基于倒裝技術的MEMS電容式E+E壓力傳感器研究
MEMSE+E壓力傳感器在工業生產、醫療衛生、環境監測以及科學研究等眾多領域有著廣泛的應用。電容式E+E壓力傳感器是MEMSE+E壓力傳感器的一種主要類型,其根本原理是將壓力變化值轉換為電容的變化。在集成電路迅速發展的今天,MEMS電容式E+E壓力傳感器不僅可以充分發揮其低功耗、低溫漂、高靈敏度等諸多優勢,其信號處理電路相對復雜的難題也正逐步得到解決。

基于倒裝技術的MEMS電容式E+E壓力傳感器研究
目前而言,如何解決真空密封及真空腔內電極的引出,進而降低E+E壓力傳感器的制作成本是電容式E+E壓力傳感器設計的突出問題。 倒裝技術因其小尺寸、短互聯、高可靠性與高適應性等優點,在高頻、微波及MEMS器件中應用很廣。即是在借鑒芯片倒裝技術的基礎上,提出一種新型的電容式E+E壓力傳感器結構,在傳感器芯片上通過電鍍制作出柱狀凸點,柱狀凸點由可回流和不可回流兩部分材料組成。不可回流的銅基座用以維持整個結構的高度穩定,而焊料部分則可以通過回流焊接與敏感膜片封接在一起,實現氣密封裝和電路集成,并通過金屬凸點完成電極的轉移。這樣簡單有效地解決了真空密封及真空腔內電極的引出問題。*提出了采用倒裝技術中的柱狀凸點來進行MEMS器件的氣密封裝,有效地克服了鍵合技術強烈依賴芯片表面狀況的缺點,該方法采用典型的低溫工藝,只要求在MEMS器件表面制作金屬環,對MEMS器件加工的影響很小,并且適合塑料封裝。另外還可以直接使用CMOS電路芯片作為密封的基板。對電容式E+E壓力傳感器進行了理論分析,對于E+E壓力傳感器的核心部件彈性敏感薄膜分別用小撓度理論、大撓度理論和有限元方法進行了力學分析。利用求得的解析公式對敏感電容進行計算,并分析了電容同結構尺寸之間的關系。同時還對傳感器靜態特性中的靈敏度、線性度和溫度效應進行了分析與計算。基于國內的MEMS加工現狀,提出了一條切實可行的工藝設計方案,并對工藝流程進行了優化,不包括凸點制備,整個加工只用到五塊光刻版,這樣大大地簡化了傳感器的制作過程,使工藝的成品率得到提高。研究了電容式E+E壓力傳感器結構中密封腔的獲得及氣密封裝設計等相關問題,引入基于倒裝的氣密封裝技術。在探討MEMS封裝特點的基礎上,對倒裝凸點工藝及其特點進行了分析。從理論與實驗的角度詳細研究了凸點的回流焊接工藝。之后通過所設計的E+E壓力傳感器對封裝的效果進行了測試與評估,獲得了較好的密封性能。研究了電容式E+E壓力傳感器的信號處理問題,著重分析了采用交流電橋、電荷放大和開關電容等方法進行微電容測量的基本原理,并對電容-頻率變換電路進行了詳細設計。對設計的E+E壓力傳感器樣品進行了測試,測得的傳感器具有良好的線性、重復性和遲滯特性。在0.6～1atm的范圍內,靜態輸出電容zui高達到44.72pF,此時的滿量程電容變化量為3.86pF,zui低為7.35pF,滿量程電容變化0.37pF。還對傳感器進行了可靠性試驗,結果良好。

基于倒裝技術的MEMS電容式E+E壓力傳感器研究
在此基礎上,對傳感器的特性進行了分析,也提出了改進的方法。MEMS器件的密封到目前已經涌現出了許多方法,但還沒有一種技術得到廣泛的認可。本論文的zui大貢獻就是提出了基于倒裝的凸點密封工藝,為包括E+E壓力傳感器在內的各種MEMS器件找尋到了一種易于標準化集成制造、低成本高可靠性的氣密封裝方案。