諧振式MEMS壓力傳感器的制作及圓片級真空封裝
為了提高傳感器的品質(zhì)因數，有效保護諧振器，提出了一種基于絕緣體上硅(SOI)-玻璃陽(yáng)極鍵合工藝的諧振式微電子機械系統(MEMS)壓力傳感器的制作及真空封裝方法。該方法采用反應離子深刻蝕技術(shù)(DRIE)，分別在SOI晶圓的低電阻率器件層和基底層制作H型諧振梁與壓力敏感膜;然后，通過(guò)氫氟酸緩沖液腐蝕SOI晶圓的二氧化硅層釋放可動(dòng)結構。最后，利用精密機械加工技術(shù)在Pyrex玻璃圓片上制作空腔和電連接通孔，通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合實(shí)現諧振梁的圓片級真空封裝和電連接，成功地將諧振器封裝在真空參考腔中。對傳感器的性能測試表明：該真空封裝方案簡(jiǎn)單有效，封裝氣密性良好;傳感器在10kPa～110kPa的差分檢測靈敏度約為10.66Hz/hPa，線(xiàn)性相關(guān)系數為0.99999 542。
1、引言
諧振式壓力傳感器作為典型的高精度壓力傳感器，在航空航天、氣象探測、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著(zhù)非常重要的作用。它利用壓力的變化引起敏感膜的形變，敏感膜的形變又改變在其上的雙端固支諧振梁的諧振頻率，從而可通過(guò)測量諧振梁的諧振頻率變化間接測量壓力。諧振式MEMS壓力傳感器有機結合了微機電加工技術(shù)和機械諧振式傳感技術(shù)，除了具有傳統機械諧振傳感器精度高、穩定性好、準數字輸出等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有體積小、功耗低、與集成電路工藝兼容、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。
上世紀80年代以來(lái)，國內外眾多公司與研究機構廣泛開(kāi)展了諧振式MEMS傳感器及其真空封裝技術(shù)的研究。其中DRUCK 公司Greenwood等人研制出蝶形結構的諧振式MEMS壓力傳感器，由于真空封裝過(guò)程涉及兩次玻璃焊料高溫黏合，且其中一次黏合需要精確對準蓋板上的金屬電極與基板上的諧振器，加工難度較大。橫河電機Ikeda等人研制了電磁激勵、電磁檢測的諧振式MEMS壓力傳感器，制作過(guò)程涉及擴散、多晶硅外延生長(cháng)和多次薄膜沉積工藝，雖然將諧振器封裝在獨立腔室中，但制作過(guò)程非常復雜。國內在這方面也有相關(guān)研究，中科院電子學(xué)研究所陳德勇等人制作了電熱激勵的諧振式MEMS壓力傳感器，但采用了單芯片管殼封裝，不僅封裝效率低，還存在熱應力較大的問(wèn)題。史曉晶、李玉欣等人采用擴散硅工藝制作了梁膜一體的諧振式MEMS壓力傳感器，其真空封裝采用黏合鍵合的方法進(jìn)行單片封裝，該方案存在以下缺點(diǎn)：(1)將諧振器暴露在空氣中使諧振器的品質(zhì)因數難以提高;(2)沒(méi)能形成對諧振器的有效保護;(3)采用有機黏合材料封裝，引入應力較大且長(cháng)期穩定性較差;(4)單芯片封裝，效率低。
本文介紹了一種基于絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)工藝的諧振式MEMS壓力傳感器的制作及圓片級真空封裝方法，利用精密機械加工技術(shù)在Pyrex玻璃晶圓上制作空腔和電連接通孔，并通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合將諧振器封裝在真空中。該方法有利于提高諧振器的品質(zhì)因數，并形成對諧振器的有效保護。與有機黏合材料和金屬焊接材料相比，陽(yáng)極鍵合采用的Pyrex玻璃與單晶硅的熱膨脹系數匹配更好，減小了真空封裝引入的應力;圓片級真空封裝的實(shí)現，大大提高了封裝效率。
2、傳感器的設計
2.1、工作原理與結構設計
根據振動(dòng)部分的結構特征，諧振式壓力傳感器分為諧振筒式、諧振膜式和諧振梁式壓力傳感器。本文選擇了雙端固支H 型諧振梁作為諧振器，如圖1所示，H 型諧振梁由2根單梁組成，通過(guò)中間的連接點(diǎn)連接。采用電磁激勵和電磁拾振的方式，將H 型諧振梁水平放置，同時(shí)在其周?chē)峁┴Q直方向的均勻磁場(chǎng)，當其中一根單梁上通過(guò)交變電流時(shí)，H 型諧振梁受到周期性安培力的作用進(jìn)行受迫振動(dòng)，另一根單梁在均勻磁場(chǎng)中切割磁感線(xiàn)而產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。當交變電流的頻率與H 型諧振梁固有頻率相同時(shí)，H 型諧振梁振幅達到最大，通過(guò)檢測由此產(chǎn)生的最大電動(dòng)勢可檢測到H 型諧振梁的固有頻率。
圖1 H型諧振梁結構示意圖
5、結論
本文采用陽(yáng)極鍵合技術(shù)，結合SOI-MEMS工藝，設計了一種諧振式MEMS壓力傳感器的真空封裝方法，將諧振器封裝在真空中。通過(guò)有限元仿真設計了傳感器的結構參數，并利用差分檢測提高傳感器的靈敏度，同時(shí)減小部分應力對傳感器性能的影響�；隗w硅工藝加工了傳感器樣片，工藝簡(jiǎn)單、易實(shí)現。采用微機械加工的方法，加工了帶有電連接通孔和真空腔的玻璃蓋板�；陉�(yáng)極鍵合技術(shù)實(shí)現了圓片級真空封裝，可長(cháng)期保持真空，并具有低應力的特點(diǎn)。測試表明，設計的真空封裝方案是完全可行的，該設計將諧振器封裝在真空環(huán)境下，對其形成了有效保護;在10kPa～110kPa，傳感器的差分檢測靈敏度高達10.66 Hz/hPa，線(xiàn)性相關(guān)系數為0.999995，大大提高了封裝效率。
