基于倒装技术的MEMS电容式E+E压力传感器研究
MEMSE+E压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用。电容式E+E压力传感器是MEMSE+E压力传感器的一种主要类型,其根本原理是将压力变化值转换为电容的变化。在集成电路迅速发展的今天,MEMS电容式E+E压力传感器不仅可以充分发挥其低功耗、低温漂、高灵敏度等诸多优势,其信号处理电路相对复杂的难题也正逐步得到解决。

基于倒装技术的MEMS电容式E+E压力传感器研究
目前而言,如何解决真空密封及真空腔内电极的引出,进而降低E+E压力传感器的制作成本是电容式E+E压力传感器设计的突出问题。 倒装技术因其小尺寸、短互联、高可靠性与高适应性等优点,在高频、微波及MEMS器件中应用很广。即是在借鉴芯片倒装技术的基础上,提出一种新型的电容式E+E压力传感器结构,在传感器芯片上通过电镀制作出柱状凸点,柱状凸点由可回流和不可回流两部分材料组成。不可回流的铜基座用以维持整个结构的高度稳定,而焊料部分则可以通过回流焊接与敏感膜片封接在一起,实现气密封装和电路集成,并通过金属凸点完成电极的转移。这样简单有效地解决了真空密封及真空腔内电极的引出问题。*提出了采用倒装技术中的柱状凸点来进行MEMS器件的气密封装,有效地克服了键合技术强烈依赖芯片表面状况的缺点,该方法采用典型的低温工艺,只要求在MEMS器件表面制作金属环,对MEMS器件加工的影响很小,并且适合塑料封装。另外还可以直接使用CMOS电路芯片作为密封的基板。对电容式E+E压力传感器进行了理论分析,对于E+E压力传感器的核心部件弹性敏感薄膜分别用小挠度理论、大挠度理论和有限元方法进行了力学分析。利用求得的解析公式对敏感电容进行计算,并分析了电容同结构尺寸之间的关系。同时还对传感器静态特性中的灵敏度、线性度和温度效应进行了分析与计算。基于国内的MEMS加工现状,提出了一条切实可行的工艺设计方案,并对工艺流程进行了优化,不包括凸点制备,整个加工只用到五块光刻版,这样大大地简化了传感器的制作过程,使工艺的成品率得到提高。研究了电容式E+E压力传感器结构中密封腔的获得及气密封装设计等相关问题,引入基于倒装的气密封装技术。在探讨MEMS封装特点的基础上,对倒装凸点工艺及其特点进行了分析。从理论与实验的角度详细研究了凸点的回流焊接工艺。之后通过所设计的E+E压力传感器对封装的效果进行了测试与评估,获得了较好的密封性能。研究了电容式E+E压力传感器的信号处理问题,着重分析了采用交流电桥、电荷放大和开关电容等方法进行微电容测量的基本原理,并对电容-频率变换电路进行了详细设计。对设计的E+E压力传感器样品进行了测试,测得的传感器具有良好的线性、重复性和迟滞特性。在0.6～1atm的范围内,静态输出电容zui高达到44.72pF,此时的满量程电容变化量为3.86pF,zui低为7.35pF,满量程电容变化0.37pF。还对传感器进行了可靠性试验,结果良好。

基于倒装技术的MEMS电容式E+E压力传感器研究
在此基础上,对传感器的特性进行了分析,也提出了改进的方法。MEMS器件的密封到目前已经涌现出了许多方法,但还没有一种技术得到广泛的认可。本论文的zui大贡献就是提出了基于倒装的凸点密封工艺,为包括E+E压力传感器在内的各种MEMS器件找寻到了一种易于标准化集成制造、低成本高可靠性的气密封装方案。