MEMS气体压力传感器的设计与封装研究 开题报告(1)

开题报告

MEMS气体压力传感器的设计与封装研究

学生姓名：

专业班级：机械

学号：

指导老师：

为用扩散方法形成的四个桥臂电阻。在零压力初始状态时，电桥的输出为：

132401234 (1)()()

R R R R V R R R R -=++

图1 恒压电路原理图 图2恒流电路原理图

b.恒流源供电。采用恒流源供电，桥路连接方法如图2所示。这时零输出电压为：

132400 1234I (2)()

R R R R V R R R R -=•+++ 恒流源供电时，输出电压与压敏电阻增量及恒流源电流成正比。恒流源精度对传感器精度有影响。这种供电方法的优点是电桥的输出与温度无关，不受温度的影响。

2）压敏电阻的设计

压力敏感器件由扩散在硅膜上的四个电阻连成的惠斯顿电桥组成。电阻的设计直接影响器件的性能。电阻的阻值范围根据不同的应用场合，从几百欧姆到几千欧姆。电阻的形状，根据硅膜片的结构和尺寸，一般选用图3所式的两种形状。电阻的形状确定之后，可用下式计算阻值：

图3电阻条常用形状

（2）硅膜片上的压阻全桥设计。硅压阻式压力传感器常用的膜片结构有圆形、方形和矩形三种。硅膜片的结构不同，在压力作用下，硅膜片上的应力分布也不同，因此，压阻全桥在硅膜片上的设计也不同。在传统的工业用压阻式压力传感器中，硅膜片用机械研磨方法在硅片背面加工而成(即形成所谓硅杯)。这种方法加工的硅膜片尺寸较大，一般是直径10mm 左右的圆形硅膜片。这时，电阻的尺寸可取得较大，电阻位置的偏差影响也比较小。但是，在集成化和微型化的压力传感器中，硅膜的尺寸大大缩小，电阻值和位置偏差引起的灵敏度偏

LPCVD法

生长多晶硅

离子注入硼退火刻电阻条

淀积SiO2

Si3O4

SiO2光刻蒸铝

合金化铝电极光刻硅杯窗口套

刻

硅杯腐蚀去除SiO2

Si3O4

切片

验收芯片热老化

图4 工艺流程图

（2）MEMS气体压力传感器的封装

对于压力传感器的封装，概括起来，应该满足以下几方面的要求：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；2）避免热应力对芯片的影响；3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；4）电磁上要求是屏敝的；5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容。目前MEMS 封装应用最为广泛的三种形式是：金属封装、塑料封装和陶瓷封装，这三种封装各有优劣。图5是MEMS封装中最常见的3种封装形式。

图5 MEMS 封装常见的三种形式

1）压力传感器的隔离式封装

为了防止硅芯片的腐蚀，人们使用了隔离结构来阻止芯片与待测介质的接触。由于不锈钢波纹膜片在低压下具有近于直线的弹性特性曲线以及良好的耐腐蚀性。因此，人们使用了

不锈钢隔离膜式的金属封装。这种封装结构为气密封装。它的固态应变膜片特性、不锈钢隔膜结构和极好的动态性能可满足信号对压力传感器的高稳定、高可靠、低功耗、动态测试等的要求。它不但可以进行普通的气体及液体的压力测量，而且可以用于腐蚀性的气体及液体如酸、碱及各种液体推进剂等的压力测量。

采用隔离膜片封装的压力传感器利用了不锈钢膜片的弹性力学特性和硅油在低压力下的不可压缩性，由气密性良好的金属外壳和TO(Transistor-Outline)底座通过焊接形成一个密封的腔体，芯片贴于腔体内的TO上表面，腔体内充满了硅油。当传感器工作时，外界待测介质和感压芯片被硅油与不锈钢膜片隔离开来，使压力几乎可以没有损耗的传递到压力芯片。隔离式封装的压力传感器主要由TO基座、金属外壳、硅油、芯片及不锈钢膜片组成，如图6所示。

图6 压力传感器的隔离封装结构示意图

2）隔离式封装的结构设计

压力传感器隔离封装的器件主要包括TO基座、金属外壳、硅油、芯片及不锈钢膜片等，其中，封装材料的成本高达75%甚至更高。此外，封装材料的优劣对传感器的稳定性和可靠性也有很大的影响。因此，可以说封装结构的设计和材料的选择直接影响到了压力传感器的价格和性能。在封装的各器件中，TO基座一般有标准的制作工艺和结构形式。

a.隔离膜片的设计。膜片的设计和加工是实现传感器固态隔离封装的关键因素。隔离膜片应具有抗腐蚀、厚度小、弹性好等特点。要使膜片无损耗的传递压力，则必须消除自身变形应力的影响，波纹形状的膜片可以通过波纹间的结构形变和自调整来减小自身变形应力，从而提高传感器的线性度和响应灵敏度。

图7 波纹片结构图示

b.金属外壳与充油腔体的设计。由于隔离膜压力传感器需要工作在腐蚀性的环境中，除了波纹片选用不锈钢之外，与待测介质接触的TO基座和金属外壳都要采用抗腐蚀的材料。基于封装的热匹配的考虑，TO基座选用的材料为可伐合金，综合考虑TO与金属外壳的可焊接性、成本以及传感器的精度要求等问题，采用不锈钢TO也可以满足要求。由于TO与外壳为同种材料，这样封装之后的压力传感器可能会有更高的可靠性。本课题金属外壳采用了不锈钢304，这种材料是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。

图8 金属外壳结构示意图

c.陶瓷基座的设计。硅油在温度升高时的体积会变大，虽然波纹片对其体积变化有一定的补偿作用，但是硅油温度的升高还会增加腔体内的压力，使得压力传感器在高温时的输出偏大。为减小因硅油的热膨胀造成的附加压力，硅油的充灌量越小越好。由于金属外壳的充油腔形状比较规则，我们可以设计不规则形状的陶瓷基底来填充油腔。选用陶瓷材料的原因是TO 基座（可伐材料）、陶瓷、硼硅玻璃(Pyrex7740)的热膨胀系数很接近，这样可以减小热失配所导致的芯片上的附加压力，陶瓷还是绝缘体，它不会吸附气体杂质等，因而不会对硅油油质产生影响。此外，陶瓷的硬度高、杨氏模量大、导热性好，将芯片贴于陶瓷之上，也可以减小安装时的安装应力对传感器性能的影响。本文设计了两种符合这种结构的陶瓷基座：

图9 两种结构的陶瓷基座

3）隔离式封装的工艺设计。压力传感器封装的基本工艺包括清洗、贴片、引线键合、气密焊接（包括氩弧焊、电容储能焊接）等。下面主要通过有限元和实验分析了玻璃基底的选