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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(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E+E壓力傳感器是MEMSE+E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(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。

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(jìn)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(jì)的突出問(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。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(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密封及真空腔內(nèi)電極的引出問(wèn)題。*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E+E壓力傳感器進(jìn)行了理論分析,對(duì)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(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(jì)等相關(guān)問(wèn)題,引入基于倒裝的氣密封裝技術(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E+E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E+E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E+E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、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(shí)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(duì)傳感器進(jìn)行了可靠性試驗(yàn),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(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zui大貢獻(xiàn)就是提出了基于倒裝的凸點(diǎn)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。