壓阻式加速度傳感器封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)分析

尚思瑤，劉 巖，莫舒婷

（西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710071）

0 引言

壓阻式加速度傳感器是最早采用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System,MEMS）技術(shù)研發(fā)的硅微傳感器之一[1]。受益于其成熟的加工工藝、靈活的結(jié)構(gòu)配置以及簡便的信號調(diào)理技術(shù),壓阻式加速度傳感器在汽車工業(yè)、消費(fèi)電子、健康監(jiān)護(hù)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),隨著表面/體硅微加工技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域不斷取得進(jìn)步,壓阻式加速度傳感器的發(fā)展仍呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的勢頭[2-3]。

然而,壓阻式加速度傳感器經(jīng)常會因受到外部熱載荷作用而出現(xiàn)檢測特性的熱漂移,影響了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用性能。這一現(xiàn)象與壓阻式傳感器的敏感原理、芯片的制備與封裝等均有關(guān)系,是多因素共同作用的結(jié)果[4]。為減小熱漂移的影響,研究人員對傳感器制備工藝、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片封裝、外部信號調(diào)理等多個(gè)因素進(jìn)行了針對性的改進(jìn)與優(yōu)化[4-5]。目前,已提出的大部分方法需改變現(xiàn)有傳感器的通用制備和封裝方法,增加了額外處理軟硬件模塊,導(dǎo)致傳感器的研制出現(xiàn)了成本上升、器件體積增大等問題。因此,引入隔離元件將傳感器敏感結(jié)構(gòu)與封裝固定區(qū)域分隔,以期提升傳感器芯片自身對由封裝應(yīng)力等干擾因素的免疫能力,成為一種成本低、易于實(shí)現(xiàn)的壓阻式加速度傳感器熱穩(wěn)定性提升方法。Hsieh等[6]提出了一種隔離環(huán)結(jié)構(gòu)將傳感器整個(gè)敏感結(jié)構(gòu)與封裝固定框架隔離,顯著降低了封裝應(yīng)力對傳感器特性的影響。此外,Kazama等[7]通過支撐梁上的封裝應(yīng)力釋放環(huán)將傳感器中的壓敏電阻與固定框架隔離,也起到了提升傳感器熱穩(wěn)定性的作用。上述方法均以傳感器芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的小幅上升換取了器件對封裝干擾的抵抗力。

但是,當(dāng)前的封裝應(yīng)力隔離方案缺乏對引入隔離結(jié)構(gòu)后傳感器靜態(tài)、動態(tài)特性影響的系統(tǒng)性分析,且大多只針對低頻型壓阻式加速度傳感器展開。為探討引入封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)對加速度傳感器特性的影響情況,本文在分析壓阻式加速度傳感器特性溫度漂移主要起因及其消減方法的基礎(chǔ)上,著重討論了封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的引入對傳感器固有頻率及敏感應(yīng)力的影響情況,并據(jù)此給出了應(yīng)用高頻型加速度傳感器封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)時(shí)的解決方案。

1 壓阻式加速度傳感器的特性溫度漂移

壓阻式加速度傳感器是一類能夠感知加速度信號并將其轉(zhuǎn)換為壓敏電阻阻值變化量的敏感器件。由于其敏感原理固有的特性及以敏感應(yīng)力為核心的力學(xué)量-電學(xué)量轉(zhuǎn)換過程,導(dǎo)致壓阻式加速度傳感器在使用中存在檢測性能隨環(huán)境溫度漂移的問題。本節(jié)首先對引起壓阻式加速度傳感器檢測性能參數(shù)溫度漂移的主要因素及可用消減方法進(jìn)行介紹和分析。

1.1 主要起因

圖1為壓阻式加速度傳感器制造各環(huán)節(jié)中可能引起器件特性溫度漂移的主要因素。從圖1中可以看出,引起熱漂移的因素幾乎貫穿于壓阻式加速度傳感器制造中從晶元加工到芯片封裝的各個(gè)環(huán)節(jié),總體來說可以分為以下幾類：

圖1 傳感器制造過程中引起溫度漂移的因素Fig.1 Inducements of temperature drift in sensor manufacturing

1）壓阻系數(shù)的溫度漂移。硅材料的壓阻效應(yīng)來源于應(yīng)力引起的材料載流子數(shù)量變化,從而造成宏觀電阻值的變化。同時(shí),載流子數(shù)量對溫度變化也較為敏感,不同環(huán)境溫度會引起電阻值和材料壓阻系數(shù)的變化,造成傳感器的測量零位和靈敏度隨環(huán)境溫度變化而變化。

2）芯片制造過程中的工藝應(yīng)力。由傳感器敏感原理可知,壓阻式加速度傳感器是一種基于應(yīng)力的敏感器件,額外附加應(yīng)力會對傳感器的特性造成顯著影響。在傳感器芯片制造過程中,使用的鈍化層和金屬層都或多或少存在一定的殘余應(yīng)力,這些隨溫度變化的應(yīng)力會對具有細(xì)小敏感梁的加速度傳感器特性造成影響。

3）芯片封裝中的殘余應(yīng)力。傳感器芯片封裝主要涉及晶元鍵合、貼片、引線鍵合及塑封等環(huán)節(jié)。因整個(gè)過程涉及材料種類繁多,工藝溫度變化范圍廣,芯片封裝會產(chǎn)生顯著的工藝應(yīng)力,從而向傳感器結(jié)構(gòu)加載額外的干擾應(yīng)力,影響傳感器特性。研究表明,由封裝過程引入的工藝應(yīng)力是造成壓阻式加速度傳感器零位和測量靈敏度的主要因素之一。

1.2 主要消減方案

目前,用于消減壓阻式加速度傳感器特性溫度漂移的主要方法包括以下幾種：

1）穩(wěn)定工作溫度。環(huán)境溫度變化是導(dǎo)致傳感器特性溫度漂移的直接原因,穩(wěn)定傳感器工作環(huán)境溫度成為最為直接的特性溫度漂移消減方案。該方法通常采用溫度傳感器、加熱器和放大器組成一個(gè)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制中參考溫度一般高于傳感器最高工作溫度,以保證控制的有效性。該方法盡管能夠顯著提升傳感器的熱穩(wěn)定性,但額外的控制組件增加了傳感器的復(fù)雜度和功耗。

2）軟硬件補(bǔ)償。軟硬件補(bǔ)償通過外接模塊進(jìn)行傳感器零位和靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償通過向壓敏電阻組成的惠斯通電橋外接補(bǔ)償電阻或補(bǔ)償電橋來實(shí)現(xiàn),所外接的電阻/電橋可作為外部信號調(diào)理電路的一部分,也可直接集成于傳感器芯片上。在對器件進(jìn)行充分測試標(biāo)定后,軟件補(bǔ)償采用合適的補(bǔ)償算法來消除溫度變化對傳感器特性的影響。相對來說,片上集成補(bǔ)償硬件的方法實(shí)現(xiàn)起來最為簡便,但附加組件仍會增加芯片整體尺寸或增加傳感器芯片制備工藝的復(fù)雜度。

3）芯片工藝及封裝方案優(yōu)化。該方法通過改進(jìn)傳感器芯片制備工藝（如優(yōu)化離子注入濃度、使用復(fù)合鈍化層工藝等）、優(yōu)化芯片封裝方案和采用新型封裝材料等途徑來減小各過程對傳感器特性的影響。該方法可顯著消減特定器件的特性溫度漂移,但定制化研究的方式限制了其大量推廣和應(yīng)用。

4）引入機(jī)械隔離結(jié)構(gòu)。壓敏電阻易于被封裝等過程所產(chǎn)生的干擾應(yīng)力影響,是造成加速度傳感器特性溫度漂移的重要原因之一。阻斷干擾應(yīng)力由傳感器框架向敏感元件傳遞的路徑也可以極大的消減器件特性的熱不穩(wěn)定性。據(jù)此,可以向傳統(tǒng)加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)中引入封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu),以阻礙附加干擾應(yīng)力向敏感元件傳遞,減小干擾應(yīng)力對傳感器熱穩(wěn)定性的影響。相對來說,該方法對傳感器芯片整體尺寸的影響較小,且提升效果顯著,但其引入之后對傳感器原始結(jié)構(gòu)靜態(tài)、動態(tài)特性的影響需要進(jìn)一步考量。

2 加速度傳感器的封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)

壓阻式加速度傳感器檢測特性的溫度漂移源于多個(gè)因素,針對這一問題的提升方法也不斷被提出。其中,圍繞傳感器芯片封裝過程中附加應(yīng)力干擾而開展的干擾應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)研究也取得了一定成果。為進(jìn)一步研究引入隔離結(jié)構(gòu)對傳感器原有測量特性的影響情況,本節(jié)先給出封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的一般構(gòu)建方法,而后以加速度傳感器典型結(jié)構(gòu)為對象詳細(xì)分析引入隔離結(jié)構(gòu)的效果及其對傳感器性能的影響。最后,給出了具有隔離結(jié)構(gòu)的高頻型加速度傳感器整體結(jié)構(gòu)方案。

2.1 隔離結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

壓阻式加速度傳感器的封裝干擾應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)可采用局部隔離和整體隔離兩種方案來實(shí)現(xiàn)。局部隔離方案將干擾應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)布置于結(jié)構(gòu)敏感梁上,且位于芯片框架與壓敏電阻之間。當(dāng)芯片受到干擾應(yīng)力作用時(shí),因釋放結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較敏感梁更小,干擾應(yīng)力將集中于釋放結(jié)構(gòu),而不再向敏感應(yīng)力傳播；整體隔離方案則以 “二次框架”的方式將傳感器整體敏感結(jié)構(gòu)與芯片框架分隔。由于隔離結(jié)構(gòu)與芯片框架的連接強(qiáng)度相對較小,隔離結(jié)構(gòu)在干擾應(yīng)力作用時(shí)會首先產(chǎn)生變形,進(jìn)而阻礙了干擾進(jìn)一步向傳感器敏感結(jié)構(gòu)傳播。

無論是整體隔離還是局部隔離方案,均是以自身的主動變形來阻礙封裝干擾向壓敏電阻區(qū)域傳播。但從兩種方案的構(gòu)建方式來看,又存在著不同。整體隔離方案以所構(gòu)建的隔離結(jié)構(gòu)在傳感器原有敏感結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入二次框架,其自身并不是傳感器敏感結(jié)構(gòu)的組成部分；局部隔離方案中的干擾釋放結(jié)構(gòu)位于敏感結(jié)構(gòu)中的敏感梁之上,自身也成為了傳感器敏感結(jié)構(gòu)的一部分。相對來說,局部隔離方案存在著占用最大敏感應(yīng)力區(qū)域、降低傳感器結(jié)構(gòu)整體支撐強(qiáng)度等問題,其引入之后對傳感器原有檢測特性的影響更為明顯,導(dǎo)致其適用范圍較小。因此,本文后續(xù)將以整體隔離方案為對象進(jìn)行引入效果和影響程度分析。

2.2 隔離結(jié)構(gòu)的引入效果及影響

為分析引入整體隔離方案結(jié)構(gòu)后傳感器芯片對封裝干擾應(yīng)力的抗性及自身檢測性能的變化,本文構(gòu)建了如圖2（a）所示的分析模型。該模型以壓阻式加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu)中最為常見的雙橋式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),在其外圍增加了用于封裝干擾應(yīng)力隔離的框架結(jié)構(gòu)。此外,本文還構(gòu)建了如圖2（b）所示的無隔離框架雙橋式結(jié)構(gòu)作為對比對象。模型的主要尺寸參數(shù)如圖2所示,芯片材料的參數(shù)設(shè)置為：楊氏模量E=166GPa,密度ρ=2331kg·m-3,泊松比λ=0.27。本文采用有限元方法來仿真?zhèn)鞲衅餍酒诓煌闆r下的響應(yīng)。分析中,以向芯片框架施加局部力的方式來模擬封裝應(yīng)力的干擾,并通過改變模型中梁厚度的方式來分析隔離結(jié)構(gòu)引入后對不同固有頻率傳感器檢測性能的影響。

圖2 分析結(jié)構(gòu)模型及其尺寸（單位：μm）Fig.2 Models and dimensions of analyzed structures （Unit：μm）

圖3為干擾力作用下有隔離結(jié)構(gòu)和無隔離結(jié)構(gòu)模型中的附加應(yīng)力分布情況,路徑位于橋式梁上表面,與單側(cè)橋的中心線重合。如圖3（a）所示,對于無隔離結(jié)構(gòu)的傳感器模型,在干擾載荷作用下傳感器敏感結(jié)構(gòu)發(fā)生了彎曲變形,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)敏感梁受到顯著的干擾附加應(yīng)力作用。在圖3（a）中,敏感梁上最大干擾應(yīng)力接近0.35MPa,為50g加速度作用下最大敏感應(yīng)力的10.56%,給傳感器帶來了顯著的干擾影響。如圖3（b）所示,在同等載荷條件下,帶隔離結(jié)構(gòu)傳感器模型的敏感結(jié)構(gòu)僅發(fā)生了隨隔離結(jié)構(gòu)變形的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。此時(shí),傳感器敏感梁因無明顯彎曲變形,其上并未出現(xiàn)顯著的干擾附件應(yīng)力,最大值僅為600Pa左右,遠(yuǎn)小于加速度作用時(shí)的敏感應(yīng)力。可以看出,封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的引入明顯減小了芯片外部干擾應(yīng)力對傳感器敏感結(jié)構(gòu)的影響。

圖3 干擾載荷下敏感梁上的應(yīng)力Fig.3 Stresses on sensitive beam under disturbance load

為分析封裝隔離結(jié)構(gòu)對傳感器檢測性能的影響,本文以改變傳感器敏感梁厚度的方式研究了不同靜態(tài)、動態(tài)加速度傳感器檢測性能的受影響情況,分析結(jié)果如圖4所示。圖4中,σmax、f0為不同尺寸組合下無隔離結(jié)構(gòu)模型的最大敏感應(yīng)力和一階固有頻率,Δσmax、Δf0為引入隔離結(jié)構(gòu)后結(jié)構(gòu)的最大敏感應(yīng)力和一階固有頻率的變化量（無隔離結(jié)構(gòu)數(shù)值減有隔離結(jié)構(gòu)數(shù)值）。從圖4中可以看出,隨著敏感梁厚度的增加,結(jié)構(gòu)最大敏感應(yīng)力顯著減小,一階固有頻率隨之增加。隔離結(jié)構(gòu)對傳感器檢測性能的影響則各不相同：對于靈敏度,結(jié)構(gòu)最大敏感應(yīng)力并未因隔離結(jié)構(gòu)的引入而產(chǎn)生明顯的變化,Δσmax/σmax的數(shù)值始終維持在±2%的范圍內(nèi)；對于動態(tài)特性,結(jié)構(gòu)一階固有頻率受影響程度隨著結(jié)構(gòu)頻率的上升而顯著增大。在f0=13.35kHz時(shí),Δf0/f0達(dá)到21.7%。

圖4 引入隔離結(jié)構(gòu)對傳感器測試特性的影響Fig.4 Influence from the added isolation structure on the measuring characteristics of sensor

為綜合考量隔離結(jié)構(gòu)引入后對傳感器性能的影響,本文建立了如下的傳感器性能提升因數(shù),其公式為

式（1）中,σg1和σg2分別為無隔離結(jié)構(gòu)和有隔離結(jié)構(gòu)在干擾載荷作用下敏感梁上的最大應(yīng)力值。因隔離結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)最大敏感應(yīng)力的影響遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)固有頻率,故式（1）僅考慮了干擾應(yīng)力和固有頻率兩個(gè)因素。圖5為傳感器性能提升因數(shù)的變化曲線。可以看出,隨著敏感梁厚度從10μm增加到30μm時(shí),傳感器性能因數(shù)下降了97%,進(jìn)一步表明當(dāng)前結(jié)構(gòu)方案并不完全適用于高頻型加速度傳感器。

圖5 傳感器性能提升因數(shù)變化曲線Fig.5 Variation curve of sensor performance enhancement factor

2.3 封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)在高頻傳感器中的應(yīng)用思路

從以上分析可以看出,模型中封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的構(gòu)建能夠顯著減小結(jié)構(gòu)因外部附加載荷而產(chǎn)生的干擾應(yīng)力,但也對傳感器原有的檢測性能造成了一定的影響。因隔離結(jié)構(gòu)的工作變形方向與傳感器的敏感方向相同,隔離結(jié)構(gòu)的引入對高頻傳感器模型中的固有頻率產(chǎn)生了顯著影響。因而,該方案在高頻型加速度傳感器中的應(yīng)用需要進(jìn)一步的方案優(yōu)化。可用的方案如下：1）提升隔離結(jié)構(gòu)自身的固有頻率。提升固有頻率需增大結(jié)構(gòu)剛度,減小等效質(zhì)量。隔離結(jié)構(gòu)以自身變形來阻礙干擾應(yīng)力的傳遞,其結(jié)構(gòu)的整體剛度不能過大,以保證隔離效果。故提升隔離結(jié)構(gòu)自身的固有頻率可由優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布來實(shí)現(xiàn),如采用梯形排布等方式減小結(jié)構(gòu)整體等效質(zhì)量。2）傳感器敏感方向與隔離變形方向解耦。上文分析中,隔離結(jié)構(gòu)對傳感器固有頻率影響的另一原因是隔離變形方向與傳感器敏感方向相同,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模態(tài)相互耦合。當(dāng)隔離結(jié)構(gòu)固有頻率不足時(shí),這一耦合作用將會影響傳感器的動態(tài)特性。故而,采用橫向敏感的傳感器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)敏感方向與隔離變形方向解耦也是構(gòu)建高頻型加速度傳感器封裝應(yīng)力隔離方案的可用方法。

3 結(jié)論

本文在分析壓阻式加速度傳感器常見特性溫度漂移起因及消減方案的基礎(chǔ)上,分析了封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)在提升傳感器抗附加干擾載荷上的作用,并研究了該結(jié)構(gòu)引入后對傳感器檢測性能的影響。采用有限元方法分別對無隔離結(jié)構(gòu)和有隔離結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行了靜態(tài)、動態(tài)分析,仿真結(jié)果表明,無隔離結(jié)構(gòu)方案中附加載荷引起的干擾應(yīng)力可達(dá)敏感應(yīng)力的10.56%,而隔離結(jié)構(gòu)的引入可將該干擾應(yīng)力幾乎完全消減。同時(shí),隔離結(jié)構(gòu)的引入對傳感器檢測靈敏度的影響僅在±2.5%范圍內(nèi),但可使傳感器固有頻率下降超過20%。故而,在設(shè)計(jì)具有封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的高頻型加速度傳感器方案時(shí),需在隔離結(jié)構(gòu)自身固有頻率以及傳感器敏感與隔離結(jié)構(gòu)變形解耦兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究。