高频响MEMS压力传感器设计与制备

2021-07-08薛胜方王文涛李志强单存良

仪表技术与传感器 2021年6期

梁庭，薛胜方，雷程，王文涛，李志强，单存良

(中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,动态测试技术山西省重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

高频响MEMS压力传感器作为高频动态测试环境下的核心器件，常用于爆炸冲击波试验中，可以有效地反演还原测试现场[1]。影响高频响MEMS压力传感器谐振频率的主要因素是敏感芯片自身的固有频率和封装外壳(安装耦合刚度)。传感器整体的高频测量范围，是由谐振频率的大小决定的。因此当敏感芯片的固有频率确定时，可以通过优化改良刚性封装外壳以提升传感器的高频限制[2]。

高频响MEMS压力传感器的刚性封装外壳主要分为齐平式封装和管腔式封装。齐平式封装由于不存在管腔效应的影响，能够保证传感器的高频测量，理论上是高频封装的第一选择。但是齐平式封装对芯片本身有着更高的要求，常规的引线键合正装芯片稳定性较差，无法适应复杂恶劣环境下的动态性能测试。需要添加引压管道做成含管腔接头式的封装外壳[3-4]。而管腔式封装会对芯片的性能测试带来管腔效应的影响，对传感器的传输产生高频限制。因此，本文基于压阻式MEMS压力传感器的原理基础上，通过对敏感芯片的设计加工及封装结构进行设计仿真及参数优化，设计出一种高频响齐平式MEMS压力传感器。

1 方案整体设计

目前，应用广泛的2种传感器的封装形式，分别为管腔式封装和齐平式封装。如图1所示，2种封装结构的区别在于有无引压管，即对传感器有无管腔效应的影响[5]。

(a)管腔式封装(b)齐平式封装图1 2种封装结构

对于非高频器件，管腔式封装可以适配大多数芯片的工艺限制及封装要求，引压管的存在也可以更好的保护芯片本身。对于高频器件，由于引压管会有低通滤波的效果，极大地削弱高频信号的传输，无法满足设计要求。齐平式封装与管腔式封装相反，即敏感芯片与封装壳体持平，测量介质直接作用在芯片自身，不存在引压管的影响，不会带来高频削弱的影响，但是芯片外漏对芯片本身的工艺及封装提出了更高的要求[6]。

为了能够适配现有工艺限制的敏感芯片，芯片采用绝压倒装的方式进行封装，整体才用齐平式管壳封装，传感器整体示意图如图2所示。压敏芯片测试端与刚性外壳齐平，SOI高频响压力传感器由倒装高温压力敏感芯片、温度补偿电路、耐高温信号调理电路组成，压力传感器采取自下而上的垂直装配结构，首先装配压敏芯片单元，采用双重密封垫将敏感芯片与封装外壳齐平密封固定，利用耐高温结构无机胶对敏感芯片周围进行绝缘密封，接着顺序装配温度补偿电路与耐高温信号调理电路，并用耐高温电缆与耐高温焊锡实现信号连接；最后装配接插件导出电源及信号接口。

图2 整体结构示意图

2 压敏芯片的设计加工

2.1 压敏芯片设计与仿真

传统的MEMS压阻式扩散硅基压力传感器是基于硅的压阻效应通过惠斯登电桥的形式实现力-电耦合，其在结构上压敏电阻与硅基底之间采用PN结实现电流隔离，其硅加工工艺成熟且容易量产化，缺点在于PN结的反向漏电流会随着温度升高而急剧加大，而当温度超过125 ℃时，PN结反向漏电流过大，会引起芯片损坏，导致传感器性能严重退化甚至失效[7]。因此针对高温高频测试，本次芯片设计加工采用SOI平膜结构，芯片设计量程为0～1.5 MPa，敏感膜片设计边长为1 000 μm，依据以下2个设计原则：

(1)线性原则：为了满足传感器输出信号和施加载荷呈线性变化，敏感膜的最大变形量ωmax应小于膜厚的1/5，如式(1)所示：

(1)

式中：E为硅的弹性模量；p为传感器的最大载荷；a为敏感膜片的边长；t为敏感膜的厚度。

(2)可靠性原则：为保证传感器工作的稳定性，压敏芯片需具备抗过载能力，具体为敏感膜表面最大应力σmax小于材料破坏应力的1/5，如式(2)所示：

(2)

式中σm为硅的破坏应力，σm=6 GPa。

将σm代入式(2)，计算得t>19.6 μm。结合2个原则，敏感膜厚度取值范围为t>27.9 μm。

同时利用Ansys对敏感膜进行力学及固有频率仿真分析，得出敏感膜片最大应力与最大挠度随着膜片厚度的变化情况，仿真结果如图3所示。考虑传感器的灵敏度、非线性误差、可靠性以及加工精度约束[8]，压力敏感芯片敏感膜的厚度为60 μm；在此条件下，敏感膜片的一阶固有频率可达775.03 kHz，如图4所示。

(a)挠度仿真示意图

图4 膜片一阶固有频率图

2.2 压敏芯片工艺加工

采用MEMS标准工艺进行制备，流片过程及相关工艺如图5所示。

图5 工艺流程图

主要的工艺步骤包括：(a)清洗：对SOI晶圆进行无机清洗去除表面杂质；(b)离子注入：对顶层硅器件层进行离子注入，进行B离子注入；(c)重掺杂：对金属引线区及电阻欧姆接触区定点定量掺杂，保证后续可以形成良好的欧姆接触；(d)刻蚀：采用干法刻蚀的方式将设计好的电阻通过深硅刻蚀工艺对其进行图形化；(e)溅射：通过光刻-溅射-剥离的工艺，完成金属引线和电极的图形化，通过退火工艺完成欧姆接触；(f)背腔刻蚀：通过背套光刻工艺完成背腔图形化，通过深硅刻蚀工艺完成背腔的刻蚀。

3 传感器封装结构设计

3.1 芯片封装设计

为了满足恶劣环境下的动态性能测试，传统的正装引线键合及硅油填充隔离式封装难以满足高温复杂环境下的性能测试。因此本次采用阳极键合形式的倒装式封装实现芯片自身的封装，键合后的芯片具有气密性良好、稳定性高、体积小和耐高温等优良特性[9]。

硅片和硼硅玻璃的热膨胀系数相差较小(硅：2.6×10-6/K，硼硅玻璃：3.3×10-6/K)，且由于温度变化产生的形变量会引起硅片表面产生应力和应变，会对传感器的零点漂移及温度漂移产生影响，厚度适宜的硼硅玻璃键合后可有效减小硅片表面的压应力和拉应力[10]。因此本次键合采用厚度为500 μm的带孔硼硅玻璃实现晶圆级键合封装，如图6所示。对键合后的晶圆进行电镀及通孔填充工艺实现硅片上电极的引出，并通过图形化及IBE离子束刻蚀工艺完成焊盘的制作，最后通过切割工艺得到单个芯片。

(a)阳极键合(b)实物图图6 阳极键合及实物图

芯片封装如图7所示，将切割后的独立芯片上的焊盘与定制的高温陶瓷基板上的焊区通过热压键合的方式实现电性互连，互连产生的杂散电容、互联电阻非常小，同时对敏感芯片关键部分进行气密封装，可以保证器件的可靠性和长期工作的稳定性。

(a)芯片倒装封装原理图

3.2 封装外壳设计及优化

管腔式的封装结构会对传感器的频响产生很大的限制，因此采用齐平式封装结构，可以有限避免管腔效应带来的高频限制；SOI介质隔离方式的倒装式芯片设计，既不存在扩散硅在高温条件下PN漏电导致的性能失效，还具有气密性良好、稳定性高、体积小和耐高温等优良特性，可以满足较高温度条件下的动态性能测试要求[11-13]。

为了保证高频传输的最高效益，同样对不锈钢壳体进行高频传输仿真分析。仿真依据仿照管道声学分析的原理对现有设计的封装壳体进行管壳内部信号传输的仿真分析。图8为管壳声波信号传输波形图，通过改变管壳的内径及侧壁厚度，观察整个壳体内部的信号频率变化，对管壳结构尺寸进行优化处理，得到频响最优情况下的封装外壳尺寸。

图8 信号传输频率变化曲线

如图9所示，当传感器固定约束1.5 MPa条件下，在管壳的适配长度最小时，改变管壳内径和侧壁厚度能够达到的最大复合频响为375.2 kHz。

图9 最大复合频率曲线图

3.3 后端补偿电路设计

由于芯片本身在高温测试时存在温度漂移，会对传感器的测量精度产生影响，需要对传感器进行调试。SOI高频响压力传感器采用惠斯登电桥测量原理，其电桥补偿参数包括零位补偿、零位温度漂移补偿、灵敏度温度漂移补偿[14-15]。

如图10、图11所示，电源通过稳压后分别对放大电路和稳压器进行供电；而稳压器接通电源后，对传感器的压敏芯片供电使其进行测试产生输出信号，经过温度补偿电路时测试信号产生的温度漂移被电路补偿修正，最后经过放大电路测试信号被放大并输出。

图10 温度补偿与信号调理电路实现技术途径框图

图11 耐高温信号放大电路原理图

设计采用的是低温度系数电阻网络补偿方式，与其它的硬件补偿方法相比，低温度系数电阻网络补偿方法最大的优点是不需要补偿电路紧靠敏感头桥臂电阻，这使得低温度系数电阻网络补偿电路使用更灵活，传感器敏感头封装更便捷，同时由于消除了补偿电路与压阻电桥的环境温度梯度的影响，显著提高了补偿精度[16]。补偿效果如图12所示。