谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装_陈德勇

　　　　　　　　Ｏｔ　　　ｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ　　　ｐｉｇｇ２０１４年５月　　

第２２卷　第５期

　光学精密工程

　　　

Ｖｏｌ．２２　Ｎｏ．５ａ．２０１４　Ｍｙ

）文章编号　１００４９２４Ｘ（２０１４０５１２３５０８－－－

谐振式ＭＥＭＳ压力传感器的制作及圆片级

真空封装

陈德勇＊，曹明威，王军波，焦海龙，张　健

（中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京１００１９０）

）摘要：为了提高传感器的品质因数，有效保护谐振器，提出了一种基于绝缘体上硅（ＳＯＩ－玻璃阳极键合工艺的谐振式微），电子机械系统（压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术（分别在ＳＭＥＭＳＤＲＩＥ）ＯＩ晶圆然后，通过氢氟酸缓冲液腐蚀Ｓ的低电阻率器件层和基底层上制作Ｈ型谐振梁与压力敏感膜；ＯＩ晶圆的二氧化硅层释

放可动结构。最后，利用精密机械加工技术在Ｐ通过硅－玻璃阳极键合实现谐ｒｅｘ玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔，ｙ成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明：该真空封装方案简振梁的圆片级真空封装和电连接，

／，单有效，封装气密性良好；传感器在１线性相关系数为００ｋＰａ～１１０ｋＰａ的差分检测灵敏度约为１０．６６ＨｚｈＰａ．９９

５４２。９９９　）；关　键　词：微电子机械系统；谐振式压力传感器；绝缘体上硅（阳极键合；真空封装ＳＯＩ：／中图分类号：ＴＰ２１２．１　　文献标识码：Ａ　　ｄｏｉ１０．３７８８ＯＰＥ．２０１４２２０５．１２３５

ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｗａｆｅｒｌｅｖｅｌｖａｃｕｕｍａｃｋａｉｎｏｆＭＥＭＳ　　－　　　ｐｇｇ　

ｒｅｓｓｕｒｅｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒ　　ｐ

＊

，，ＷＡＮＧ，，ｏｎＣＨＥＮＤｅＣＡＯ　ＭｉｎｅｉＪｕｎｂｏＪＩＡＯ　ＨａｉｌｏｎＺＨＡＮＧＪｉａｎ　－ｙ－ｗ　－－　ｇｇｇ

（Ｓｔａｔｅ　ＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　　ｙ　ｙｆ　ｇｙ，ｆ　　ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｎ００１９０，Ｃｈｉｎａ）　ｙｆ　ｊｇ１　

ｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｃｈｅｎａｉｌ．ｉｅ．ａｃ．ｃｎ＊Ｃ＠ｍｐｇｙ　

：，ｕａｌｉｔｒｏｔｅｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｉｍｒｏｖｅｔｈｅｆａｃｔｏｒｏｆｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｔｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｗａｆｅｒ　　　　　　　　　　　　－ｑｙｐｐ　

）ｌｅｖｅｌ　ｖａｃｕｕｍ　ａｃｋａｉｎｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ａ　Ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃ　Ｓｓｔｅｍ（ＭＥＭＳｒｅｓｏｎａｎｔ　ｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎ－ｐｇｇ　ｙｐ）ｓｏｒ　ｗａｓ　ｒｏｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ－ｇｌａｓｓ　ａｎｏｄｉｃ　ｂｏｎｄｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏ．Ｔｈｒｏｕｈｐｐｇ　ｇｙｇ

，Ｈ－ＤｅｅＲｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　ＥｔｃｈｉｎＤＲＩＥ）ｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｂｕｆｆｅｒｅｄ　ｏｘｉｄｅ　ｅｔｃｈｅｄ　ｒｅｌｅａｓｉｎｒｏｃｅｓｓｔｅ　ｒｅｓｏ－ｐ　ｇ（ｐｇ　ｐｙｐｎａｎｔ　ｂｅａｍｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉａｈｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｅｒｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｄｅｖｉｃｅ　ｌａｅｒｐｐｇｙ　ｙ

，，　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｌａｅｒ　ｏｆ　ＳＯＩ　ｗａｆｅｒｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌａｎｄ　ａ　ｍｏｖｅａｂｌｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｗａｓ　ｒｅｌｅａｓｅ　ｂａ　ＳｉＯａｎｄ２ｙｐｙｙ　，ｌａｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＯＩ　ｗａｆｅｒ　ｃｏｒｒｏｄｅｄ　ｂｈｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ　ａｃｉｄ　ｆｌｏｗ．Ｆｉｎａｌｌｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａ　ｃａｖｉｔｙｙｙｙｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅａｍｓ　ｗａｓ　ｉｍｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｘ　ｌａｓｓ　ｉｅｃｅ　ｂｆｉｎｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎａｎｄｐｙｇｐｙ　ｇ　ｔｈｅ　ｗａｆｅｒ－ｌｅｖｅｌ　ｖａｃｕｕｍ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｗｉｔｈ　ＳＯＩ－ａｃｋａｉｎｐｇｇ　ｌａｓｓ　ａｎｏｄｉｃ　ｂｏｎｄｉｎ．Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｃｋａｉｎｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄｇｇｐｐｇｇ　

；修订日期：２０１３１２０５２０１４０１２８．　　收稿日期：－－－－

）国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６１０７２０２２　　基金项目：

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　　　　　光学　精密工程　　　　　

第２２卷　

，ｅａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｗｉｔｈａｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔｈｅｒｍｅｔｉｃｓｅａｌｉｎａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｏｒｈａｓａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｏｆ１０．６６　　　　　　　　　　　　　ｙｇｙ　　／ＨｚｈＰａａｎｄｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ０．９９９９９５ｉｎｔｈｅｒａｎｅｏｆ１０ｋＰａｔｏ１１０ｋＰａ．　　　　　　　　　　　　　ｇ：；；ＫｅｗｏｒｄｓＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）ｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｓｏｌａｔｉｏｎｒｅｓｓｕｒｅ－　　　　　ｙｐｙ　

（）；；ａｃｋａｉｎＳＯＩａｎｏｄｉｃｂｏｎｄｉｎｖａｃｕｕｍ　　ｐｇｇｇ

，）工艺的谐振式ＭＥＭＳ压力传ＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒＳＯＩ－

感器的制作及圆片级真空封装方法，利用精密机械加工技术在Ｐｒｅｘ玻璃晶圆上制作空腔和电连ｙ

　　谐振式压力传感器作为典型的高精度压力传

气象探测、工业控制等领域有感器，在航空航天、

１］

。它利用压力的变化引起敏着非常重要的作用［

１　引　言

接通孔，并通过硅－玻璃阳极键合将谐振器封装在真空中。该方法有利于提高谐振器的品质因数，并形成对谐振器的有效保护。与有机黏合材料和金属焊接材料相比，阳极键合采用的Ｐｒｅｘｙ玻璃与单晶硅的热膨胀系数匹配更好，减小了真空封装引入的应力；圆片级真空封装的实现，大大提高了封装效率。

感膜的形变，敏感膜的形变又改变在其上的双端固支谐振梁的谐振频率，从而可通过测量谐振梁的谐振频率变化间接测量压力。谐振式ＭＥＭＳ压力传感器有机结合了微机电加工技术和机械谐振式传感技术，除了具有传统机械谐振传感器精稳定性好、准数字输出等优点之外，还具有度高、

功耗低、与集成电路工艺兼容、易于大批体积小、

２］

。量生产等特点［

２　传感器的设计

２．１　工作原理与结构设计

根据振动部分的结构特征，谐振式压力传感器分为谐振筒式、谐振膜式和谐振梁式压力传感器。本文选择了双端固支Ｈ型谐振梁作为谐振８］

，如图１所示，Ｈ型谐振梁由２根单梁组器［

成，通过中间的连接点连接。采用电磁激励和电磁拾振的方式，将Ｈ型谐振梁水平放置，同时在其周围提供竖直方向的均匀磁场，当其中一根单梁上通过交变电流时，Ｈ型谐振梁受到周期性安培力的作用进行受迫振动，另一根单梁在均匀磁场中切割磁感线而产生感应电动势。当交变电流的频率与Ｈ型谐振梁固有频率相同时，Ｈ型谐振梁振幅达到最大，通过检测由此产生的最大电动势可检测到Ｈ型谐振梁的固有频率

。

上世纪８０年代以来，国内外众多公司与研究机构广泛开展了谐振式ＭＥＭＳ传感器及其真空封装技术的研究。其中ＤＲＵＣＫ公司Ｇｒｅｅｎ－

［］ｗｏｏｄ３等人研制出蝶形结构的谐振式ＭＥＭＳ压力传感器，由于真空封装过程涉及两次玻璃焊

料高温黏合，且其中一次黏合需要精确对准盖板上的金属电极与基板上的谐振器，加工难度较

［］

大。横河电机Ｉ电磁ｋｅｄａ４等人研制了电磁激励、

检测的谐振式ＭＥＭＳ压力传感器，制作过程涉及扩散、多晶硅外延生长和多次薄膜沉积工艺，虽然将谐振器封装在独立腔室中，但制作过程非常复杂。国内在这方面也有相关研究，中科院电

５］子学研究所陈德勇［等人制作了电热激励的谐振

式ＭＥＭＳ压力传感器，但采用了单芯片管壳封装，不仅封装效率低，还存在热应力较大的问

６］２，７］

、题。史晓晶［李玉欣［等人采用扩散硅工艺

制作了梁膜一体的谐振式ＭＥＭＳ压力传感器，

其真空封装采用黏合键合的方法进行单片封装，（）该方案存在以下缺点：将谐振器暴露在空气中１（）使谐振器的品质因数难以提高；没能形成对谐２（）振器的有效保护；采用有机黏合材料封装，引３（入应力较大且长期稳定性较差；单芯片封装，４）效率低。

本文介绍了一种基于绝缘体上硅（Ｓｉｌｉｃｏｎ－

图１　Ｈ型谐振梁结构示意图Ｆｉ．１　Ｈｔｅｒｅｓｏｎａｎｔｂｅａｍ　　　ｇｙｐ

第５期

谐振式ＭＥＭＳ压力传感器的制作及圆片级真空封装　　　陈德勇，等：

１２３７

９］

，谐振梁一阶振动模态的固根据弹性理论［

有频率近似计算公式为：

２

·，（）（）０２８１＝１．ｆ１０＝２２

Ａ２ｌｌπρρ

其中：Ｅ是材料的杨氏模量，Ｉ是转动惯量，Ａ＝

ｂｈ是横截面积，ｂσ是轴向应力，ρ是材料密度，是梁的宽度，ｈ是梁的厚度，ｌ是梁的长度。Ｈ型谐振梁的固有频率随其所受轴向应力变化，将Ｈ型谐振梁双端固支在压力敏感膜片上，通过压力敏感膜的形变来改变Ｈ型谐振梁所受轴向应力，从而改变其固有频率，可达到检

测压力的目的，传感器整体结构如图２所示。

图３　压力敏感膜Ｙ轴向应力分布

Ｆｉ．３　ＳｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉａｈｒａｍｏｎＹ－ａｘｉｓ　　　　　ｇｐｇ

支位置。根据仿真结果选择压力膜厚度为１２０ｍ，此时固支于边缘的Ｈ型谐振梁的灵敏度约为μ

／。确定压力敏感膜厚度以后，通过５ｋＨｚ１００ｋＰａＡｎｓｓ仿真确定另一个Ｈ型谐振梁的灵敏度约为ｙ／５ｋＨｚ１００ｋＰａ的固支位置，最终仿真得到的差分

图２　谐振器整体结构示意图

Ｆｉ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｒｅｓｏｎａｔｏｒｒｏｏｓｅｄ　　　　ｇｇｐｐ

／。检测灵敏度约为１０ｋＨｚ１００ｋＰａ

３　传感器的封装设计与制作工艺

３．１　传感器的封装设计

要实现绝压测量，真空参考腔的设计和制作在压力传感器中十分必要。而将谐振器封装在真空中不仅有利于提高其品质因数，还能形成对谐振器的有效保护，减小外部环境（例如灰尘、水汽对谐振器正常工作造成的不利影响，保证其等）

可以在恶劣的环境中工作。因此，实现高性能的谐振式压力传感器，将谐振器封装在真空中是非常必要的。

为此，提出了一种基于硅－玻璃阳极键合技术的真空封装方法，把谐振器封装在真空参考腔中，将谐振器的电连接引出，真空封装如图４所示。硅－玻璃阳极键合具有良好的密封性和长期稳定性，能够长期保持真空，减小传感器的时

－６

／漂；Ｐｒｅｘ玻璃热膨胀系数为３．３×１０Ｋ，单晶ｙ－６

／硅的热膨胀系数为３．０×１０Ｋ，相近的热膨胀

２．２　谐振梁固有频率的有限元仿真

）由式（可知谐振梁的一阶振动模态的固有１频率主要取决于谐振梁的长度ｌ和宽度ｂ。利用Ａｎｓｓ有限元仿真软件对谐振梁的结构参数进行ｙ

检测等因素，设计谐优化仿真，综合考虑加工、

振梁的两根单梁的结构参数为长１宽２４００μｍ、０　

厚４长６ｍ、０μｍ，中间连接块宽２０μｍ、０μｍ，μ

。无应力状态下谐振梁固有频率为８１．３９８ｋＨｚ

选择方形单晶硅膜片作为感压元件，利用Ａｎｓｓ有限元仿真软件对压力敏感膜进行应力仿ｙ

真分析，在其背面加１００ｋＰａ的压力负载，得到其正面的Ｙ轴向应力分布，如图３所示（Ｘ轴向。应力分布规律与此一致）

　　根据压力敏感膜的应力分布情况，将两个Ｈ型谐振梁分别固支于压力敏感膜边缘的压应力区和靠近中间的拉应力区，如图３所示。通过对两个Ｈ型谐振梁的输出频率进行差分检测，可在增大灵敏度的同时抵消部分外界环境的影响。为更好地抵消部分外部环境影响，两个Ｈ型谐振梁对压力的灵敏度应尽量相同。在Ｈ型谐振梁结构参

数和压力敏感膜尺寸确定的情况下，影响灵敏度的参数为压力敏感膜厚度与两个Ｈ型谐振梁的固

系数有利于实现低应力封装，减小传感器的温漂；此外，这种封装方法是圆片级封装，具有很高的封装效率。

　　采用电磁激励和检测的方法时，通常采用生长绝缘层和图形化的金属层的方法实现机电转

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　　　　　光学　精密工程　　　　　

第２２卷　

图４　真空封装示意图

Ｆｉ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｖａｃｕｕｍａｃｋａｉｎ　　　　ｇｇｐｇｇ

换，但这与阳极键合工艺的要求相冲突，还存在热膨胀系数难匹配、工艺复杂的问题。为解决上述问题，在ＳＯＩ晶片参数的选取上，采用器件层厚４中间０μｍ，电阻率０．００１～０．００２Ｏｈｍ·ｃｍ、氧化层厚２μ基底层厚３ｍ、００μｍ，电阻率５～１０ｍ。选用器件层为低电阻率单晶硅的Ｏｈｍ·ｃＳＯＩ晶圆，在加工谐振器的同时制作出电绝缘槽（；如图４所示）晶圆的器件层是建立在数微米（实的二氧化硅层之上的，通过制作电验中用２μｍ）绝缘槽可以实现电流通路之间的电绝缘；直接采用低电阻率的单晶硅实现机电转换，而不是其上的一层薄金属膜。

为保证谐振器在真空条件下自由振动，在Ｐｒｅｘ玻璃对应压力敏感膜的位置上设计了方形ｙ

坑槽，形成供谐振器自由振动的真空参考腔。将谐振器封装在真空的同时，玻璃封盖会不可避免地阻碍传感器芯片的压焊。为实现电信号的传输，在对应每一个需要引出电信号的硅焊盘的中间部位，Ｐｒｅｘ玻璃上都需要制作通孔，以保证ｙ硅铝丝超声波楔焊的完成。３．２　传感器的制作工艺

谐振式传感器的核心部件是谐振器，其品质因数极大地影响传感器的性能。单晶硅具有良好的机械性能和热稳定性，制作的谐振器的品质因

］５１０１２－

。采用器件层为低电数可以达到１数量级［０

图５　谐振器的制作工艺流程

Ｆｉ．５　Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｏｓｅｄｒｅｓｏｎａｔｏｒ　　　　ｇｐｐｐ

（首先清洗１）　　主要的工艺步骤如图５所示：

，无ＳＯＩ晶圆，流程依次为丙酮浸泡超声２ｍｉｎ，去离子水冲洗２ｍ，水乙醇浸泡超声２ｍｉｎｉｎ，沸１８０℃浓硫酸煮１０ｍｉｎ，去离子水冲洗５ｍｉｎ，去离子水冲洗２ｍ，氮气吹干，水煮５ｍｉｎｉｎ（）（所示；用金属薄膜１２０℃烘１０ｍｉｎ，如图５ａ２）淀积设备（溅射台）在ＳＯＩ晶圆的基底层面上溅）（射厚度为３所示；００ｎｍ的金属铝，如图５（ｂ３）通过光刻图形转移、磷酸腐蚀铝图形转移等工艺（，得到抗反应离子４０℃，约２ｍｉｎ以观测为主）（）（如图５所示；通过反应离子深刻蚀的掩模，ｃ４）／，深刻蚀工艺（采用快速率参数：ＳＦ３００ｍｌｍｉｎ６，；／，；上电极１７ｓＣＨＦ１５０ｍｌｍｉｎ２ｓ８００Ｗ，下　３，），制作压力敏感膜，如电极７气压＜２ｍ０Ｗ；ｂａｒ（）（所示；完全去除整片的光刻胶和铝掩图５ｄ５））（模并清洗晶圆，如图５（所示；在Ｓｅ６）ＯＩ晶圆的器件层面上溅射厚度为３如００ｎｍ的金属铝，（）（所示；经过光刻图形转移、磷酸腐蚀铝图５ｆ７）图形转移等工艺，得到抗反应离子深刻蚀的掩模，通过反应离子深刻蚀工艺得到谐振器结构（／，；／，ＳＦ３５０ｍｌｍｉｎ５ｓＣＨＦ３５０ｍｌｍｉｎ２６，３，；），上电极１下电极８气压＜２ｍｓ５００Ｗ，０Ｗ；ｂａｒ　（）（如图５所示；完全去除整片的光刻胶和铝８）ｇ掩模并清洗晶圆后，利用氢氟酸缓冲液释放可动结构，ＨＦ酸缓冲液配比（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ：Ｈ２Ｏ＝３

阻率单晶硅的ＳＯＩ晶圆，通过微机械加工的方法在其器件层制作谐振器，在其基底层制作压力敏感膜。利用氢氟酸缓冲液腐蚀ＳＯＩ晶圆的二氧化硅层，完成谐振器的释放，得到梁膜一体的谐振器

。

），腐蚀水浴温度２ｍｌ∶６ｇ∶１０ｍｌ３℃，腐蚀时（）间４所示。０ｍｉｎ。如图５ｈ

Ｐｒｅｘ玻璃晶圆上设计了方形深槽和圆形通ｙ

孔，来配合芯片结构实现谐振器的真空封装。为保证键合面的平整度满足阳极键合工艺的要求，并确保方形深槽和圆形通孔的相对位置准确，选择超声波精密机械加工的方法一次性完成坑槽和通孔的加工。对完成加工的Ｐｒｅｘ玻璃晶圆进行ｙ以去除加工过程产生的污染物残留。在了清洗，

型号为ＫａｒｌＳｕｓｓＳＢ６的阳极键合机台上，将加　　工了谐振器结构和压力膜的ＳＯＩ晶圆和带有气压坑槽结构和供电引线连接通孔的Ｐｒｅｘ玻璃晶ｙ圆进行对准后，完成阳极键合，键合成功的圆片如图６所示，该晶圆中包含有３２个气压传感器芯片，芯片尺寸为７ｍｍ×７ｍｍ。采用划片机对芯片切片后，利用扫描电子显微镜观察芯片截面，如图７所示，真空腔体结构完全可以容纳谐振器自由振动，也可容纳气压膜的形变。对不同批次、同一批次圆片不同位置的小芯片抽样测试，得到压力膜实际厚度为１１７～１２２．５μｍ

。

４　测试结果及分析

４．１　传感器的开环测试

由于采用了ＳＯＩ晶圆器件层的低电阻率单晶硅作为激励电极和拾振电极，因此两根单梁通过Ｈ型谐振梁中间连接处短接在一起。为解决Ｈ型谐振梁中间连接处的串扰引起无法检测的

问题，在传感器的驱动端采用了匝数比为１∶１的变压器进行驱动。将Ｅ５０６１ＢＥＮＡ系列网络分析仪的驱动信号通过隔离变压器加载到谐振梁的激励电极，变压器的次级线圈与激励电极构成一个独立的闭合回路，放置驱动信号通过Ｈ型谐振梁中间连接处的电阻形成串扰，保证了检测的实现，开环检测系统如图８所示

。

图８　开环测试系统简图

Ｆｉ．８　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｏｅｎｅｄｌｏｏｔｅｓｔｉｎｓｓ　　　－－ｇｇｐｐｇｙ　　

ｔｅｍ

　　为避免激励电压过大，使谐振梁处于非线性振动状态，根据多次开环测试结果，选定激励电压为２０ｍＶ。在常压下分别对传感器的边缘谐振梁和中间谐振梁进行了开环测试，得到的开环

图６　圆片级阳极键合Ｆｉ．６　Ｗａｆｅｒｌｅｖｅｌａｎｏｄｉｃｂｏｎｄｉｎ

－　　ｇｇ

测试曲线如图９所示。

大气压）下边缘谐　　根据测试曲线可知，常压（

，中间谐振梁振梁的谐振频率约为６２．１３５ｋＨｚ，两者差频约为１的谐振频率约为７２．６５９ｋＨｚ０．，与有限元仿真结果的差频输出非常接５２４ｋＨｚ

近。通过幅频特性曲线可以估算其谐振器的机械品质因数Ｑ值，将中心频率除以其３ｄＢ带宽，计算得到两个谐振梁的Ｑ值约为１４００左右。通　过对比实验得到谐振梁在空气中的品质因数Ｑ

图７　芯片截面的扫描电子显微镜图片ｈｏｔｏｓＦｉ．７　ＳＥＭｏｆｓｉｄｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃｈｉ　　　　　　　ｐｇｐ

值为８００左右，容易发现封装在真空腔中的谐振梁的品质因数并未得到较大提升。经过分析整个封装工艺，认为导致谐振梁品质因数不很高的原

因在于工艺设备的兼容问题，在４ｉｎｃｈ（１０ｃｍ）（键合设备上进行了３ｉ晶圆的阳极键ｎｃｈ７．５ｃｍ）合。由于无法进行预键合，将玻璃晶圆与ＳＯＩ晶圆压紧后，会造成对真空腔的抽气速率下降，而由此导致键合工艺的抽气时间并没有适当延长，真空腔的真空度并没有达到键合机腔室中的高真空，谐振梁处于低真空环境中，所以其品质因数并未大幅提高

。

频率－压力特性如图１０所示。根据３条频率－压力特性曲线可得到边梁和中间梁的灵敏度约为／，差分检测的灵敏度约为５．３３ｋＨｚ１００ｋＰａ

／，传感器的差分检测输出的１０．６６ｋＨｚ１００ｋＰａ线性相关系数为０．９９９９９５４２。随机选择同一圆　　片上５个传感器样品，测试其差频检测的频率－压力特性，在１００ｋＰａ下谐振梁的工作频率和差频检测灵敏度如表１所示

。

图１０　传感器在１０ｋＰａ１０ｋＰａ内的频率－压力响应～１

曲线

ｒｅｓｓｕｒｅｒｅｓｓｕｒｅＦｉ．１０　Ｆｒｅｕｅｎｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎ－　　　ｐｐｇｑｙ

ｏｆ１０ｋＰａ－１１０ｋＰａ　

表１　１００ｋＰａ压力中器件的频率特性　

Ｔａｂ．１　Ｆｒｅｕｅｎｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｉｎｒｅｓ　　　　　－ｑｙｐ　

ｓｕｒｅｏｆ１００ｋＰａ　　

器件１器件２器件３器件４器件５

边梁频率／ｋＨｚ

图９　常压下的开环测试曲线

Ｆｉ．９　Ａｍｌｉｔｕｄｅｆｒｅｕｅｎｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｈａｓｅ－　　－ｇｐｑｙｐ　

ｆｒｅｕｅｎｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎａｉｒ　　ｑｙ　

中间梁频率／ｋＨｚ差频／

５８．４３５６１．３２９５８．８１３６０．４２９６２．３０３　　　　

６９．３７２７１．２６６６９．５７３６９．８３６７２．４８８　　　　

４．２　传感器的闭环测试

闭环检测电路采用正反馈实现谐振器的自激

１３］

，使输出频率自动跟踪谐振器固有频率振荡［

１０．９３７９３７０．７６４０７０．１８５　９．　１　９．　１

／）（ｋＨｚ１００ｋＰａ

的变化，从而可以测定传感器的响应曲线。在实验室条件下采用ＦｌｕｋｅＰＰＣ４Ｅ压力控制仪进行　，压力控制，可准确测量的最小气体压力为１ｋＰａ为得到边缘谐振梁和中间谐振梁的频率－压力特性，在１０ｋＰａ～１００ｋＰａ的区间以１０ｋＰａ为步长，在不同压力下对传感器样品进行了闭环测中间梁以及差频检测的试，得到该器件的边梁、

０所示频率－压力特性曲线，可以大　　利用图１

致估算真空中两个谐振梁的固有频率均在６７ｋＨｚ附近，但根据仿真结果谐振器固有频率应为

。根据式（可知，谐振梁的固有频８１．３９８ｋＨｚ１）率与其宽度ｂ成正比，与其长度ｌ的平方成反比。

在谐振梁的加工过程中，光刻、铝掩模腐蚀等工艺会对谐振梁的宽度ｂ造成较大影响。测试未进行真空封装的样品，在没有压力效应的情况下，

边缘谐振梁与中间谐振梁的固有频率均减小为７０ｋＨｚ左右。在电镜下测量该样品的谐振梁宽

度ｂ为１７μｍ，经过有限元仿真分析，谐振梁宽，度ｂ减小为１７μｍ时，其固有频率为６９．１ｋＨｚ与测试结果相符。因此认为造成传感器工作频率下降的主要因素是光刻、铝掩模腐蚀等步骤的工艺误差。

表１的测试结果显示，５个传感器样品的工作频率和差频灵敏度均有偏差。分析认为，光刻、铝掩模腐蚀的不均匀，导致了相同圆片上传感器样品工作频率的偏差，而差频灵敏度的偏差则主要来自于反应离子深刻蚀的非均匀性。

工艺，设计了一种谐振式ＭＥＭＳ压力传感器的真空封装方法，将谐振器封装在真空中。通过有限元仿真设计了传感器的结构参数，并利用差分检测提高传感器的灵敏度，同时减小部分应力对传感器性能的影响。基于体硅工艺加工了传感器易实现。采用微机械加工的方样片，工艺简单、

法，加工了带有电连接通孔和真空腔的玻璃盖板。基于阳极键合技术实现了圆片级真空封装，可长期保持真空，并具有低应力的特点。测试表明，设计的真空封装方案是完全可行的，该设计将谐振器封装在真空环境下，对其形成了有效保，护；在１传感器的差分检测灵敏０ｋＰａ１０ｋＰａ～１／，度高达１线性相关系数为０．０．６６ＨｚｈＰａ９９９大大提高了封装效率。９９５，

５　结　论

ＯＩ　　本文采用阳极键合技术，结合Ｓ－ＭＥＭＳ

参考文献：

［］基于Ｓ１ＯＩ的硅微谐振式　马志波，姜澄宇，任森，等．

］压力传感器芯片制作［传感技术学报，Ｊ．２０１２，２５（）：２１８０１８３．－

ＺＨ　Ｂ，ＪＩＡＮＧＣＨ　Ｙ，ＲＥＮＳ，ｅｔａｌ．．ＦａｂｒｉｃａＭＡ　　　　－ｔｉｏｎｏｆａｎｏｖｅｌｒｅｓｏｎａｎｔｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｄｅｄｏｎ　　　　　　　　ｐ］ＳＯＩｗａｆｅｒ［Ｊ．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏＳｅｎｓｏｒａｎｄ　Ａｃ　　　　－ｆ　（）：（）ｔｕａｔｏｒｓ，２０１２，２５２１８０１８３．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ－　［］基于自停止腐蚀技术２　李玉欣，陈德勇，王军波，等．

］的Ｈ型谐振式微机械压力传感器［光学精密工Ｊ．（）：程，２０１１，１９１２２９２７２９３４．－

ＬＩＹＸ，ＣＨＥＮＤＹ，ＷＡＮＧＪＢ，ｅｔａｌ．．Ｈｔｅ　　　　　　　　ｙｐＭｉｃｒｏａｃｈｉｎｅｄｒｅｓｏｎａｎｔｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎ－ｍ　　　　　ｐｓｔｏｅｄｅｔｃｈｅｃｈｎｉｕｅ［Ｊ］．Ｏｔ．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＳｅｌｆ－　　ｔｐｑｐ，（）：（）Ｅｎ２０１１，１９１２２９２７２９３４．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ－　ｇ．［３］ＲＥＥＮＷＯＯＤＪＣ，ＳＡＴＣＨＥＬＬＤ　Ｗ．Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　Ｇ　　　

］ｒｅｓｓｕｒｅｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒ［Ｊ．ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏ－ｓｉｌｉｃｏｎ　　　　ｐ（）：ｒａｎｄ　Ａｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８８，１３５５３６９３７２．－ｙｐｐ　［］４ＫＥＤＡ　Ｋ．Ｓｉｌｉｃｏｎｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｎｔｅｒａｔｅｓｒｅｓｏ　Ｉ　　　　－ｐｇ

］ａｕｅｎａｎｔｓｔｒａｉｎｏｎｄｉａｈｒａｍ［Ｊ．Ｓｅｎｓｏｒａｎｄ　Ａｃ－　　　　　ｇｇｐｇ，（）：ｔｕａｔｏｒ　Ａ：Ｐｈｓｉｃａｌ１９９０，１２１３１４６１５０．－－ｙ［］５ＮＤＹ，ＣＵＩＤＦ，ＷＡＮＧＬ．ＳＩＮｂｅａｍｒｅｓｏ　ＣＨＥ　　　　　　　－

ｒｅｓｓｕｒｅｎａｎｔｓｅｎｓｏｒｓｗｉｔｈａｎｏｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ］．　　　　　　ｐ

［］一种新型微机械谐振６　史晓晶，陈德勇，王军波，等．

］传感技术学报，式压力传感器研究［Ｊ．２００９，２２（）：６７９０７９３．－

，ＳＨＩＸＪＣＨＥＮ　ＤＹ，ＷＡＮＧＪＢ，ｅｔａｌ．．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　　　　　　ｏｆｒｅｓｓｕｒｅａｎｏｖｅｌｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒ　　　　　　ｐ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏＳｅｎｓｏｒｓａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，　　　ｆ　（）：（）２００９，２２６７９０７９３．ｉｎＣｈｉｎｅｓ－　

［］７ＪＢ，ＣＨＥＮ　ＤＹ，ＬＩＹＸ．Ａ　ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ＷＡＮＧ　　　　　

ｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈＤＥＴＦｓｒｅｓｏｎａｎｔｏｒｒｅｓｓｕｒｅ　　　　　ｐｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　ＳｅｎｓｏｒｓＣｏｎ－ａｎｄ　　　２００９：１３２１１３２４．ｅｒｅｎｃｅ，－ｆ

［］８Ｎ　ＤＹ，ＷＡＮＧＪＢ，ＬＩＹＸ．Ａｎｏｖｅｌｌａｔｅｒａｌｌ　ＣＨＥ　　　　　　　ｙ

ｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｅｓｏｎａｎｔｒｅｓｓｕｒｅｅｎｓｏｒｄｒｉｖｅｎ　ｍ　ｒ　ｐ　ｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　ＳｅｎｓｏｒｓＣｏｎｅｒｅｎｃｅ，２０１０：１７２７．　ｆ［］微机械谐振梁压力传感器研究［北京：９Ｄ］．　陈德勇．

中国科学院博士学位论文，２００２．

ＣＨＥＮ　ＤＹ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｒｅｓｏｎａｎｔ　　：Ｂｅａｍ　ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒｓ［Ｄ］．ＢｅｉｉｎＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉ　　－ｊｇ，ｖｅｒｓｉｔｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ２００５．　　　　ｙｙ　　（）ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ　

［］高性能电磁式微机械１０　陈李，陈德勇，王军波，等．

］：振动环陀螺［光学精密工程，Ｊ．２００９，１７（８）１９１５１９２１．－

ＣＨＥＮＬ，ＣＨＥＮＤＹ，ＷＡＮＧＪＢ，ｅｔａｌ．．Ｈｉｈ　　　　　　ｇｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｍｉｃｒｏａｃｈｉｎｅｄｒｉｎ　　－ｍ　ｐｇｇ

ＩＥＥＥ　ＳｅｎｓｏｒｓＣｏｎｅｒｅｎｃｅ，２００２：９９４９９７．　－ｆ

，ｒｏｓｃｏｅ［ｖｉｂｒａｔｉｏｎＪ］．Ｏｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎ　ｇｙｐｐｇ．（）：（）２００９，１７８１９１５１９２１．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ－　

［］谐振式ＭＥＭ１１Ｓ温度传　马洪宇，黄庆安，秦明，等．

：感器设计［光学精密工程，２Ｊ］．０１０，１８（９）２０２２２０２７．－

ＭＡ　Ｈ　Ｙ，ＨＵＡＮＧ　Ｑ　Ａ，ＱＩＮ　Ｍ，ｅｔａｌ．．Ｄｅｓｉｎ　ｇ］ｒｅｓｏｎａｎｔＭＥＭＳｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ．Ｏｔ．ｏｆ　　　　ｐｐ，：（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎ２００９，１７（８）１９１５１９２１．ｉｎＣｈｉ－　－ｇ．）ｎｅｓｅ

［］硅微谐振式加速度计的１２　石然，裘安萍，苏岩，等．

］实现及性能测试［光学精密工程，Ｊ．２０１０，１８（）：１２２５８３２５８９．－

Ｒ，ＱＩＵ　ＡＰ，ＳＵ　Ｙ，ｅｔａｌ．．ＩｍｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＳＨＩ　　　ｐｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｉｌａｎｄ　　　　　－ｐｉｃｏｎｒｅｓｏｎａｎｔａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．Ｏｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　　ｐ，（）：（）Ｅｎ２０１０，１８１２２５８３２５８９．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ－　ｇ．［］电磁激励谐振式１３　刘猛，王军波，李玉欣，等．

］传感技ＭＥＭＳ压力传感器闭环控制电路研究［Ｊ．（）：术学报，２０１０，２３８１０６６１０６９．－

ＬＩＵ　Ｍ，ＷＡＮＧＪＢ，ＬＩＹＸ，ｅｔａｌ．．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ　　　　　　ｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｒｅｓｏｎａｎｔＭＥＭＳ　　　　　ｐｐ　］ｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　　　ｇ：ＪｏｕｒｎａｌｏＳｅｎｓｏｒａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２０１０，２３（８）　　ｆ　（）１０６６１０６９．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ－　

作者简介

：

，男，博士，研究员，１９６７－）　陈德勇（

１９８９年于清华大学获得学士学位，１９９２年于中国科学院半导体所获得硕士学位，２００２年于中国科学院电子学研究所获得博士学位，主要研究方向为ＭＥＭＳ微传感器与微系统。Ｅ－：ｍａｉｌｄｃｈｅｎａｉｌ．ｉｅ．ａｃ．ｃ

ｎ＠ｍｙ

，男，硕士研究生，１９８４－）　曹明威（

２００７年于北京科技大学获得学士学位，主要研究方向为微机械谐振式传：感器。Ｅ－ｍａｉｌｕｓｔｂｓｉｍｏｎ６３．ｃｏｍ＠１