹鋼之外，與待測(cè)介質(zhì)接觸的TO基座和金屬外殼都要采用抗腐蝕的材料?；诜庋b的熱匹配的考慮，TO基座選用的材料為可伐合金，綜合考慮TO與金屬外殼的可焊接性、成本以及傳感器的精度要求等問題，采用不銹鋼TO也

33、可以滿足要求。由于TO與外殼為同種材料，這樣封裝之后的壓力傳感器可能會(huì)有更高的可靠性。本課題金屬外殼采用了不銹鋼304,這種材料是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設(shè)備和機(jī)件。圖8金屬外殼結(jié)構(gòu)示意圖c.陶瓷基座的設(shè)計(jì)。硅油在溫度升高時(shí)的體積會(huì)變大，雖然波紋片對(duì)其體積變化有一定的補(bǔ)償作用，但是硅油溫度的升高還會(huì)增加腔體內(nèi)的壓力，使得壓力傳感器在高溫時(shí)的輸出偏大。為減小因硅油的熱膨脹造成的附加壓力，硅油的充灌量越小越好。由于金屬外殼的充油腔形狀比較規(guī)則，我們可以設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀的陶瓷基底來填充油腔。選用陶瓷材料的原因是TO基座（可伐材料）、陶瓷、硼硅玻璃（Pyr

34、ex7740）的熱膨脹系數(shù)很接近，這樣可以減小熱失配所導(dǎo)致的芯片上的附加壓力，陶瓷還是絕緣體，它不會(huì)吸附氣體雜質(zhì)等，因而不會(huì)對(duì)硅油油質(zhì)產(chǎn)生影響。此外，陶瓷的硬度高、楊氏模量大、導(dǎo)熱性好，將芯片貼于陶瓷之上，也可以減小安裝時(shí)的安裝應(yīng)力對(duì)傳感器性能的影響。本文設(shè)計(jì)了兩種符合這種結(jié)構(gòu)的陶瓷基座：圖9兩種結(jié)構(gòu)的陶瓷基座3）隔離式封裝的工藝設(shè)計(jì)。壓力傳感器封裝的基本工藝包括清洗、貼片、引線鍵合、氣密焊接（包括僦弧焊、電容儲(chǔ)能焊接）等。下面主要通過有限元和實(shí)驗(yàn)分析了玻璃基底的選擇、貼片膠的選擇、硅油的選擇和處理等關(guān)鍵技術(shù)問題。a.玻璃基底的研究。芯片和玻璃基底之間的靜電封接工藝是壓力芯片封裝中常用的工藝。

35、為了避免芯片在封接時(shí)產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，通常選用熱膨脹系數(shù)與硅相近的材料作芯片的載體。靜電鍵合是不導(dǎo)電的、氣密的，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且機(jī)械強(qiáng)度高。將硅片與Pyrex7740進(jìn)行靜電鍵合時(shí)，無論是芯片還是圓片，由于Pyrex7740和硅有相接近的膨脹系數(shù)，封接所造成的熱應(yīng)力是很小的。這對(duì)擴(kuò)散硅壓力傳感器極為有利。不過，這是一種理想情況，而實(shí)際生產(chǎn)中還時(shí)常出現(xiàn)鍵合面開裂的問題。開裂的原因是原始裂紋和微開裂，造成應(yīng)力集中。封接時(shí)的熱循環(huán)又造成裂紋和開裂的傳播。因此，在靜電鍵合中優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)和封裝的結(jié)構(gòu)參數(shù)是及其重要的。b.貼片膠的選擇。壓力芯片和TO基座或陶瓷基座的連接是通過有機(jī)高分

36、子材料的膠接工藝實(shí)現(xiàn)的，這種材料要求機(jī)械強(qiáng)度高、耐水、油、弱酸性或堿性介質(zhì)、耐熱、耐低溫。這種高分子膠接材料我們統(tǒng)稱為貼片膠。相對(duì)于其他的芯片與TO的連接方式來說，膠接工藝不僅具有工藝靈活、工藝溫度低、不需要助焊劑等優(yōu)點(diǎn)，而且其工藝設(shè)備也相對(duì)便宜，因而得到廣泛的應(yīng)用。貼片膠的種類很多，性能參數(shù)也各不相同，因此它們的應(yīng)用環(huán)境也不一樣。衡量壓力傳感器貼片膠的好壞主要有2個(gè)參數(shù)：貼片膠的楊氏模量和剪切強(qiáng)度，其中楊氏模量決定了傳感器的溫度穩(wěn)定性，剪切強(qiáng)度決定了傳感器芯片的貼片的牢固與否。壓力傳感器的芯片為硅材料，基板通常為可伐或陶瓷材料。由于芯片和基板為不同材料，其熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)膠高溫固化后，再冷

37、卻到室溫，材料的膨脹和收縮程度也不相同，這樣會(huì)在芯片和基板的粘接界面處產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力往往會(huì)影響壓力傳感器的輸出。(a)二維貼片膠模型優(yōu)陋+0日345E+O9ut5LBE+O9.35E+09J691E+Q90777E+O9(b)有限元分析結(jié)果圖10貼片的二維模型及分析結(jié)果(3)壓力傳感器進(jìn)行靜電鍵合設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。1)壓力傳感器封裝的有限元分析。從膨脹系數(shù)和其可操作性上考慮，壓力傳感器通常是不能與基底材料直接粘合的。在傳感器芯片與基底之間，必須存在一個(gè)特定的過渡層。選取合適材料作為該過渡層，可以防止在芯片和基底之間引入不希望的應(yīng)力，從提高鍵合成功率并穩(wěn)定壓力傳感器的輸出一性能。由于硅-金屬鍵合相

38、對(duì)于硅-玻璃鍵合而言需要更高的溫度，不便于實(shí)際操作。同時(shí)，硅-玻鍵合如選擇合適的玻璃作過渡層材料，其熱膨脹系數(shù)可以與金屬襯底十分相近，選用玻璃可以使封接后的壓力傳感器分布電容小、熱噪聲小。另外硅-玻鍵合技術(shù)的氣密性良好，穩(wěn)定性高，不易產(chǎn)生蠕變。從實(shí)驗(yàn)的角度來看，硅-玻鍵合所需的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，便于操作和實(shí)現(xiàn)。1)器件建模。傳感器芯片與過渡層材料鍵合可分為兩種結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。(a)為絕對(duì)壓力傳感器，(b)為相對(duì)壓力傳感器。為了提高薄膜對(duì)外界壓力的敏感程度，絕對(duì)壓力傳感器在鍵合過程中需要利用抽真空設(shè)備對(duì)芯片凹槽部分進(jìn)行真空處理。鍵合過程復(fù)雜且成本較高。相對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)免去了抽真空的環(huán)節(jié)，但需

39、要在過渡層材料中心打孔。對(duì)于玻璃等透明物質(zhì)，無法使用激光打孔的方法，通常可行的打孔方式為超聲波打孔。由于相對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)跳過了抽真空環(huán)節(jié)，故對(duì)外部環(huán)境要求較低。(a)絕對(duì)壓力傳感器(b)相對(duì)壓力傳感器蛙股引線睢芯片過渡層就用管座技瑁管腳圖11傳感器結(jié)構(gòu)2)仿真分析。本文將通過比較分析不同類型過渡層的裝配應(yīng)力大小，來選擇鍵合材料；通過比較使用同種鍵合材料的兩種傳感器結(jié)構(gòu)來判斷何種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力更小。(2)靜電鍵合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)3)完成鍵合實(shí)驗(yàn)需要以下設(shè)備：1)升溫及恒溫裝置，使玻璃發(fā)生類似電解的反應(yīng)；2)高壓直流電源，該電源對(duì)壓力傳感器硅片和硼磷硅玻璃的鍵合體施加一個(gè)較大的外部直流電壓；靜電鍵合裝置

40、，該模塊用于實(shí)現(xiàn)硅片和玻璃的有效接觸，且可以充當(dāng)電源電極板。綜上所述，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由加熱爐模塊，高壓直流電源模塊和鍵合裝置三大部分組成。(3)鍵合實(shí)驗(yàn)的調(diào)試第一階段的實(shí)驗(yàn)完成了對(duì)12組參數(shù)的靜電鍵合。采用恒定變量法，對(duì)第一階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：1) 1-5組實(shí)驗(yàn)恒溫溫度為30000,外加直流電壓為220V,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無論恒溫鍵合時(shí)間如何延長(zhǎng)，都不實(shí)現(xiàn)鍵合，甚至毫無鍵合趨勢(shì)，由此說明該參數(shù)情況下不能夠?qū)崿F(xiàn)硅一玻靜電鍵合；2) 5、6組實(shí)驗(yàn)通過恒定外加電壓，恒定恒溫鍵合時(shí)間，變化恒溫溫度進(jìn)行對(duì)比分析溫度對(duì)鍵合的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該參數(shù)情況下，溫度對(duì)鍵合是否成功的影響不大；3) 7-12組實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)示了該鍵合方案和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的可能性，并且為220V電壓不足以實(shí)現(xiàn)靜電鍵合提供了依據(jù)。第一階段的12組實(shí)驗(yàn)均未能滿足鍵合要求。預(yù)期成果：(1)研究了壓力傳感器的工作原理及物理特性，分析壓力傳感器的工藝流程。使用有限元分析方法估算出了壓力傳感器裸片的靈敏度及最大應(yīng)力的位置，為芯片電阻的