基于倒裝技術(shù)的MEMS電容式壓力傳感器研究.pdf

1、MEMS壓力傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電容式壓力傳感器是MEMS壓力傳感器的一種主要類(lèi)型，其根本原理是將壓力變化值轉(zhuǎn)換為電容的變化。在專(zhuān)用集成電路迅速發(fā)展的今天，MEMS電容式壓力傳感器不僅可以充分發(fā)揮其低功耗、低溫漂、高靈敏度等諸多優(yōu)勢(shì)，其信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜的難題也正逐步得到解決。目前而言，如何解決真空密封及真空腔內(nèi)電極的引出，進(jìn)而降低絕對(duì)壓力傳感器的制作成本是電容式壓力傳感器設(shè)計(jì)的突

2、出問(wèn)題。 倒裝技術(shù)因其小尺寸、短互聯(lián)、高可靠性與高適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，在高頻、微波及MEMS器件中應(yīng)用很廣。本文即是在借鑒芯片倒裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的電容式絕對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)，在傳感器芯片上通過(guò)電鍍制作出柱狀凸點(diǎn)，柱狀凸點(diǎn)由可回流和不可回流兩部分材料組成。不可回流的銅基座用以維持整個(gè)結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定，而焊料部分則可以通過(guò)回流焊接與和敏感膜片封接在一起，實(shí)現(xiàn)氣密封裝和電路集成，并通過(guò)金屬凸點(diǎn)完成電極的轉(zhuǎn)移。這樣簡(jiǎn)單有效地解決了真空

3、密封及真空腔內(nèi)電極的引出問(wèn)題。 本文首次提出了采用倒裝技術(shù)中的柱狀凸點(diǎn)來(lái)進(jìn)行MEMS器件的氣密封裝，有效地克服了鍵合技術(shù)強(qiáng)烈依賴(lài)芯片表面狀況的缺點(diǎn)，該方法采用典型的低溫工藝，只要求在MEMS器件表面制作金屬環(huán)，對(duì)MEMS器件加工的影響很小，并且適合適應(yīng)塑料封裝。另外還可以直接使用CMOS電路芯片作為密封的基板。 對(duì)電容式壓力傳感器進(jìn)行了理論分析，對(duì)于壓力傳感器的核心部件彈性敏感薄膜分別用小撓度理論、大撓度理論和有限元方法

4、進(jìn)行了力學(xué)分析。利用求得的解析公式對(duì)敏感電容進(jìn)行計(jì)算，并分析了電容同結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系。同時(shí)還對(duì)傳感器靜態(tài)特性中的靈敏度、線性度和溫度效應(yīng)進(jìn)行了分析與計(jì)算。 基于國(guó)內(nèi)的MEMS加工現(xiàn)狀，提出了一條切實(shí)可行的工藝設(shè)計(jì)方案，并對(duì)工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，不包括凸點(diǎn)制備，整個(gè)加工只用到五塊光刻版，這樣大大地簡(jiǎn)化了傳感器的制作過(guò)程，使工藝的成品率得到提高。 研究了電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)中密封腔的獲得及氣密封裝設(shè)計(jì)等相關(guān)問(wèn)題，引入基于倒裝

5、的氣密封裝技術(shù)。在探討MEMS封裝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)倒裝凸點(diǎn)工藝及其特點(diǎn)進(jìn)行了分析。從理論與實(shí)驗(yàn)的角度詳細(xì)研究了凸點(diǎn)的回流焊接工藝。之后通過(guò)所設(shè)計(jì)的壓力傳感器對(duì)封裝的效果進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)估，獲得了較好的密封性能。 研究了電容式壓力傳感器的信號(hào)處理問(wèn)題，著重分析了采用交流電橋、電荷放大和開(kāi)關(guān)電容等方法進(jìn)行微電容測(cè)量的基本原理，并對(duì)電容-頻率變換電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。 對(duì)設(shè)計(jì)的壓力傳感器樣品進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得的傳感器具有良好的線性、

6、重復(fù)性和遲滯特性。在0.6～latm的范圍內(nèi)，靜態(tài)輸出電容最高達(dá)到44.72pF，此時(shí)的滿量程電容變化量為3.86pF，最低為7.35pF，滿量程電容變化0.37pF。還對(duì)傳感器進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，結(jié)果良好。在此基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器的特性進(jìn)行了分析，也提出了改進(jìn)的方法。 MEMS器件的密封到目前已經(jīng)涌現(xiàn)出了許多方法，但還沒(méi)有一種技術(shù)得到廣泛的認(rèn)可。本論文的最大貢獻(xiàn)就是提出了基于倒裝的凸點(diǎn)密封工藝，為包括壓力傳感器在內(nèi)的各種MEMS器件