基于MEMS技術(shù)的超微壓壓力傳感器研究進(jìn)展

1、2006年3月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第37卷第3期基于M E M S 技術(shù)的超微壓壓力傳感器研究進(jìn)展3薛偉王權(quán)丁建寧楊繼昌【摘要】針對(duì)國內(nèi)外在硅微型壓阻式壓力傳感器上的研究進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化情況, 從復(fù)合彈性元件的設(shè)計(jì)、芯片微加工工藝、芯片無應(yīng)力封裝和后期動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定等方面指出了其深入研究方向, 以及產(chǎn)業(yè)化存在的問題和相應(yīng)的對(duì)策。關(guān)鍵詞:超微壓壓力傳感器微機(jī)電系統(tǒng)無應(yīng)力封裝綜述中圖分類號(hào):T P 212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearch Sta tus and Prospect of Ultram i n i a ture Pressure Sen sorBa sed on M E M S Technology12

2、22Xue W ei W ang Q uan D ing J iann ing Yang J ichang(11W enz hou U n iversity 21J su n T he p resen t situati on of u ltram in iatu rized p ressu re sen so rs is he lem s design of the m u ltilevel sen sing structu re , m icro 2m ach in ing p rocess of ch i p s non 2stress p ackaging of ch i p s an

3、d the static and dynam ic calib rati on are p ropo sed . T he m ethods fo r so lving these p rob lem s are given . A b road p ro sp ect is an tici p ated w ith the suppo rt of research o rgan izati on and developm en t p lan s .Key words U ltram in iatu red p ressu re sen so r , M E M S , N on 2stre

4、ss p ackaging , R eview引言微機(jī)電系統(tǒng)(m icroelectrom echan ical system ,簡(jiǎn)稱M E M S 技術(shù)起源于微型傳感器的發(fā)展, 最初用于生產(chǎn)固態(tài)半導(dǎo)體硅壓阻式壓力傳感器1, M E M S 技術(shù)迅速崛起, 大大促進(jìn)了微型傳感器的技硅片上進(jìn)行微機(jī)械加工, 集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的力學(xué)固態(tài)傳感器, 具有輸出信號(hào)大、信噪比高、電路處理方便、頻響跟隨特性好等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)國內(nèi)外在硅壓阻式超微壓壓力傳感器的研究進(jìn)展, 指出了其量程低微化存在的問題, 對(duì)解決方法作了展望。術(shù)進(jìn)步, 并使各種類型的傳感器微型化, 微型傳感器已經(jīng)成為M E M S 的

5、重要組成部分, 目前具有實(shí)用價(jià)值并得到較廣泛應(yīng)用的是微機(jī)械力敏傳感器, 主要有壓力傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器等, 其中應(yīng)用最廣的是半導(dǎo)體硅壓阻式壓力傳感器2。這種利用壓阻效應(yīng)原理3, 采用三維集成電路工藝, 在單晶硅片上的特定晶向, 制成應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠斯頓檢測(cè)電橋, 并同時(shí)利用硅的彈性力學(xué)特性, 在同一1研究現(xiàn)狀早期的硅壓力傳感器一般采用圓形平膜, 在低量程傳感器芯片制作中, 則需減小硅膜厚度。當(dāng)其硅膜厚度減到一定的程度, 一方面性能惡化, 非線性增加; 另一方面硅電阻結(jié)深難以控制, 導(dǎo)致一致性和成品率下降, 成本上升。為此國內(nèi)外都在尋求新型結(jié)構(gòu)硅芯片來制作超微壓壓力傳感器。收稿日期

6、:200503033浙江省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2005C 31048 、鎮(zhèn)江市產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目和江蘇大學(xué)博士生創(chuàng)新基金項(xiàng)目薛偉溫州大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院教授博士生(江蘇大學(xué) , 323035溫州市王權(quán)江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士生, 212013鎮(zhèn)江市丁建寧江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師楊繼昌江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師158農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)42006年提出了背面帶有圓島的島膜結(jié)構(gòu),力敏電阻在環(huán)形波膜上, 以此來制作低壓高精度的壓力傳感器, 但該結(jié)構(gòu)的膜上應(yīng)力變化大, 對(duì)電阻定位要求高, 器件尺寸也難以微型化, 不利于批量生產(chǎn)。文獻(xiàn)5采用了由正面淺的選擇腐蝕形成的梁膜結(jié)構(gòu)(如圖1所示 , 在膜的

7、中心處有一個(gè)方塊, 方Sh i m azoe塊的四面中心各有一個(gè)梁, 梁的形狀和尺寸可以有多種選擇, 力敏電阻制作在應(yīng)力梁上。其主要特點(diǎn)是利用從正面腐蝕形成的梁與從背面腐蝕的膜相疊加, 由于硅膜的剛度系數(shù)與膜厚的立方成正比, 因此梁區(qū)的硅比膜區(qū)的硅厚一倍, 梁區(qū)的剛度系數(shù)即為膜區(qū)剛度系數(shù)的8倍, 顯然已有足夠的應(yīng)力集中效應(yīng) 。圖2雙島梁膜結(jié)構(gòu)超微壓壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)圖F ig . 2Schem atic ch i p draw ing of abeam 2diaph ragm structu re(a 芯片俯視圖(b AA 剖面圖2量程低微化的關(guān)鍵問題超微壓壓力傳感器硅彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了由島

8、膜結(jié)構(gòu)、梁膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展階E 使壓力傳感器量程, :M E M S CAD 技術(shù)(Coven to rw are 、M E M SP ro 、In tellisu ite 、AN SYS圖1F ig . 1of so r i p等 將有可能獲得更合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)及敏感元件分布與構(gòu)圖, 從而獲得更微小、更線性和高靈敏度的敏感元件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。(2 微加工工藝的進(jìn)步, 可實(shí)現(xiàn)更理想的結(jié)構(gòu), 使傳感器有更佳的綜合性能, 獲得高成品率和低成本的敏感芯片陣列。(3 封裝工藝的發(fā)展, 保證了芯片從無應(yīng)力制造到無應(yīng)力封裝, 使傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性等指標(biāo)更高, 使傳感器向高精度測(cè)試應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。量程低微化需

9、解決的主要問題有:(1 在以梁為主的復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性元件設(shè)計(jì)中, 需解決低量程高靈敏度輸出與超薄梁膜大撓度引起的非線性誤差之間的矛盾。當(dāng)膜片腐蝕得很薄時(shí), 傳感器的靈敏度可以很高, 但是膜的中平面發(fā)生(氣球效應(yīng)” , 而非線性誤差明顯變大, 使拉伸形變“得線性精度較高的超微壓傳感器合格率降低。(2 采用梁區(qū)應(yīng)力集中以獲得小量程, 較大的滿量程輸出, 同時(shí)又需要采用膜區(qū)應(yīng)力勻散以解決局部過載引起的破壞, 因此應(yīng)力集中與應(yīng)力勻散需巧妙組合成型, 使芯片有足夠的抗過載能力和抗嬌氣能力。(3 在微加工工藝中, 關(guān)鍵問題有:超薄芯片各向異性超薄精密控厚腐蝕, 微芯片的精密雙面對(duì)準(zhǔn)與無掩膜光刻, 復(fù)合結(jié)構(gòu)

10、應(yīng)力集中與應(yīng)力勻散, 復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型與削角補(bǔ)角, 微芯片的內(nèi)應(yīng)力消除與平同時(shí), 梁膜結(jié)構(gòu)還可以利用梁的寬度的變化得到進(jìn)一步的應(yīng)力集中效應(yīng)。與玻璃靜電鍵合后的傳感器芯片尺寸為515mm ×515mm , 封裝后H ein S 等研制了最小量程為300Pa 的壓阻式壓力傳感器, 采用2mA 恒流源激勵(lì), 測(cè)試溫區(qū)為-3585, 滿量程300Pa 輸出為15mV V , 非線性誤差低于012%。到目前為止, 國外尚未有關(guān)量程低于300Pa 的壓阻式壓力傳感器的報(bào)道, Honeyw ell 公司處于商品化領(lǐng)先地位, 其產(chǎn)品目錄中最低量程為1000Pa 。在超微壓力傳感器的研究領(lǐng)域, 國內(nèi)在1

11、0002000Pa 的低量程上, 也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。文獻(xiàn)610的研究成果曾領(lǐng)先于國外, 文獻(xiàn)9報(bào)道了抗高過載的超微壓壓力傳感器的研制, 提出了應(yīng)力勻散和雙層島的限位結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)了雙島梁膜 , 雙島在硅膜背面, 而在硅膜正面有一個(gè)橫貫著兩個(gè)硅島, 并將硅膜分為對(duì)稱兩部分的硅梁, 力敏電阻設(shè)置在島與島之間及島與邊界的硅梁上, 起著應(yīng)力二次集中的效果, 提高了傳感器的靈敏度和線性度。量程也為300Pa , 采用6V 恒壓源激勵(lì), 傳感器的滿量程輸出大于30mV , 非線性誤差為0125%, 應(yīng)力勻散結(jié)構(gòu)使得過載能力達(dá)到滿量程的140倍。其啞鈴形芯片結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。第3期薛偉等:基于M E M S 技

12、術(shù)的超微壓壓力傳感器研究進(jìn)展159衡, 以及微型芯片的靜電鍵合與分割成型。(4 無應(yīng)力微型化封裝的問題有:微芯片內(nèi)引線轉(zhuǎn)接, 適應(yīng)特性介質(zhì)與工況的特殊封裝與微傳感器相適應(yīng)的溫度熱漂移補(bǔ)償, 微傳感器光塵干擾防護(hù)及動(dòng)態(tài)性能兼容性。(5 超微壓的標(biāo)定測(cè)試, 包括:動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù), 測(cè)試與標(biāo)定中的無應(yīng)力裝連等。微化中的上述難題, 那么實(shí)現(xiàn)量程100Pa 高精度寬頻響的超微壓壓阻式壓力傳感器的系列化和產(chǎn)業(yè)化將成為可能 。3發(fā)展前景分析M E M S 技術(shù)的發(fā)展與I C 產(chǎn)業(yè)緊緊相聯(lián), 作為M E M S 主要器件之一的壓力傳感器芯片制作工藝圖3封裝后<315mm ×20mm 傳感器外形圖

13、F ig . 3Physical p ictu re of the sen so r與現(xiàn)代I C 工藝及微加工工藝兼容1, 國內(nèi)傳感器芯片制作工藝有著較高的起點(diǎn), 王文襄等11一直致力于微型壓力傳感器的產(chǎn)業(yè)化工作, 完成了<315mm ×20mm 的傳感器微型化封裝, 外形圖如圖3所示, 其高檔產(chǎn)品非線性誤差為012%, 不重復(fù)性誤差可達(dá)013%; 遲滯性誤差可達(dá)013%, 補(bǔ)償后的零位熱漂移和靈敏度熱漂移與滿量程輸出之比均小于110×10-4 。參4結(jié)束語毫米級(jí)外形尺寸、微米級(jí)加工精度的壓阻式超微壓壓力傳感器, 集M E M S CAD 設(shè)計(jì)、M E M S 微加工

14、和M E M E 封裝于一體, 是M E M S 技術(shù)的典型產(chǎn)品, , 標(biāo)志著一個(gè)國家計(jì)M E M S 技術(shù)的超, 對(duì)。文獻(xiàn)1Bao M inhang , W W eiyuan . Fu tu re of m icro electrom echan ical system s (M E M S J . Sen so rs and A ctuato rs A ,1996, 56:135141. 2M iddelhoek S .Celeb rati on of the ten th tran sducers conference :the past , p resen t and fu tu re

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