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MEMS差分电容式加速度传感器,具有温度系数小、灵敏度高、稳定性好,可通过静电恢复力工作在力平衡模式等优点,适用于石油勘探及地震监测等对传感器性能要求较高的领域。在这些领域中,要求MEMS加速传感器具有很低的热机械噪声和很高的信噪比。采用真空封装的方法可减小器件的空气阻尼,大大降低热机械噪声,故需对MEMS差分电容式加速度传感器的器件级真空封装进行深入研究。
首先,设计并制作了能用于器件级真空封装的四层硅键合MEMS差分电容加速度传感器。该传感器被设计为三明治式全硅结构,包括四层硅,其中上下两层硅作为固定电极;中间两层硅,先湿法腐蚀出质量块结构并利用自停止腐蚀工艺同步形成两个深入腔内的V型抽气孔槽,再通过硅硅直接键合和DRIE形成具有双面梁一质量块—V型槽结构的可动电极。该V型槽用来抽出器件腔体内的气体,使得MEMS器件在后续的封装中能够实现内部真空。为防止V型抽气槽在划片中被硅渣堵塞或者因冲水而受污染,采用双面划片工艺。划片后,器件的总尺寸为6.8mm×5.6mm×1.72mm。
然后,研究了器件级真空封装工艺。利用MEMS封装中常用的材料和工艺,在具有编程功能的真空封装设备进行,可适用于不同尺寸或布局的MEMS器件。主要包括管壳及盖板的真空烘烤,共晶贴片,引线键合,Au-Sn焊接,激活吸气剂及真空密封等过程;通过优化温度和时间提高了封装质量。封装后器件总体积为12mm×11mm×5mm。
最后,对器件级真空封装后的MEMS电容式加速度传感器进行初步的性能测试。测试结果表明,制作的传感器的谐振频率为861,品质因子Q为76,腔体内部压强小于13.3Pa,电容随电压变化(C-V特性)正常,粗漏无气泡,氦气细漏<3×10-9atm-cc/s。若要长时间保持高真空,则需进一步降低封装器件的细漏率。