諧振式微型電場(chǎng)傳感器芯片級(jí)真空封裝及測(cè)試

毋正偉 彭春榮 楊鵬飛 聞小龍 李 冰② 夏善紅

1 引言

電場(chǎng)測(cè)量在航空航天、氣象、智能電網(wǎng)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[14]-，基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技術(shù)的諧振式微型電場(chǎng)傳感器由于體積小、功耗低、成本低、易批量生產(chǎn)、易于集成化等突出優(yōu)點(diǎn)，成為電場(chǎng)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。

基于 MEMS技術(shù)的諧振式微型電場(chǎng)傳感器由于信號(hào)比較微弱，而且受到寄生電容、耦合電容等干擾，容易引入噪聲，信噪比低，信號(hào)檢測(cè)難度比較大。基于靜電驅(qū)動(dòng)的諧振式微型電場(chǎng)傳感器[5]，雖然采用差分激勵(lì)和差分檢測(cè)有效地減小了耦合噪聲，提高了信噪比，但傳感器仍然存在驅(qū)動(dòng)電壓較大（20 VDC 和 1 VAC）、品質(zhì)因數(shù)（Q 值）小（約 60）、信噪比低等問(wèn)題[5,6]，影響傳感器的靈敏度和分辨力等關(guān)鍵性能指標(biāo)，制約了傳感器的應(yīng)用以及與IC的集成。諧振器件真空封裝具有很大的優(yōu)勢(shì)，首先可以極大地減小滑膜阻尼和壓膜阻尼對(duì)諧振器振動(dòng)性能的影響，其次在大幅降低傳感器的驅(qū)動(dòng)電壓，并進(jìn)一步提高傳感器的Q值和信噪比，從而獲得理想的傳感器特性。

目前基于 MEMS技術(shù)的諧振式微型電場(chǎng)傳感器芯片級(jí)真空封裝尚少有報(bào)道。已經(jīng)報(bào)道的有常壓氣密性封裝和在真空條件下對(duì)傳感器的性能測(cè)試，如，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所采用了平行封焊技術(shù)，通過(guò)利用高絕緣性的陶瓷材料為基座，實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)氣密性常壓封裝[7]，獲得了較好的封裝和性能測(cè)試結(jié)果。但傳感器依舊存在驅(qū)動(dòng)電壓大、Q值和信噪比低等問(wèn)題；2008 年文獻(xiàn)[8]報(bào)道了一種熱激勵(lì)式諧振式微型電場(chǎng)傳感器樣機(jī)，進(jìn)行了真空環(huán)境下器件的性能測(cè)試和封裝原型機(jī)驗(yàn)證，器件分辨力可以達(dá)到42 V/m，量程5000 V/m，傳感器敏感結(jié)構(gòu)制備采用 SOI（絕緣體上的硅）晶圓片和玻璃鍵合、減薄等工藝，要求真空封裝，工藝難度大，且并未報(bào)道真正實(shí)現(xiàn)了諧振式微型電場(chǎng)傳感器真空封裝。

為實(shí)現(xiàn)MEMS微諧振器的芯片級(jí)真空封裝，國(guó)內(nèi)外很多研究者進(jìn)行了報(bào)道[914]-，其中焊料密封在芯片級(jí)封裝過(guò)程中報(bào)道較多。真空密封焊料主要分為玻璃焊料和金屬合金焊料兩種，具有漏率低、封裝強(qiáng)度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。玻璃焊料在封裝過(guò)程中焊料顆粒污染的問(wèn)題比較突出，可能造成諧振器芯片失效；此外，焊料封裝方法由于焊料熔化過(guò)程放出的少量氣體進(jìn)入密封腔以及材料自身放氣等原因，導(dǎo)致封裝后器件真空度普遍不高（1 Pa以上），難于直接用于諧振式微型電場(chǎng)傳感器的芯片級(jí)封裝。針對(duì)上述工藝問(wèn)題，為了進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓，提高傳感器的Q值和信噪比，本文針對(duì)一種MEMS諧振式微型電場(chǎng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)芯片，提出一種獨(dú)特的陶瓷共晶鍵合技術(shù)，以金錫和金硅為助焊料，輔助以吸氣劑和獨(dú)特的焊料熔化控制工藝，實(shí)現(xiàn)了該傳感器的芯片級(jí)真空封裝。

2 諧振式微型電場(chǎng)傳感器工作原理

本文的研究對(duì)象 MEMS諧振式微型電場(chǎng)傳感器的工作原理如圖1所示[1517]-。該傳感器敏感結(jié)構(gòu)的屏蔽電極與感應(yīng)電極被設(shè)計(jì)在同一結(jié)構(gòu)層，屏蔽電極接地。當(dāng)外加電場(chǎng)垂直于感應(yīng)電極上方時(shí)，感應(yīng)電極表面有感應(yīng)電荷產(chǎn)生，根據(jù)高斯定理，感應(yīng)電荷量為其中，ε為真空介電常數(shù)，E為外加電場(chǎng)值， Ae為有效感應(yīng)面積。

圖1 諧振式微型電場(chǎng)傳感器工作原理示意圖

當(dāng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)的屏蔽電極左右周期振動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電極表面的電荷量發(fā)生周期性改變，產(chǎn)生與被測(cè)電場(chǎng)成正比的感應(yīng)電流，然后經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換和差分放大轉(zhuǎn)化成與被測(cè)電場(chǎng)成正比的輸出電壓 Vout，通過(guò)測(cè)量Vout即可反推出被測(cè)電場(chǎng)大小。

該傳感器敏感結(jié)構(gòu)采用靜電梳齒驅(qū)動(dòng)方式，靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括可動(dòng)梳齒和固定梳齒，可動(dòng)梳齒與屏蔽電極連接在一起。檢測(cè)時(shí)，在固定梳齒上施加激勵(lì)信號(hào) Vd±Vasin（ωt），其中Vd為直流偏置電壓，Vasin（ωt）為交流激勵(lì)電壓，傳感器屏蔽電極以頻率ω左右振動(dòng)[7]，調(diào)制感應(yīng)電極表面電荷發(fā)生周期性變化。

根據(jù)上述諧振式微型電場(chǎng)傳感器的工作原理不難看出，為了獲得較高靈敏度，該傳感器需要工作在諧振狀態(tài)。為了降低傳感器的激勵(lì)電壓，提高 Q值和信噪比，本文采取獨(dú)特的陶瓷共晶鍵合技術(shù)進(jìn)行傳感器的真空封裝，從而工作在真空狀態(tài)。

3 真空封裝

為實(shí)現(xiàn)真空封裝，通常與器件封裝材料、引線互聯(lián)、封裝工藝和吸氣劑等緊密相關(guān)。本文著重研究了采用金錫和金硅合金為焊料的封裝工藝和吸氣劑對(duì)實(shí)現(xiàn)真空封裝的影響。

該諧振式微型電場(chǎng)傳感器的芯片級(jí)真空封裝采用陶瓷材料作為管座，通過(guò)引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片表面電極焊盤與管座焊盤的電氣互連，并在蓋板表面蒸鍍吸氣劑實(shí)現(xiàn)真空保持，采用獨(dú)特的共晶鍵合技術(shù)，以金錫和金硅為助焊料，輔助以吸氣劑和獨(dú)特的焊料熔化控制工藝，以提高封裝真空度和降低漏率，同時(shí)完成了吸氣劑的激活，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器芯片級(jí)真空封裝。

整個(gè)真空封裝過(guò)程中充分考慮到以下3個(gè)方面可能存在的問(wèn)題：

（1）不同焊料使用的兼容性：在滿足傳感器真空封裝前提下，須充分考慮共晶鍵合過(guò)程中不同焊料熔融溫度和工藝過(guò)程的兼容性。

（2）吸氣劑激活溫度和芯片粘接鍵合溫度之間的兼容性：吸氣劑使用之前必須先激活，如果激活溫度大于焊料共晶鍵合溫度，可能導(dǎo)致芯片脫落，甚至發(fā)生芯片表面的電極與襯底剝離的現(xiàn)象，因此，本文采用了較低激活溫度的吸氣劑，激活溫度350 C°，吸氣劑和焊料具有較好的兼容性。激活后吸氣劑微觀形貌如圖2所示。

由圖2可以看出，吸氣劑主要由20～40 nm直徑的微小顆粒組成，顆粒度均勻，說(shuō)明吸氣劑具有很高的比表面積和氣體吸附能力。通過(guò)能量色散 X射線光譜儀（Energy Dispersive X-ray, EDX）獲得了材料的元素成分及比例，能譜圖及成分如圖3和表1所示。

圖2 吸氣劑SEM形貌結(jié)構(gòu)圖

圖3 吸氣劑能譜分析圖

較低的氧含量表明吸氣劑具有較低的放氣能力。由圖3可以看出，該吸氣劑的主要成分為Zr和Co元素，含有少量的氧，受環(huán)境氣氛和吸氣劑吸附氣體的影響，吸氣劑中實(shí)際的氧含量低于如表1所示的能譜分析結(jié)果。

表1 吸氣劑元素成分表

為了提高吸氣劑的吸附能力，實(shí)驗(yàn)中吸氣劑的沉積厚度約1 μm；采用磁控濺射工藝代替蒸發(fā)工藝進(jìn)行吸氣劑沉積，提高了吸氣劑與基底之間的結(jié)合力，避免了吸氣劑厚度大可能導(dǎo)致的吸氣劑脫落等問(wèn)題。沉積完成后進(jìn)行了高溫激活試驗(yàn)，激活溫度355 C°，激活時(shí)間5 min，激活后形貌如圖2所示。結(jié)果表明：采用磁控濺射工藝沉積的吸氣劑薄膜在激活溫度的熱處理之后未觀察到焊料顆粒脫落等異常現(xiàn)象，說(shuō)明吸氣劑與襯底之間具有很好的粘附性和熱穩(wěn)定性。

（3）焊料共晶熔融時(shí)自身放氣以及烘烤對(duì)整個(gè)封裝真空度的影響：焊料自身作為金屬合金材料，在熔融瞬間會(huì)有少量的氣體釋放。本文采用獨(dú)特先熔后封的方法大幅度降低了焊料熔融瞬間釋放氣體對(duì)封裝真空度的影響。

管座和蓋板通過(guò)夾具固定，在抽真空烘烤時(shí)管座和蓋板處于分離狀態(tài)，待焊料熔化后，熔化產(chǎn)生的氣體被很容易抽出系統(tǒng)，此時(shí)通過(guò)控制夾具使管座與蓋板接觸實(shí)現(xiàn)密封。在吸氣劑輔助條件下，采用德國(guó)ATV公司生產(chǎn)的型號(hào)為SRO706getter的真空共晶封裝設(shè)備，完成了傳感器的芯片級(jí)真空封裝。

4 真空封裝測(cè)試

（1）漏率測(cè)試： 采用重油粗檢和氦氣細(xì)檢相結(jié)合的方式對(duì)真空封裝的傳感器樣品進(jìn)行了漏率檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。前期封裝的3個(gè)器件漏率檢測(cè)結(jié)果顯示漏氣速率偏大，通過(guò)調(diào)節(jié)基座烘烤溫度和焊料熔融溫度等封裝工藝參數(shù)，改進(jìn)后又封裝了4個(gè)器件并進(jìn)行了漏率檢測(cè)，結(jié)果顯示封裝漏率明顯改善。

表2 傳感器真空封裝漏率檢測(cè)結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可以看出，封裝改進(jìn)后的漏率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足GJB360B-2009密封試驗(yàn)漏率要求（5.07E-9 Pa·m3/s），完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

（2）動(dòng)態(tài)特性測(cè)試： 由于傳感器輸出的是微弱電流信號(hào)，傳感器預(yù)處理電路對(duì)信號(hào)的高精度檢測(cè)非常關(guān)鍵。為了提高測(cè)量精度，一方面選擇低噪聲、低偏置電流的高精度運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，另一方面通過(guò)差分放大和線路對(duì)稱設(shè)計(jì)盡可能地降低共模干擾以提高信噪比。

圖4為諧振式微型電場(chǎng)傳感器測(cè)試系統(tǒng)圖，其中圖4（a）為動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)框圖，圖4（b）是基于測(cè)試系統(tǒng)框圖搭建的軟件測(cè)試平臺(tái)。電場(chǎng)傳感器標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的勻強(qiáng)電場(chǎng)采用平行電容極板的原理產(chǎn)生，利用鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的高精度檢測(cè)。其中電場(chǎng)傳感器標(biāo)定設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的專用標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)標(biāo)定測(cè)量誤差優(yōu)于1%；交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用Agilent 33220A信號(hào)發(fā)生器提供，鎖相放大器采用Signal Recovery公司的SR7265。利用計(jì)算機(jī)采集信號(hào)和處理，分析傳感器的性能參數(shù)。

由于傳感器的真空度直接影響傳感器的品質(zhì)因數(shù)和信噪比，對(duì)此，為了確定封裝前后的Q值與真空度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在封裝前，傳感器在真空測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行了不同壓強(qiáng)條件下的頻率響應(yīng)測(cè)試，對(duì)傳感器的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖4 諧振式微型電場(chǎng)傳感器測(cè)試系統(tǒng)

表3 不同真空度條件下諧振式微型電場(chǎng)傳感器的頻率響應(yīng)特性

由表3可以看出，封裝前在大氣狀態(tài)條件下傳感器的Q值在60左右，在10 Pa以下，隨著系統(tǒng)真空度提高，器件Q值迅速增加，在0.005 Pa時(shí)，器件的Q值達(dá)到30000以上。傳感器的Q值提高到常壓封裝時(shí)的500倍以上，信噪比得到提高。

對(duì)封裝后的諧振式微型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了室溫常壓、相對(duì)濕度45%的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。為了考察傳感器封裝后的穩(wěn)定性，諧振式微型電場(chǎng)傳感器封裝7天后的掃頻和動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示，測(cè)試結(jié)果表明：在激勵(lì)電壓為直流偏置電壓0.1 V和交流電壓0.06 V的條件下，器件3的Q值為30727.4（如圖5所示）。對(duì)比該器件封裝前后數(shù)據(jù)可以得出，傳感器的封裝真空度優(yōu)于1 Pa。器件的電場(chǎng)響應(yīng)曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，該傳感器具有較好的靈敏度和線性輸出。測(cè)試結(jié)果表明，在0～12.5 kV/m量程范圍內(nèi)，該傳感器的靈敏度輸出為0.36 kV/m/mV，滿量程輸出非線性度為1.67%。

圖5 諧振式電場(chǎng)傳感器芯片級(jí)真空封裝后的掃頻曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)諧振式微型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了芯片級(jí)真空封裝研究并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：真空封裝器件在驅(qū)動(dòng)電壓為100 mV直流分量和60 mVp-p的交流分量的條件下， Q值達(dá)到30727.4，真空度優(yōu)于1 Pa，達(dá)到了降低驅(qū)動(dòng)電壓、提高傳感器Q值和信噪比的目的，獲得了較好的靈敏度和線性輸出。本文的研究為諧振式微型電場(chǎng)傳感器提供了一種新型的高真空封裝方案，并為該器件靈敏度和線性度等關(guān)鍵性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖6 諧振式電場(chǎng)傳感器芯片級(jí)真空封裝后的響應(yīng)曲線

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