谐振式微型电场传感器芯片级真空封装及测试

毋正伟 彭春荣 杨鹏飞 闻小龙 李 冰② 夏善红

1 引言

电场测量在航空航天、气象、智能电网、工业生产等领域有着广泛的应用[14]-，基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术的谐振式微型电场传感器由于体积小、功耗低、成本低、易批量生产、易于集成化等突出优点，成为电场传感器的发展趋势和研究热点。

基于 MEMS技术的谐振式微型电场传感器由于信号比较微弱，而且受到寄生电容、耦合电容等干扰，容易引入噪声，信噪比低，信号检测难度比较大。基于静电驱动的谐振式微型电场传感器[5]，虽然采用差分激励和差分检测有效地减小了耦合噪声，提高了信噪比，但传感器仍然存在驱动电压较大（20 VDC 和 1 VAC）、品质因数（Q 值）小（约 60）、信噪比低等问题[5,6]，影响传感器的灵敏度和分辨力等关键性能指标，制约了传感器的应用以及与IC的集成。谐振器件真空封装具有很大的优势，首先可以极大地减小滑膜阻尼和压膜阻尼对谐振器振动性能的影响，其次在大幅降低传感器的驱动电压，并进一步提高传感器的Q值和信噪比，从而获得理想的传感器特性。

目前基于 MEMS技术的谐振式微型电场传感器芯片级真空封装尚少有报道。已经报道的有常压气密性封装和在真空条件下对传感器的性能测试，如，中国科学院电子学研究所采用了平行封焊技术，通过利用高绝缘性的陶瓷材料为基座，实现了芯片级气密性常压封装[7]，获得了较好的封装和性能测试结果。但传感器依旧存在驱动电压大、Q值和信噪比低等问题；2008 年文献[8]报道了一种热激励式谐振式微型电场传感器样机，进行了真空环境下器件的性能测试和封装原型机验证，器件分辨力可以达到42 V/m，量程5000 V/m，传感器敏感结构制备采用 SOI（绝缘体上的硅）晶圆片和玻璃键合、减薄等工艺，要求真空封装，工艺难度大，且并未报道真正实现了谐振式微型电场传感器真空封装。

为实现MEMS微谐振器的芯片级真空封装，国内外很多研究者进行了报道[914]-，其中焊料密封在芯片级封装过程中报道较多。真空密封焊料主要分为玻璃焊料和金属合金焊料两种，具有漏率低、封装强度高、重复性好、稳定可靠等优点。玻璃焊料在封装过程中焊料颗粒污染的问题比较突出，可能造成谐振器芯片失效；此外，焊料封装方法由于焊料熔化过程放出的少量气体进入密封腔以及材料自身放气等原因，导致封装后器件真空度普遍不高（1 Pa以上），难于直接用于谐振式微型电场传感器的芯片级封装。针对上述工艺问题，为了进一步降低驱动电压，提高传感器的Q值和信噪比，本文针对一种MEMS谐振式微型电场传感器敏感结构芯片，提出一种独特的陶瓷共晶键合技术，以金锡和金硅为助焊料，辅助以吸气剂和独特的焊料熔化控制工艺，实现了该传感器的芯片级真空封装。

2 谐振式微型电场传感器工作原理

本文的研究对象 MEMS谐振式微型电场传感器的工作原理如图1所示[1517]-。该传感器敏感结构的屏蔽电极与感应电极被设计在同一结构层，屏蔽电极接地。当外加电场垂直于感应电极上方时，感应电极表面有感应电荷产生，根据高斯定理，感应电荷量为其中，ε为真空介电常数，E为外加电场值， Ae为有效感应面积。

图1 谐振式微型电场传感器工作原理示意图

当传感器敏感结构的屏蔽电极左右周期振动时，感应电极表面的电荷量发生周期性改变，产生与被测电场成正比的感应电流，然后经过电流电压转换和差分放大转化成与被测电场成正比的输出电压 Vout，通过测量Vout即可反推出被测电场大小。

该传感器敏感结构采用静电梳齿驱动方式，静电驱动结构包括可动梳齿和固定梳齿，可动梳齿与屏蔽电极连接在一起。检测时，在固定梳齿上施加激励信号 Vd±Vasin（ωt），其中Vd为直流偏置电压，Vasin（ωt）为交流激励电压，传感器屏蔽电极以频率ω左右振动[7]，调制感应电极表面电荷发生周期性变化。

根据上述谐振式微型电场传感器的工作原理不难看出，为了获得较高灵敏度，该传感器需要工作在谐振状态。为了降低传感器的激励电压，提高 Q值和信噪比，本文采取独特的陶瓷共晶键合技术进行传感器的真空封装，从而工作在真空状态。

3 真空封装

为实现真空封装，通常与器件封装材料、引线互联、封装工艺和吸气剂等紧密相关。本文着重研究了采用金锡和金硅合金为焊料的封装工艺和吸气剂对实现真空封装的影响。

该谐振式微型电场传感器的芯片级真空封装采用陶瓷材料作为管座，通过引线键合实现芯片表面电极焊盘与管座焊盘的电气互连，并在盖板表面蒸镀吸气剂实现真空保持，采用独特的共晶键合技术，以金锡和金硅为助焊料，辅助以吸气剂和独特的焊料熔化控制工艺，以提高封装真空度和降低漏率，同时完成了吸气剂的激活，从而实现了传感器芯片级真空封装。

整个真空封装过程中充分考虑到以下3个方面可能存在的问题：

（1）不同焊料使用的兼容性：在满足传感器真空封装前提下，须充分考虑共晶键合过程中不同焊料熔融温度和工艺过程的兼容性。

（2）吸气剂激活温度和芯片粘接键合温度之间的兼容性：吸气剂使用之前必须先激活，如果激活温度大于焊料共晶键合温度，可能导致芯片脱落，甚至发生芯片表面的电极与衬底剥离的现象，因此，本文采用了较低激活温度的吸气剂，激活温度350 C°，吸气剂和焊料具有较好的兼容性。激活后吸气剂微观形貌如图2所示。

由图2可以看出，吸气剂主要由20～40 nm直径的微小颗粒组成，颗粒度均匀，说明吸气剂具有很高的比表面积和气体吸附能力。通过能量色散 X射线光谱仪（Energy Dispersive X-ray, EDX）获得了材料的元素成分及比例，能谱图及成分如图3和表1所示。

图2 吸气剂SEM形貌结构图

图3 吸气剂能谱分析图

较低的氧含量表明吸气剂具有较低的放气能力。由图3可以看出，该吸气剂的主要成分为Zr和Co元素，含有少量的氧，受环境气氛和吸气剂吸附气体的影响，吸气剂中实际的氧含量低于如表1所示的能谱分析结果。

表1 吸气剂元素成分表

为了提高吸气剂的吸附能力，实验中吸气剂的沉积厚度约1 μm；采用磁控溅射工艺代替蒸发工艺进行吸气剂沉积，提高了吸气剂与基底之间的结合力，避免了吸气剂厚度大可能导致的吸气剂脱落等问题。沉积完成后进行了高温激活试验，激活温度355 C°，激活时间5 min，激活后形貌如图2所示。结果表明：采用磁控溅射工艺沉积的吸气剂薄膜在激活温度的热处理之后未观察到焊料颗粒脱落等异常现象，说明吸气剂与衬底之间具有很好的粘附性和热稳定性。

（3）焊料共晶熔融时自身放气以及烘烤对整个封装真空度的影响：焊料自身作为金属合金材料，在熔融瞬间会有少量的气体释放。本文采用独特先熔后封的方法大幅度降低了焊料熔融瞬间释放气体对封装真空度的影响。

管座和盖板通过夹具固定，在抽真空烘烤时管座和盖板处于分离状态，待焊料熔化后，熔化产生的气体被很容易抽出系统，此时通过控制夹具使管座与盖板接触实现密封。在吸气剂辅助条件下，采用德国ATV公司生产的型号为SRO706getter的真空共晶封装设备，完成了传感器的芯片级真空封装。

4 真空封装测试

（1）漏率测试： 采用重油粗检和氦气细检相结合的方式对真空封装的传感器样品进行了漏率检测，结果如表2所示。前期封装的3个器件漏率检测结果显示漏气速率偏大，通过调节基座烘烤温度和焊料熔融温度等封装工艺参数，改进后又封装了4个器件并进行了漏率检测，结果显示封装漏率明显改善。

表2 传感器真空封装漏率检测结果

由表2数据可以看出，封装改进后的漏率提高了一个数量级，满足GJB360B-2009密封试验漏率要求（5.07E-9 Pa·m3/s），完全满足实际应用需求。

（2）动态特性测试： 由于传感器输出的是微弱电流信号，传感器预处理电路对信号的高精度检测非常关键。为了提高测量精度，一方面选择低噪声、低偏置电流的高精度运算放大器实现电流-电压转换，另一方面通过差分放大和线路对称设计尽可能地降低共模干扰以提高信噪比。

图4为谐振式微型电场传感器测试系统图，其中图4（a）为动态测试系统框图，图4（b）是基于测试系统框图搭建的软件测试平台。电场传感器标定测试系统的匀强电场采用平行电容极板的原理产生，利用锁相放大器，实现传感器信号的高精度检测。其中电场传感器标定设备采用中国科学院电子学研究所研制的专用标定测试系统，经标定测量误差优于1%；交流驱动信号采用Agilent 33220A信号发生器提供，锁相放大器采用Signal Recovery公司的SR7265。利用计算机采集信号和处理，分析传感器的性能参数。

由于传感器的真空度直接影响传感器的品质因数和信噪比，对此，为了确定封装前后的Q值与真空度的对应关系，在封装前，传感器在真空测试系统中进行了不同压强条件下的频率响应测试，对传感器的测试结果如表3所示。

图4 谐振式微型电场传感器测试系统

表3 不同真空度条件下谐振式微型电场传感器的频率响应特性

由表3可以看出，封装前在大气状态条件下传感器的Q值在60左右，在10 Pa以下，随着系统真空度提高，器件Q值迅速增加，在0.005 Pa时，器件的Q值达到30000以上。传感器的Q值提高到常压封装时的500倍以上，信噪比得到提高。

对封装后的谐振式微型电场传感器进行了室温常压、相对湿度45%的测试实验。为了考察传感器封装后的稳定性，谐振式微型电场传感器封装7天后的扫频和动态响应测试结果如图5和图6所示，测试结果表明：在激励电压为直流偏置电压0.1 V和交流电压0.06 V的条件下，器件3的Q值为30727.4（如图5所示）。对比该器件封装前后数据可以得出，传感器的封装真空度优于1 Pa。器件的电场响应曲线如图6所示，从图6中可以看出，该传感器具有较好的灵敏度和线性输出。测试结果表明，在0～12.5 kV/m量程范围内，该传感器的灵敏度输出为0.36 kV/m/mV，满量程输出非线性度为1.67%。

图5 谐振式电场传感器芯片级真空封装后的扫频曲线

5 结束语

本文对谐振式微型电场传感器进行了芯片级真空封装研究并进行了动态响应测试。测试结果表明：真空封装器件在驱动电压为100 mV直流分量和60 mVp-p的交流分量的条件下， Q值达到30727.4，真空度优于1 Pa，达到了降低驱动电压、提高传感器Q值和信噪比的目的，获得了较好的灵敏度和线性输出。本文的研究为谐振式微型电场传感器提供了一种新型的高真空封装方案，并为该器件灵敏度和线性度等关键性能指标的进一步提高提供了重要的实验基础。

图6 谐振式电场传感器芯片级真空封装后的响应曲线

[1] 罗福山. 肯尼迪航天中心的雷电防护系统[J]. 世界导弹与航天, 1991（3）: 43-46.Luo Fu-shan. The lightning protection system of Kennedy Space Center[J]. Missiles and Spacecraft, 1991（3）: 43-46.

[2] Luo Fu-shan. The principle of micro-rocket electric field instrument and its application[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2000, 43（5）: 616-620.

[3] Patrick S R, Karen L S, Richard S, et al.. Electrostatic charge and field sensors based on micromechanical resonators[J].Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, 12（5）:577-589.

[4] Wijeweera G, Bahreyni B, Shafai C, et al.. Micromachined electric-field sensor to measure AC and DC fields in power systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009,24（3）: 988-995.

[5] Yang Peng-fei, Peng Chun-rong, Fang Dong-ming, et al..Design, fabrication and application of an SOI-based resonant electric field microsensor with coplanar comb-shaped electrodes[J]. Journal of Mciromechanics and Microengineering, 2013, 23（5）: 266-285.

[6] Yang Peng-fei, Peng Chun-rong, Zhang Hai-yan, et al.. A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped microelectrodes[C]. The 16th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Beijing,China, 2011: 1034-1037.

[7] Wen Xiao-long, Peng Chun-rong, Fang Dong-ming, et al..High performance electric field micro sensor with combined differential structure[J]. Journal of Electronics （China）, 2014,31（2）: 143-150.

[8] Bahreyni B, Wijeweera G, Shafai C, et al.. Analysis and design of a micromachined electric-field sensor[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2008, 17（1）: 31-36.

[9] 刘雪松, 闫桂珍, 郝一龙, 等. 用于MEMS器件芯片级封装的金-硅键合技术研究[J]. 微纳电子技术, 2003（增）: 238-240.Liu Xue-song, Yan Gui-zhen, Hao Yi-long, et al..Investigation on Au-Si wafer bonding for MEMS device packaging[J]. Micronanoelectronic Technology, 2003（Suppl.）:238-240.

[10] 张东梅, 丁桂甫, 汪红, 等. 基于 Sn/Bi合金的低温气密性封装工艺研究[J]. 功能材料与器件学报, 2006, 11（3）: 211-214.Zhang Dong-mei, Ding Gui-fu, Wang Hong, et al.. Low temperature hermetic bonding process based on electrodeposited Sn/Bi alloy[J]. Journal of Functional Materials and Devices, 2006, 11（3）: 211-214.

[11] Chiao Mu and Lin Li-wei. Device-level hermetic packaging of microresonators by RTP aluminum-to-nitride bonding[J].Journal of Microelectromechanical Systems, 2006, 15（3）:515-522.

[12] Sparks D R, Massoud-Ansari S, and Najafi N. Chip-level vacuum packaging of micromachines using NanoGetters[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2003, 26（3）:277-282.

[13] Du Xian-feng, Zhang Da-cheng, and Lee Ting. Chip level packaging for MEMS using silicon cap[C]. IEEE/CPMT/SEMI 29th International Electronics Manufacturing Technology Symposium, San Jose, CA, USA, 2004: 342-344.

[14] Cheng Pang, Zhan Zhao, Zhen Fang, et al.. Adhesive bonding with SU-8 in a vacuum for capacitive pressure sensors[J].Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 147（2）: 672-676.

[15] 彭春荣, 龚超, 陈贤祥, 等. 静电梳齿激励差分检测式微型电场传感器[J]. 中国机械工程, 2005, 16（增刊）: 171-173.Peng Chun-rong, Gong Chao, Chen Xian-xiang, et al..Electric field micro-sensor based on electrostatic comb-driven and differential detecting[J]. China Mechanical Engineering,2005, 16（Suppl.）: 171-173.

[16] Tang W C, Nguyen T H, and Howe R T. Laterally driven polysilicon resonant microstructures[J]. Sensors & Actuators,1989（20）: 25-32.

[17] 杨鹏飞, 彭春荣, 张海岩, 等. SOI微型电场传感器的设计与测试[J]. 电子与信息学报, 2011, 33（11）: 2771-2774.Yang Peng-fei, Peng Chun-rong, Zhang Hai-yan, et al..Design and testing of a SOI Electric-field Microsensor[J].Journal of Electronics & Information Technology, 2011,33（11）: 2771-2774.