Parylene封裝對MEMS聲學傳感器性能的影響研究

吳鵬程，曾懷望，李 鑫，安 興，朱 鑫，易擁潔，黃湘俊，邸 嘯

(聯合微電子中心有限責任公司，重慶 401332)

0 引言

采用AlN為壓電薄膜的微機電系統(MEMS)水聽器易與傳統的CMOS工藝兼容，近年來被廣泛研究[1]。但該水聽器靈敏度較低,體積較大，常采用摻Sc的方式來提高AlN的壓電系數[2]，進而解決了器件靈敏度低的問題。與傳統的水聽器一樣，MEMS器件的水密封裝大多采用傳統灌注封裝技術[3]，因此，水聽器的成品體積受制于灌注工藝和灌注模具尺寸，涂覆層厚度一般均超過2 mm，弱化了MEMS自身體積小的優點，影響其小型化應用。

Parylene是一種新型敷形涂層材料，根據分子結構的不同，可分為N型(聚對二甲苯)、C型(聚一氯對二甲苯)、D型(聚二氯對二甲苯)等類型。由于該材料具有極其優良的電絕緣性能、耐熱性、水密性和化學穩定性，故被廣泛應用于印制電路組件和元器件、MEMS及傳感器等器件的電絕緣介質、保護性涂料和包封材料。采用真空熱解氣相堆積工藝制成厚度0.1～100 μm的薄膜涂層，為元件在水環境下提供了一層優質完整、抗滲透及電絕緣的防護膜，故被應用于矢量水聽器的水密封裝[4]。采用Parylene-C對MEMS聲學傳感器進行水密封裝，可以得到體積小，保型性及水密性好的Sc-AlN聲學傳感器，但Parylene-C封裝對Sc-AlN聲學傳感器的性能影響較大，本文將對這些影響進行研究。

1 Parylene封裝器件的制備與測試

1.1 Parylene封裝器件的制備

封裝器件的制備流程如圖1所示。采用MEMS工藝制備5×5陣列的摻鈧氮化鋁(Sc-AlN)傳感芯片(見圖2)，然后將傳感芯片與調理電路連接得到傳感器件(見圖3)，最后通過Parylene-C真空氣相涂覆對傳感器件進行封裝，得到封裝器件。其中Parylene-C封裝膜厚為12 μm，楊氏模量為3.2 GPa，密度為1 289 kg/m3，相對介電常數為3.1，吸濕性@50%為0.06%[5]。

1.2 諧振測試

采用Polytec公司的MSA-600顯微式激光測振儀分別對傳感芯片、封裝器件進行激光多普勒測速儀(LDV)測試，得到其諧振頻率、諧振頻率下的薄膜中心位移及振動模態。

測試時將待測樣品固定在光學平臺的基座上，激光器發出的激光點對準傳感芯片，調整光源位置，使需被測部位在屏幕上的成像最清晰。在上下電極間施加0.25 V的周期線性調頻脈沖(periodic chirp)信號，頻率掃描范圍為0.5～0.85 MHz，傅里葉譜線為51 200。測量并記錄薄膜中心點的位移。

利用MSA-600的多點掃描功能可以獲得待測樣品在給定頻率下的模態。將掃描頻率設置為待測樣品諧振頻率附近的某值，掃描信號改為正弦信號，其他測量參數不變。掃描區域由覆蓋整個振動薄膜的多個測試點組成，測量各個點在該頻率下的振動模態。

1.3 靈敏度測試

由于傳感芯片產生的電信號過小，需采用調理電路放大后才能進行信號的有效采集。在內部介質為空氣的密閉腔中測試傳感器件與封裝器件的靈敏度，以表征其靈敏度性能。采用圖4所示的MEMSOUND公司的HVRU(Hydrophones Verification and Re-Calibration Unit)作為聲源裝置，500 Hz范圍內測量誤差為±1 dB；MS0545-BW-1000示波器作為電信號監測裝置，測量誤差為1%。將傳感器件及封裝器件安裝于HVRU的校準腔內，并與電纜一端連接，電纜的另一端與示波器連接。

由于傳感器件或封裝器件測試時位于HVRU的密閉腔內，且密閉腔內的聲壓一致[6]，HVRU檢測并顯示的密閉腔聲壓值即為待測樣品所處環境的聲壓值。測試時，由HVRU產生一定頻率和幅值的聲信號，待測樣品的電壓信號通過電纜進入示波器，示波器測量輸出的有效電壓值。根據HVRU測得的聲壓值P及示波器測得的有效電壓值Uo得到相應頻率的聲壓靈敏度級：

(1)

式中Mr=1 V/μPa。聲壓靈敏度級的測量偏差ΔM=Δ(20lgUo)-Δ(20lgP)，故靈敏度級的測量偏差約為±1 dB。

2 仿真與理論分析

2.1 聲壓產生的電壓響應仿真分析

為了研究Parylene-C封裝對傳感芯片性能的影響，對傳感芯片在Parylene-C封裝前后的力學與電學特性進行了分析，然后通過壓電方程進行關聯，最終得到在一定聲壓下傳感器芯片的電壓響應。由于傳感芯片結構較復雜，本文通過專用仿真軟件構建傳感芯片結構模型如圖5所示，并用仿真計算的方法對傳感芯片的聲壓響應進行分析。

對Parylene-C封裝前后的傳感器模型進行穩態仿真，靠近空腔的底電極接地，得到其在垂直于傳感器表面1 000 Pa壓力作用下的電勢分布如圖6所示，其最大電勢分別為2.14×10-2V和1.17×10-2V。

綜上所述，傳感芯片在進行Parylene-C封裝后，其電壓響應與封裝前的電壓響應比值R=(1.17×10-2)/(2.14×10-2)≈0.55。在進行Parylene-C封裝后，傳感器件的聲壓靈敏度約為封裝前的55%。

2.2 等效機電圖

傳感器的等效電路模型將傳感器的機械與電學特性相結合，對其工作原理的理解、特性分析以及設計優化均有重大幫助。忽略壓電材料的介質損失，不考慮聲學域時，壓電MEMS聲學傳感器的等效電路模型[7]如圖7所示。圖中Vin、C0、Cm、Rm、Lm、η分別為傳感器的輸入電壓、靜態電容、等效柔順性、機械摩擦阻、等效質量、機電轉換系數。

當采用電學激勵產生輻射聲波時，假設Rs、Ls分別為傳感器的輻射聲阻、輻射聲抗，其等效電路模型[7]如圖8所示。

(2)

機械諧振時：

(3)

(4)

則諧振振幅為

(5)

當傳感器在接收狀態工作時，外力作用為

F=υPfS

(6)

式中：υ為聲場的畸變系數；Pf為聲壓；S為傳感器感應面積。其等效電路模型如圖9所示。

此時，傳感器的振速為

(7)

(8)

則接收電壓靈敏度為

(9)

當聲學傳感器在遠離其諧振頻率的低頻狀態(10～10 000 Hz)下工作時，其靈敏度[8]可簡化為

(10)

將式(6)代入式(10)，則：

(11)

令:

(12)

則:

(13)

式中Krt為接收發射轉換系數。

由文獻[7]可知，Rs、υ、S、Lm、Ls、Cm、C0、η僅與傳感器結構、各層材料的材料屬性相關，而Rm與傳感器結構、材料和輸入信號有關。當傳感器結構、各層材料和輸入信號相近時，可以近似認為Krt為常數。因為Krt是一個將傳感器在發射以及接收狀態時的性能相關聯的系數，故稱Krt為接收發射轉換系數，簡稱轉換系數。由式(13)可以看出，當傳感器在發射狀態且Vin與umax一定時，Krt越大，傳感器在接收狀態時的低頻接收靈敏度M越大；反之，Krt越小，則M越小。因此，轉換系數Krt可用來衡量傳感器由發射轉換為接收時感應聲信號能力的強弱，即轉換性能的好壞。若Krt為常數，發射的驅動電壓Vin一定，諧振時振幅與器件的低頻接收靈敏度正相關。通過測量封裝器件各個傳感單元在諧振頻率的振動幅值可預估傳感器聲壓靈敏度，也可通過測量器件的聲壓靈敏度預估封裝器件各個傳感單元在諧振頻率的振動幅值，從而減少了實驗項目，提高了實驗效率。

3 結果與討論

3.1 振動幅值分析

采用1.2節所述方法，通過LDV對傳感芯片的某個傳感單元施加周期線性調頻脈沖信號，得到其諧振頻率及在該頻率下的振動位移，如圖10(a)所示。重復上述實驗，對所有傳感單元進行測量得到各個單元在各自諧振頻率下的最大振幅(簡稱諧振峰幅值或諧振振幅)，如圖11(a)所示，各個單元諧振峰幅值的均值為159.68 pm，標準差為20.99 pm。

將該傳感器件進行厚12 μm的Parylene-C封裝，同樣對封裝器件進行上述測量，得到某個傳感單元的諧振頻率及在該頻率下的振動位移，如圖10(b)所示。圖11(b)為各個單元諧振峰的幅值。各個單元諧振峰幅值的均值為77.68 pm，標準差為14.85 pm。

由圖11可知，對器件進行Parylene-C封裝后，器件結構發生變化，每個傳感單元的諧振峰幅值均有不同程度下降，各個單元諧振峰幅值的均值減小為傳感器件的48%。

3.2 振型分析

采用1.2節所述方法，待測樣品的測試頻率設置為諧振頻率附近的某個值，掃描信號為正弦信號。通過LDV的多點掃描功能測量傳感芯片、封裝器件內各個傳感單元的振動模態，結果如圖12所示。

3.3 接收靈敏度分析

傳感芯片產生的電信號過小，不能直接進行靈敏度測試，本文只對連接了具有100倍放大功能電路的傳感器件與封裝器件進行靈敏度測試。采用1.3節所述方法，對傳感器件的聲壓靈敏度級以及靈敏度頻率響應進行測試，結果如圖13所示。由圖13(b)可見，傳感器件在215 Hz時的聲壓靈敏度為3.04×10-9V/μPa，則聲壓靈敏度級M=20lg(3.04×10-9)≈-170.34 dB(ref.1 V/μPa)。由圖13(a)可以看出，在頻率10～500 Hz時的聲壓靈敏度級較均勻，平均聲壓靈敏度級約為-173.25 dB(ref.1 V/μPa)。

對封裝器件的聲壓靈敏度級及靈敏度頻率響應進行測試，結果如圖14所示。由圖14(b)可以看出，在215 Hz時封裝器件的聲壓靈敏度為1.28×10-9V/μPa，則聲壓靈敏度級M=20lg(1.28×10-9)≈-177.86 dB(ref.1 V/μPa)。由圖14(a)可見，在10～500 Hz時封裝器件的聲壓靈敏度級較均勻，平均聲壓靈敏度級約為-180.81 dB(ref.1 V/μPa)。Parylene-C封裝使器件的聲壓靈敏度下降7.56 dB，約為封裝前的42%。

比較振動幅值與接收靈敏度的分析結果可知，傳感器件進行Parylene-C封裝后，各個傳感單元在諧振頻率處的振幅均值與聲壓靈敏度均出現下降，分別為封裝前的48%、42%，兩者幅度接近。由式(13)可知，采用厚12 μm的Parylene-C薄膜進行封裝后，器件的接收發射轉換系數Krt由3.41×106V2/(Pa·m)變為2.93×106V2/(Pa·m)，變化較小，可被近似認為是一個常數。因此，通過測量封裝器件在諧振頻率處的振幅均值可預估傳感器聲壓靈敏度，也可通過測量器件的聲壓靈敏度預估封裝器件在諧振頻率處的振幅均值。據此推斷，相同設計與工藝的器件，因其Krt近似相等，故也可用此方法進行聲壓靈敏度與諧振振幅均值的快速篩選，從而減少實驗項目，提高實驗效率。

4 結束語

本文通過有限元仿真分析了封裝前后模型低頻靈敏度的變化，理論推導了傳感器在接收和發射時的等效電路參數及其內在聯系，發現器件的低頻接收靈敏度、諧振振幅與激勵電壓可通過接收發射轉換系數Krt相關聯。實驗結果表明，Parylene-C封裝前后的Krt近似為常數，通過測量振幅均值的降幅可以得到靈敏度的下降值，且采用實測振幅均值方式比采用仿真方式預估器件靈敏度的降幅更準確。同理，相同設計與工藝的器件因其Krt近似相等，測量諧振振幅均值可預估器件的低頻聲壓靈敏度，測量低頻聲壓靈敏度可預估器件的諧振振幅均值。采用上述方法對器件進行快速篩選，可以減少實驗項目，且提高了實驗效率。