高頻響MEMS壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能研究?

周行健 雷 程 梁 庭 鐘 明 黨偉剛

（1.中北大學(xué)省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院 綿陽 621000）

1 引言

針對(duì)在機(jī)械試驗(yàn)，化爆實(shí)驗(yàn)，石油勘采、土木工程試驗(yàn)等強(qiáng)震動(dòng)，大沖擊力的使用工況中變化頻率快、波形上升陡的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試，需要所用的壓力傳感器具有較高的固有頻率和極短的上升時(shí)間，以保證足夠的動(dòng)態(tài)測(cè)壓精度［1］。同時(shí)，壓阻式壓力傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［2］。目前壓阻式高頻響壓力傳感器在國(guó)外方面已發(fā)展較為成熟，比較典型的有Ku?lite 和Kistler［3］系列產(chǎn)品，其提供的量程為21MPa，固有頻率達(dá)1.6MHz的高頻響壓力傳感器已在動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)得到了較廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)方面，高性能的高頻響MEMS 壓力傳感器研制處于高速發(fā)展時(shí)期，中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所［4］、西安交通大學(xué)［5］等多家單位均在此方面取得較大進(jìn)展。但受研究起步較晚限制，目前國(guó)內(nèi)可量產(chǎn)化的高頻響壓力傳感器性能距離國(guó)外還存在一定差距。因此設(shè)計(jì)、制作高頻響壓力傳感器是目前國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域的關(guān)鍵工作。

本文采用ANSYS 有限元仿真軟件，完成了壓力傳感器芯片及封裝結(jié)構(gòu)固有頻率影響因素的的仿真分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)；基于MEMS 加工工藝制作了壓力芯片；根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成了傳感器成品裝配，制作了一種基于SOI 材料的高頻響MEMS 壓力傳感器；最后于中北大學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試標(biāo)定平臺(tái)所提供的激波管動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備完成了傳感器的測(cè)試標(biāo)定。

2 傳感器芯片設(shè)計(jì)與仿真

敏感膜片是壓阻式壓力傳感器關(guān)鍵的感壓結(jié)構(gòu)，一般采用的膜片結(jié)構(gòu)分為方膜、圓膜和島膜［6］三種。為提高壓力芯片靈敏度同時(shí)降低工藝難度，本文將選擇方膜作為壓力芯片敏感膜結(jié)構(gòu)。

芯片敏感膜尺寸會(huì)對(duì)芯片固有頻率造成影響，進(jìn)而影響傳感器動(dòng)態(tài)性能。本文基于壓力芯片設(shè)計(jì)量程1.5MPa所對(duì)應(yīng)尺寸參數(shù)［7］，從提升芯片固有頻率目的出發(fā)重新對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合方膜結(jié)構(gòu)壓力芯片的MEMS加工工藝，本文將從敏感膜厚及膜邊長(zhǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，分別探究其對(duì)固有頻率影響趨勢(shì)。

2.1 膜厚尺寸靜力學(xué)及模態(tài)仿真

本文首先針對(duì)敏感膜厚開展仿真研究，結(jié)合壓力芯片設(shè)計(jì)中的線性度原則、可靠性原則［8］、滿量程輸出原則［9］及工藝精度限制，于膜厚取值范圍h>60μm取整數(shù)60μm、70μm、80μm、90μm、100μm，對(duì)壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進(jìn)行靜力學(xué)及模態(tài)分析仿真。仿真及靈敏度計(jì)算［10］結(jié)果可匯總?cè)绫?所示。

表1 膜厚對(duì)應(yīng)固有頻率及靈敏度關(guān)系

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：膜片固有頻率隨著敏感膜片厚度增大而增大，傳感器固有頻率更高。但同時(shí)傳感器靈敏度隨敏感膜片厚度增大而減小，過小的靈敏度會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出更易受到噪聲干擾而導(dǎo)致測(cè)量精度不佳。因此確定膜厚尺寸為80μm。

2.2 膜邊長(zhǎng)靜力學(xué)及模態(tài)仿真

基于前文所優(yōu)化設(shè)計(jì)的膜厚尺寸，本文于參考的敏感膜片邊長(zhǎng)1000μm 附近分別建立膜邊長(zhǎng)為800μm、900μm、1000μm、1100μm、1200μm 的五個(gè)模型，同樣對(duì)壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進(jìn)行模態(tài)分析仿真。仿真結(jié)果如表2所示。

表2 膜邊長(zhǎng)對(duì)應(yīng)固有頻率及靈敏度關(guān)系

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：膜片固有頻率隨著敏感膜邊長(zhǎng)減小而增大，傳感器固有頻率更高。但同時(shí)傳感器靈敏度隨敏感膜片邊長(zhǎng)減小而減小，同樣存在傳感器精度問題。因此確定膜邊長(zhǎng)尺寸為1000μm。

3 傳感器封裝設(shè)計(jì)與仿真

引線鍵合方法作為電子封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)［11］，可以實(shí)現(xiàn)壓力芯片電信號(hào)引出，其具有工藝較成熟，使用廣泛等特點(diǎn)［12］。基于此方法本文提出如圖1 所示的芯片封裝方案，壓力芯片通過封接材料固定于表面鍍金屬布線層的陶瓷轉(zhuǎn)接板上，燒結(jié)固化形成機(jī)械固定；通過金絲球焊方式將壓力芯片焊盤與陶瓷基板金屬布線層連接，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)引出，制成感壓元件。感壓元件同樣通過封接材料的固化燒結(jié)與傳感器管殼基座完成機(jī)械固定，并在接線柱連接孔內(nèi)灌注導(dǎo)電漿料形成與傳感器管殼可伐合金接線柱［13］的電連接，接線柱將電信號(hào)引出至后端處理電路，完成傳感器裝配。

圖1 封裝方案示意圖

傳感器感壓元件由壓力芯片通過封接材料層與陶瓷基板連接制成，故封接材料的尺寸及性能將會(huì)對(duì)傳感器整體固有頻率造成影響。結(jié)合工程實(shí)際情況，本文將通過封接材料層厚度、材料屬性兩方面進(jìn)行分析。

3.1 封接材料層厚度模態(tài)仿真

本文首先針對(duì)封接材料層厚度開展仿真研究。傳感器模型可簡(jiǎn)化如圖2（a）所示，由壓力芯片、封接材料、陶瓷基板和管殼基座四部分構(gòu)成。結(jié)合封接材料層制備設(shè)備的工藝精度，本文選定封接材料層厚度為0.1mm、0.2mm、0.5mm，并于壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進(jìn)行模態(tài)分析仿真。仿真結(jié)果如圖2（b）～圖2（d）所示。

圖2 不同材料層厚度模態(tài)分析云圖

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：傳感器固有頻率隨著材料層厚度減小而增大，但影響并不明顯。同時(shí)材料層厚度過小會(huì)導(dǎo)致壓力芯片與陶瓷基板連接強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致傳感器在實(shí)際測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊環(huán)境中發(fā)生故障，因此確定封接材料層厚度為0.2mm。

3.2 封接材料層屬性模態(tài)仿真

本文針對(duì)封接材料層屬性開展實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整封接原材料不同配比調(diào)整封接材料層屬性。參考聚氨酯彈性結(jié)構(gòu)膠不同組分與其對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)關(guān)系［14］，本文選取如表3所示封接材料A、B、C材料參數(shù)導(dǎo)入仿真軟件，對(duì)壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進(jìn)行模態(tài)分析仿真。仿真結(jié)果如圖3（a）-圖3（c）所示。

圖3 不同材料參數(shù)模態(tài)分析云圖

表3 封接材料A、B、C材料參數(shù)

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：傳感器固有頻率隨著材料拉伸強(qiáng)度及剪切模量增大而增大，傳感器共振頻率更高。因此在感壓元件的制作及與傳感器管殼基座完成裝配時(shí)，采用拉伸強(qiáng)度及剪切模量更大的封接材料可提升傳感器固有頻率。

4 傳感器制作

4.1 傳感器芯片制作

本文首先根據(jù)前文所優(yōu)化設(shè)計(jì)的壓力芯片參數(shù)定制其對(duì)應(yīng)的掩膜版，并基于中北大學(xué)微納加工中心完成如圖4 所示的工藝步驟［15］，包括：1）標(biāo)準(zhǔn)RCA 清洗可有效去除SOI 晶圓表面的顆粒物質(zhì)和金屬離子；2）通過對(duì)摻雜濃度及深度的嚴(yán)格控制，對(duì)晶圓器件層進(jìn)行硼離子注入，并利用四探針臺(tái)測(cè)試其離子注入濃度是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；3）為提升晶圓部分區(qū)域半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，降低形成歐姆接觸難度，對(duì)此部分區(qū)域完成硼離子摻雜；4）對(duì)芯片壓敏電阻條區(qū)域完成光刻膠掩膜，并通過反應(yīng)離子刻蝕工藝完成電阻條制作；5）對(duì)摻雜的歐姆接觸區(qū)域?yàn)R射所需要的金屬層，通過剝離工藝實(shí)現(xiàn)金屬圖形化，并退火實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，通過半導(dǎo)體分析儀驗(yàn)收其歐姆接觸效果；6）根據(jù)如前所確定敏感腔尺寸參數(shù)，利用深度反應(yīng)離子刻蝕工藝對(duì)完成光刻膠掩膜的敏感腔區(qū)域?qū)崿F(xiàn)敏感膜片釋放，并通過陽極鍵合工藝實(shí)現(xiàn)敏感腔制備。最終實(shí)現(xiàn)壓力芯片的制備。

圖4 芯片制作流程圖

4.2 傳感器封裝制作

本文首先根據(jù)前文所優(yōu)化設(shè)計(jì)的封接材料尺寸及性能參數(shù)確定封接材料層制備工藝，并完成傳感器封裝工藝步驟，包括：陶瓷轉(zhuǎn)接板表面涂布一定厚度的封接材料，固定SOI 芯片并燒結(jié)固化形成可靠連接；金絲球焊連接壓力芯片焊盤與陶瓷基板金屬布線層，制成感壓元件；管殼基座涂布封接材料并燒結(jié)固化，固定感壓元件；管殼基座接線柱連接孔內(nèi)導(dǎo)電漿料灌注，完成傳感器裝配；制作完成的傳感器如圖5所示。

圖5 制作完成的傳感器

5 傳感器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果

5.1 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試設(shè)備

基于中北大學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試標(biāo)定平臺(tái)，進(jìn)行高頻響MEMS 壓力傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，測(cè)試設(shè)備主要包括：Φ100 激波管、基于Labview 搭建的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、高精度萬用表AG34401A、直流穩(wěn)壓電源GPS-4303C。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最佳采集電壓范圍為小于±5V，且測(cè)試中易受環(huán)境影響因素干擾，因此需要為傳感器定制后端信號(hào)調(diào)理電路。

經(jīng)常溫靜態(tài)標(biāo)定測(cè)試，傳感器零點(diǎn)輸出-20mV左右，1.5MPa 下輸出+40mV 左右，基于此傳感器輸出情況，設(shè)計(jì)放大-濾波電路，放大倍數(shù)50倍。圖6為自行制定的端信號(hào)放大/濾波電路，由三個(gè)模塊構(gòu)成：基于MD7660 芯片構(gòu)建的電壓反向模塊，用于給后續(xù)的雙電源運(yùn)算放大電路供電；RC 低通濾波電路可對(duì)輸入信號(hào)噪聲進(jìn)行濾波處理；基于AD620 芯片構(gòu)建的運(yùn)算放大電路對(duì)濾波完成的輸入信號(hào)進(jìn)行50倍放大處理。

圖6 放大/濾波電路原理圖

實(shí)驗(yàn)前在Φ100激波管的高低壓段分別充入預(yù)定壓力的氣體，試驗(yàn)時(shí)通過對(duì)雙膜腔充氣使得膜片破裂，形成激波，利用激波對(duì)傳感器膜片瞬時(shí)產(chǎn)生的壓力值對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定［16］。

5.2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中安裝于激波管段壁的壓力傳感器與側(cè)壁標(biāo)準(zhǔn)速度傳感器之間距離為20cm；響應(yīng)時(shí)間差為0.393ms，因此可計(jì)算出激波傳播速度為508.9m/s。測(cè)試環(huán)境溫度為20.4℃，由此計(jì)算［17］出激波傳播速度為343.6m/s，入射激波馬赫數(shù)為1.48Ms。并根據(jù)常溫靜態(tài)標(biāo)定中傳感器靈敏度，計(jì)算出激波沖擊傳感器膜片實(shí)際壓力為461kPa。

如圖7（a）所示為傳感器在測(cè)試過程中的的時(shí)域輸出曲線。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中階躍信號(hào)區(qū)域進(jìn)行放大，針對(duì)傳感器上升時(shí)間進(jìn)行分析，由圖7（b）可知，該傳感器的上升時(shí)間約為20μs，對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)具有較快的響應(yīng)速度。根據(jù)時(shí)域輸出曲線計(jì)算得到的的傳感器幅頻特性曲線如圖7（c）所示，傳感器一階固有頻率為222.8kHz，與仿真結(jié)果基本一致，具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率。為保證傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，工作頻率在固有頻率的1/3以內(nèi)，因此本文所制作傳感器安全工作頻率為74 kHz。

圖7 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語

本文通過對(duì)高頻響MEMS 壓力傳感器芯片及封裝結(jié)構(gòu)的仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了壓力敏感芯片及封裝結(jié)構(gòu)的尺寸及材料屬性；根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果基于MEMS加工工藝制成傳感器芯片，并完成感壓元件制作與傳感器整體裝配；根據(jù)完成的傳感器輸出情況制定與動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)適配的放大/濾波電路并完成激波管實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到傳感器的上升時(shí)間為20μs，固有頻率為222.8 kHz，可在74 kHz以內(nèi)的工況下安全工作。其具有沖擊信號(hào)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率高特點(diǎn)，可以滿足脈沖型風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備、大型建筑抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)等瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量要求。