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基于倒裝技術(shù)的MEMS電容式E+E壓力傳感器研究
MEMSE+E壓力傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測以及科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電容式E+E壓力傳感器是MEMSE+E壓力傳感器的一種主要類型,其根本原理是將壓力變化值轉(zhuǎn)換為電容的變化。在集成電路迅速發(fā)展的今天,MEMS電容式E+E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,其信號處理電路相對復(fù)雜的難題也正逐步得到解決。

基于倒裝技術(shù)的MEMS電容式E+E壓力傳感器研究
目前而言,如何解決真空密封及真空腔內(nèi)電極的引出,進而降低E+E壓力傳感器的制作成本是電容式E+E壓力傳感器設(shè)計的突出問題。 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,在高頻、微波及MEMS器件中應(yīng)用很廣。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E+E壓力傳感器結(jié)構(gòu),在傳感器芯片上通過電鍍制作出柱狀凸點,柱狀凸點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結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定,而焊料部分則可以通過回流焊接與敏感膜片封接在一起,實現(xiàn)氣密封裝和電路集成,并通過金屬凸點完成電極的轉(zhuǎn)移。這樣簡單有效地解決了真空密封及真空腔內(nèi)電極的引出問題。*提出了采用倒裝技術(shù)中的柱狀凸點來進行MEMS器件的氣密封裝,有效地克服了鍵合技術(shù)強烈依賴芯片表面狀況的缺點,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MEMS器件加工的影響很小,并且適合塑料封裝。另外還可以直接使用CMOS電路芯片作為密封的基板。對電容式E+E壓力傳感器進行了理論分析,對于E+E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進行了力學(xué)分析。利用求得的解析公式對敏感電容進行計算,并分析了電容同結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系。同時還對傳感器靜態(tài)特性中的靈敏度、線性度和溫度效應(yīng)進行了分析與計算?；趪鴥?nèi)的MEMS加工現(xiàn)狀,提出了一條切實可行的工藝設(shè)計方案,并對工藝流程進行了優(yōu)化,不包括凸點制備,整個加工只用到五塊光刻版,這樣大大地簡化了傳感器的制作過程,使工藝的成品率得到提高。研究了電容式E+E壓力傳感器結(jié)構(gòu)中密封腔的獲得及氣密封裝設(shè)計等相關(guān)問題,引入基于倒裝的氣密封裝技術(shù)。在探討MEMS封裝特點的基礎(chǔ)上,對倒裝凸點工藝及其特點進行了分析。從理論與實驗的角度詳細(xì)研究了凸點的回流焊接工藝。之后通過所設(shè)計的E+E壓力傳感器對封裝的效果進行了測試與評估,獲得了較好的密封性能。研究了電容式E+E壓力傳感器的信號處理問題,著重分析了采用交流電橋、電荷放大和開關(guān)電容等方法進行微電容測量的基本原理,并對電容-頻率變換電路進行了詳細(xì)設(shè)計。對設(shè)計的E+E壓力傳感器樣品進行了測試,測得的傳感器具有良好的線性、重復(fù)性和遲滯特性。在0.6～1atm的范圍內(nèi),靜態(tài)輸出電容zui高達(dá)到44.72pF,此時的滿量程電容變化量為3.86pF,zui低為7.35pF,滿量程電容變化0.37pF。還對傳感器進行了可靠性試驗,結(jié)果良好。

基于倒裝技術(shù)的MEMS電容式E+E壓力傳感器研究
在此基礎(chǔ)上,對傳感器的特性進行了分析,也提出了改進的方法。MEMS器件的密封到目前已經(jīng)涌現(xiàn)出了許多方法,但還沒有一種技術(shù)得到廣泛的認(rèn)可。本論文的zui大貢獻(xiàn)就是提出了基于倒裝的凸點密封工藝,為包括E+E壓力傳感器在內(nèi)的各種MEMS器件找尋到了一種易于標(biāo)準(zhǔn)化集成制造、低成本高可靠性的氣密封裝方案。