（机械设计及理论专业论文）mems气体压力传感器的系统级封装（sip）技术研究.pdf

ab s t r a c t abs tract w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m e m s t e c h n o l o g y , m o r e a n d m o r e m e m s p r o d u c t s t u r n t o b e t r u e . m e m s p r e s s u re s e n s o r i s o n e o f t h e i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s i n t h e me ms t e c h n o l o g y .a t p r e s e n t , me ms p r e s s u r e s e n s o r i s a p p l i e d i n t h e f i e l d o f a u t o m o b i l e e le c t r o n i c s , b u t t h e p a c k a g i n g c o s t g e n e r a l l y c o v e r s 5 0 % - 8 0 % o f t h e w h o l e c o s t o f a f u n c t i o n a l d e v i c e o r s y s t e m. s o t h e r e s e a r c h o n t h e t e c h n o l o g y o f me ms p a c k a g e i s v e ry s i g n i f i c a n t . a t f i r s t th e t h e o ry o f p r e s s u r e s e n s o r w a s p r e s e n t i n t h e p a p e r . b a s e d o n t h e p i e z o - re s i s t a n c e t h e o ry t h e s e n s i t i v i t y o f p r e s s u r e s e n s o r w a s c a l c u l a t e d b y t h e s o ft w a r e o f a n s y s .a b o u t p a c k a g e s t r u c t u r e d e s i g n t h e le a d f r a m e d e s i g n a n d t h e c h o i c e o f t h e e p o x y m o l d i n g c o m p o u n d a r e d i s c u s s e d i n t h e p a p e r . b y d e s i g n i n g t h e s t r u c t u r e o f l e a d fr a m e w e a c h ie v e s u c c e s s f u l l y t h e s y s t e m - i n - p a c k a g e b e t w e e n a s i c a n d p r e s s u r e s e n s o r . p a ry l e n e i s i n v e s t i g a t e d f o r it s a p p l i c a t i o n s t o t h e p a c k a g e o f a i r p r e s s u r e t r a n s d u c e r s t h e c h ang e s o f k e y c h a r a c t e ri s t i c s o f p r e s s u r e t r a n s d u c e r s a r e d i s c u s s e d b y e x p e ri m e n t s a s t h e s e n s i t i v i t y o f p r e s s u r e s e n s o r , t e m p e r a t u r e c h a r a c t e ri s t ic s , h y s t e r e s i s an d t h e s t r e n g t h o f w i r e b o n d in g .t h e c a u s e o f c h ang e s i s a n a l y z e d i n t h e p a p e r . c o m p a r e d w it h t h e s i l i c o n g e l t h e p r o t e c t i o n p e r f o r m a n c e o f p a ry l e n e i s e x c e l l e n t u n d e r h a s h e n v i r o n me n t s . i t i s i m p o r t a n t t o c h o o s e t h e g e l and t o d e s i g n t h e t h i c k n e s s o f s i l i c o n g e l i n t h e p a c k a g e o f a i r p r e s s u r e t r a n s d u c e r s . t h e p a p e r i n v e s t i g a t e s t h e e ff e c t o f t h e t h e rm a l s t r e s s w h i c h is c a u s e d b y t h e d i ff e r e n c e o f c o e f f i c i e n t s o f t h e r m a l e x p an s io n ( c t e ) a m o n g t h e m a t e ri a l o n t h e p e r f o r m a n c e o f p r e s s u r e t r a n s d u c e r s . t h e v o n m i s e s s t r e s s i s d e f in e d a s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n . t h e r e l a t i o n o f t h e t h i c k n e s s o f s i l i c o n g e l and t h e v o n mi s e s s t r e s s o f t h e me mb r ane i s d i s c u s s e d . f u rt h e r m o re , w e t a k e in t o a c c o u n t v a r i o u s p a r a m e t e r s o f b o n d w i r e s u c h a s t h e d i a m e t e r and h e i g h t o f b o n d - w i r e , t h e s p a n o f t h e s q u a s h e d b o n d p a d .t h e s im u l a t i o n re s u lt s s h o w t h a t s e n s o r s re l i a b i l i t y i s h ig h e n o u g h w h e n s u it a b le p a r a m e t e r s o f b o n d wi r e a r e s e l e c t e d . k e y wo r d s : p r e s s u r e s e n s o r , s y s t e m - i n - p a c k a g e ; p l a s t i c p a c k a g e ; p a r y l e n e ; m e ms ; 1 1 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已 经发 表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得 南昌大李 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ， :称恩 凡 签 字 日 期 : z o a 7 年 月2 - 日 学位论文版权使用授权书 本学 位论 文 作者完 全了 解南昌大李 有关 保留、 使用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授 权南昌大学可以 将学 位论文的 全部 或部分内 容 编入有关数据库 进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 ( 手写) :i l l 忽 导师签名 ( 手写) : 签 字 日 期 : -0 . 年 月 y日 签字日期:， 刃年月z日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第 1 章 引 言 第1 章引言 1 . 1 微机电系统 ( me ms ) 1 . 1 . 1 微机电系统 ( me ms )的定义、发展过程和基本特征 微机电 系统 ( me m s : m i c r o e l e c t r i c - m e c h a n i c a l s y s t e m s ) 一词第一次正 式 出 现在 1 9 8 9年美国 国 家自 然科 学基金会 ( n s f ) 主办的 微机 械加工技术讨论会的 总结报告“ m i c r o e l e c t r o n t e c h n o l o g y a p p l i e d t o e l e c tr i c a l m e c h a n i c a l s y s t e m ”中， 本次会议中微机械加工技术( m i c r o m a c h i n g t e c h n o l o g y ) 被n s f和美国国防部先 进 技 术 署 ( d a r p a ) 确 定 为 美 国 急 需 发 展 的 新 技 术 n ， 从 此， 作 为m ic r o e le c tr o m e c h a n i c a l s y s t e m缩写词的me ms 被广为流传。目 前， me m s 即微机电系统尚 无统一的定义，但一般认为它是指在微米量级内设计、融合了硅微加工和精密 机械加工等多种微加工技术制造、集成了多种元件，并适于低成本大批量生产 的系统。me ms 通常由传感器、信息单元、执行器和通讯喂 口单元等组成.各 类传感器从需要观测和控制的对象中获取光、电、声压力、温度等信息，转换 成电 信号并按照要求进行处理， 提取信息， 通过执行器对目 标实施控制和显示2 1 me ms的出现是社会需求和科技创新共同作用的结果，1 9 5 9 年诺贝尔物理 奖 获得 者f e y m n a n( 费曼) 教授在 美国的 物理学 年会上发表了 著 名的“ t h e re i s p l e n ty o f r o o m a t t h e b o tt o m ” 的 演 讲， 提出 了 微 型 机 械的 设 想; 1 9 8 3 年f e y m n a n 教 授在喷气推进实 验室 做了 题为“ i n fi n i t e s i m a l m a c h i n e ry ” 的 报告， 在报告中 他 提出了多种新的技术，比如用牺牲层方法制造硅微马达、静电致动的应用，并 指出 了 微 机 械中 摩 擦 和 接 触 粘 附 的 重 要 性 等 3 1 4 1 1 9 8 8 年， b e r k e le y 制 造了 头 发 直径大小 ( 1 0 0 u m量 级) 的 静电 驱动马 达， 标志 着 微机 械时 代的 开 始5 1 me ms具有集成电路系统的许多优点，同时又集约了多种学科发展的尖端 成 果。 m e m s 具 有以 下 特点 6 1 . 1 ) 硅为主要材料， 机械电 气性能优良 : 硅材料的强度、 硬度和杨氏 模量与 铁相当，密度类似铝，热传导率接近铝和钨; 2 )微型化: m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、 惯性小、 谐振频率高、 响应时间短: 3 )可批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微 第 i 章引 言 机械部件或完整的me m s ， 批量生产可以大大降低生产成本: 4 ) 集成化: 可以 把不同 功能、 不同敏感方向 和执行方向的多个传感器或 执 行器集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把多种器件集 成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器、 微执行器和集成电路 ( i c ) 集 成在一起可以 制 造出 高可靠性和高稳定性的m e m s ; 5 )多学科交叉:me ms 的制造涉及电子、机械、材料、信息与自 动控制、 物理、化学和生物等多种学科，同时m e m s 也为上述学科的进一步研究和发展 提供了有力的工具。 目 前， m e m s 已 逐步开始从实验室研究走向市场。 应用的m e ms 器件主要 集中在压力传感器、 惯性传感器、硬盘头和喷墨打印机头等，这些产品的出 现， 不仅开拓了极为广泛的应用领域，并且具有十分强大的市场竞争力。如微机电 系统在汽车、生物、医疗、交通运输、工业自 动化、智能机器人、环境监控、 各种消费产品以及航空航天和军事系统等领域的应用日 益普遍。 1 . 1 . 2 me ms 制造技术与i c制造技术的主要差别 me ms制造技术是在集成电路 ( i c ) 制造技术的基础上发展起来的， 它沿 用了许多i c制造工艺。但同时，还发展了许多新的微机械加工工艺，如体微机 械加工工艺、表面微机械加工工艺、l i g a工艺、准l i g a工艺和微机械组装技 术等 7 .9 。 从器件种类上看， m e m s 器件与i c器件相比 种类繁多， 有光学m e m s , 射频m e m s ( r f me m s ) ， 生物me m s 等， 不同的m e m s 其结构和功能差异很 大，应用环境也大不相同。归纳起来， me m s 与i c之间的主要差别是: 1 ) i c 本质上是 平面器件， 典型的m e m s 不是; 2 ) i c 依赖于隐 埋于i c 表面之下的效应， 而m e m s 通常是表面效应器 件; 3 ) i c 无活动的 零部件， 而典型的m e m s 是活动器件; 4 ) i c的 制 作 工 艺方式 使得它 在以 大圆 片形 式 流入 小心控制的i c标准生 产 线之前对环境相对地不敏感， 而大圆片形式的me ms 到它封装好之前对环境都 非常敏感。 这就使得m e m s 制造的每道后工序一划片、 贴片、引线制作、 封装 密封等都与i c不同且花费非常昂贵; 5 ) i c器件主要是电 信号， 而m e ms 器件有机械、 光、电 等多 种信号; 6 ) i c主要是表面加工工艺， 而m e m s 有多种加工工艺; 乃 i c主要是半导体材料， 而m e m s 有多 种加工材料。 第 1 章引 言 由 于m e m s 技术与i c技术相比 在材料、 结构、 工艺、 功能和信号接口 等方 面存在诸多差别， 难以简单的将i c技术移植到m e ms 技术中， 这就使得me ms 器件在设计、 材料、加工、系统集成、封装和测试等各方面都面临着许多新的 问 题， 其中 封装是制约m e m s 走向 产业化的一个重要原因 之一p a i q 1 .2 me ms 封装技术 1 . 2 . 1 me m s 封装的功能、特点 封装的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最低的价格和尽可能简单的结 构服务于具有特定功能的一组元器件。 m e m s 产品的封装与微电子的封装一样， 主要是为了确保系统在相应的环境中更好的发挥功能，归纳起来，me ms封装 的 主 要 功 能 包 括 【12 1 . 1 . 机械支 撑: m e ms 器件是一种易 损器件，因此需要机械支撑来保护器件 在运输、存储和工作时，避免热和机械冲击、振动、高的加速度、灰尘和其它 物理损坏。另外对于某些特殊功能的器件需要有定位用的机械支撑点，如加速 度传感器等。 2 . 环境隔离:环境隔离有两种功能， 一种是仅仅用作机械隔离，即 封装外 壳仅仅起到保护m e ms 器件不受到机械损坏。另一种是气密和非气密保护，对 可靠性要求十分严格的应用领域必须采用气密性保护封装，防止me ms 器件在 环境中受到化学腐蚀和物理损坏。同时在制造和密封时要防止湿气可能被引进 到封装腔内。 对工作环境要求不是太高的的应用领域或者m e ms 器件具有足够 的可靠性可采用非气密封装。 3 . 提供与外界系统和媒质的接口: 由于封装外壳是me ms 器件及系统与外 界的主要接口，外壳必须能完成电源、电 信号或射频信号与外界的电连接，同 时大部分的me m s 封装还要求提供与外界环境的导通，让外界环境信号可以通 过这个接口感知到外界环境的变化。 4 . 提供热的传输通道:对带有功率放大器、其它大信号电路和高集成度封 装的m e m s 器件， 在封装设计时热的 释放是一个应该认真对待的问 题。 封装外 壳必须提供热量传递的通道。 5 . 降低应力. 在m e m s 器件中， 用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零 件或部件， 如悬臂梁、 微镜、 深槽、 扇片等， 精度高， 但十分脆弱， 因此m e m s 第1 章引 言 封装应产生对器件最小的应力. 与标准的微电子 封装工艺相比， m e ms 封装具有如下特点: 1 ) 微电子封装一直追随 i c芯片的发展而发展，从而形成了与各个不同时 期相互对应的有代表性的标准封装类型。而m e ms 因为应用领域十分宽广，涉 及多学科技术领域，往往是根据所需功能制作出各种me m s 后，再考虑时宜的 封装问 题，故me m s 封装难以 形成规范、标准的封装类型。因此，从某种意义 上说， m e m s 封装在很多情况下是专用封装。 2 ) 微电 子封装具有标准的封装工艺，因此也就有一些共同的失效模式， m e ms器件根据不同的产品有不同的封装形式，这些不同的器件产品在不同的 使用环境下会出 现不同的失效模式，因此m e m s 的器件的失效模式有其很强的 独特型。 3 )鉴于me ms 封装自 身的特殊性和复杂性，其封装占me ms 的成本可从 5 0 %直到50%，而微电子封装中的封装成本比重相对要低一些。 1 . 2 . 2 me ms 封装的基本形式 me ms 封装的分类方式有两种， 一种是按封装材料分类， 可分为金属封装， 陶瓷封装和塑料封装三类。另一种是按密封特性分类，可分为气密封装和非气 密封装，所谓气密封装是指选用的封装材料不仅能对器件进行隔离保护，而且 能阻止气体和水汽进入封装腔体:所谓非气密封装是指保护材料是漏气的。通 常金属封装和陶瓷封装为气密封装，而塑料封装为非气密封装。 m e m s 封装技术主要来源于i c封装技术， 随着i c 封装技术的 进步而发展， 因此， i c封装技术的发展历程和水平代表了整个封装技术 ( 包括me ms 封装和 光电子器件封装)的发展历程及水平。目前在me ms 封装中比较常用的封装形 式 有无引 线陶瓷 芯片 载体 封装 ( l c c c - l e a d le s s c e r a m i c c h ip c a r ri e r ) 、 金 属封 装、 金属陶瓷封装等， 在 i c封装中倍受青睐的球栅阵列封装 ( b g a - b a l l g r i d a r r a y) 、 倒 装芯 片 技 术 ( f c t - f l ip c h i p t e c h n o lo g y ) 、 芯 片 尺 寸 封 装( c s p - c h i p s iz e p a c k a g e ) 和多 芯 片 模 块 封 装( m c m - m u lt i - c h i p m o d u le ) 13 1 己 经 逐 渐成为me ms 封装中的主流. 倒装焊封装是芯片与基板直接安装互连的一种方法，与引线键合 ( w i r e b o n d in g ) 、 载带自 动 焊 ( t a b ) 技 术相比， 倒装 焊技术中 芯 片是 芯片 面朝 下， 芯 片上的焊区直接与基板上的焊区互连，因此互连线非常短，互连产生的杂散电 第 i 章引 言 统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求2 0 0 3 年后所有的新 车都需要把这种配置作为标准配置。从以 上的分析可以 看到:无论是顺应国际 封装趋势还是有利于我国的汽车产业融入国际 化， 对m e m s 压力传感器的s i p 封装技术研究都具有重要的意义。 1 . 3 . 2 研究内容和论文安排 本文以me m s 压力传感器和a s i c芯片的系统级封装为主题展开研究，首 先综述了me ms 和me ms 封装技术的特点及m e ms 封装面临的挑战;然后介 绍了me ms 压力传感器的工作原理及结构与工艺， 并用有限元方法对me ms 压 力传感器的灵敏度进行了分析。接着研究了封装材料的选择和封装的结构设计， 其中包括引线框架的设计和封装形式的选择和设计;最后从理论、有限元方法 及实验方法对me ms 压力传感器芯片的玻璃基底设计、 me ms 压力传感器芯片 的保护、me ms芯片的贴片及引线的键合等一些关键的封装工艺技术进行了分 析和研究。 各章节的具体内容如下: 第一章，绪论。综述了me ms技术的定义、发展过程、基本特征及其封装 技术功能特点，讨论了me ms 封装技术比 所面临的各种挑战。 第二章，me m s压力传感器的设计。简单描述了压阻效应以及基于此效应 的压力传感器的输出和灵敏度的计算方法，对方形和矩形薄膜的受力根据小挠 度和大挠度等情况进行了分析。列举了传统的硅杯式和硅盒式压力传感器的不 同结构以及工艺流程。 最后， 运用有限元分析方法通过a n s y s 工程软件对传感 器的最大灵敏度进行了估算。 第三章，封装材料的选择。本章介绍了塑封料的组成和功能以及不同的组 分在封装中的作用与影响，接着简单地叙述了塑封料的性能指标，利用供应商 提供的塑封料的性能参数与实验相结合的办法对比分析了几种不同型号的塑封 料，完成了塑封料的选型工作。 第四章，系统级封装设计。本章介绍了系统级封装的结构设计，包括引线 框架的设计和封装形式的结构设计，在引线框架的设计上主要介绍了引线框架 的布线， 通过布线的设计实现a s i c芯片与m e ms 芯片的系统级互连;在封装 形式的结构设计上综合me ms 压力传感器芯片的特点和消费类电子市场价格较 低的特点，在封装外形上选用了成本相对较低的表面贴装小外形封装形式 ( s o p 1 4 ) ，并基于压力传感器的特点对封装结构进行了改进。 第 i 章引 言 第五章 ， 封装工艺技术 研究。 本章对m e m s 压力 传感器的系 统级封装的工艺 技术进行了研究， 其中包括me ms压力传感器玻璃基底的设计、 me ms 压力芯 片的保护设计、贴片胶的工艺技术及引线键合强度的影响因素，这一部分中通 过实验与数值模拟相结合的方法，利用数值模拟的方便、快捷预测结果，指导 研究的方向，并用实验的方法验证数值模拟的结果。 第六章，对全文的研究成果进行了总结，对今后的工作进行了展望。 第2章me ms 压力传感器的设计 第2章me ms压力传感器的设计 2 . 1 压力传感器的工作原理 自从人们发现了半导体硅的压阻效应以来，压阻型压力传感器得到了迅速 的发展和推广，品种在不断地增多，应用领域也在不断地拓宽。基于半导体硅 材料的 压阻型 压力 传感器总的 可以 分为两类: 硅应变片型和 扩散硅型。 扩散 硅 型 压力传感器 是本文 研究的 重点。 扩散硅型压力 传感器的主要 材料是 单晶硅 和 多晶硅。 2 . 1 . 1 硅的压阻效应 压阻效应是 指材料在受到应力的 作用时， 其电 阻或电 阻 率发生变化的现象。 人们早在上世纪3 0 年代因观察到流体静压力对金属多晶的电阻有影响而发现了 压阻 效应. 半导体的 压阻效应是指对半导体施加 外力时，除产 生变形 外，同时 也改变了 其载 流子的 运动状态，导 致了 材料的电 阻率 ( 或电导 率) 发生了变化。 5 0 年代发现 硅和锗等半导体的压阻 效应比 金属更为显著。 在文献 2 】 中给出了 应变材料的 应变与电阻 变化之间 的关系: 丝二 ( 1 十 2 u + 二 、 : = g 。 r ( 2 . 1 ) ( 2 . 1 ) 式中 二为 材料的压阻系 数， e 为材料的杨氏 模量， 为材料的应变 率，v为材料的 泊松比 。由 此可以 看出 ，半导体的阻值的变 化是由 几何尺寸的 改 变和载流子 运动状态的改变这两 者的共同 作用的. 由 于半导体的 载流子运动状态的改变所引 起的电阻值的变 化要远 远大于其 本身的 几何尺寸变 化所引起的电阻 值的 变化， 数值上大约要高出 2个数量级左 右。 所以在 式 ( 2 . 1 ) 中g值主要由 : e 决定。 究其原因， 是因 为半导体材料在 单向 应力作用下， 除纵向 伸长或缩短外， 横向还 要变窄或增宽，因而使晶体的 对称性发生变化， 其能带结 构发生变化，电 子在能 谷间发生转 移， 使半导体材 料的电 阻率发生变化” 7 1 。对于单晶 硅等半导体来说， 在单向 应力作用下，能带 变化特别显著，引 起沿晶体某一方向 特别强烈的压阻效应。 在正交坐标系中，当坐标轴与晶轴一致时，我们可以忽略电阻的几何尺寸 第2章me ms压力传感器的设计 的变化对电阻 变化的 影响， 那么，半导体 硅的电阻的 相对变化 r / r与应力之 间 的 关 系 满 足 p a -叹 誓 。 十 : : 一 _)t 442 二 一 、 ( 2 .2 ) 式 中 )r , 为 纵 向 压 阻 系 数 ， 表 示 应 力 作 用 方 向 与 通 过 压 阻 元 件的 电 流 方 向 一 致 ， a , 为纵向 应力;二 。 为横向 压阻系数， 表明 应力作 用方向 与通过压阻 元件的电流 方 向垂直，o f 为 横向 应力，二 4 4 为剪切压 阻系数。 压阻 系数是与 温度和离子 注入 浓度有关的， 如果 注入浓度小于1 0 1 9 c m 3 , 那 么 注入 浓度的 大小对压阻系数的影响不大，而高浓度注 入时， 压阻系数 将随 浓 度增加而明 显的减小。压阻系数还随温度的升高而减小， 但是 这种关 系是 非线 性的. t u ft e 和s t e l z e r 认为压阻系数与 温度t 的关系 为1 2 0 1 . ;c ,4 = (1 1 8 .9 3 一 0 .3 2 1 - t + 0 .0 0 0 9 7 - t z ) x 1 0 - 2 c m 2 / d y n ( 2 .3 ) 由 于在高浓度注 入情况 下，压阻系数 跟温度的 相关 性比 较小， 所以 对于应 用于汽车行业的大温区应用的压力传感器来说，就需要使用高浓度注入的压敏 电阻，通过牺牲一定的灵敏度来换取较小的温度系数，这样有利于后面的信号 调理。 表2 . 1 中 给出了f 型 硅和n 型硅在室 温下的压阻系数。 表2 . 1 室 温下 基本纵向、 横向、剪 切压阻系数 ( x 1 0 - u p a l 2 材料p ( 6 2 - c m) i n 7 9 1 2 7 4 4 n - s i 1 1 . 7 - 1 0 2 . 2 5 3 . 4一 】 3 .6 p - s i 7 名6 .6 - 1 . 1 1 3 8 . 1 2 . 1 .2 压力 传感器 的输出 计算 扩散硅型 压力 传感器的 压敏电阻是直 接制备在承压膜上的。当 外界的均布 载荷 ( 通过流 体施加) 作用在膜上时， 就会引起膜的 变形并使其上面的压敏电 阻受到应力的 影响， 从而导 致了半导 体的电 阻发生变化，通过测量电 阻的变化 量，就可以得 到待测流体的 压力数 值。 传统的压力传感器芯片大多是利用单晶 硅的体加工工 艺湿法刻蚀出 来的。 单晶 硅的各向 异性特性决定了传感器芯片的 膜是长方形或 者正方形. 所以， 下面的 研究都是以 方形膜或矩形膜的压力传感 器为对象进行的。 第2 章 m e m s 压力传感器的设计 箭 r 2乙 r 3 压力传启.版圈 1 1 1 1 1 1 1 ， ，斯通电拼 图2 . 1 .压力传感器的工作原理示意图 一般的压力仪表的信号检测用的是惠斯通电 桥结构的电路。惠斯通电桥有 单臂、半桥、全桥之分。为了提高满量程输出、减小零点的温漂和提高线形度， 我们采用了灵敏度最高的惠斯通全桥电路。 图2 . 1 是压力传感器的工作原理示意 图。 如图2 . 1 所示，在理想情况下，没有施加压力的时候，由于r 1 , r 2 , r 3 , r 4制作工艺相同，四个电阻条的阻值是相同的， 温度对他们的影响是一样的， 我们设为r ，此时惠斯通电桥的输出为零。 当有外界均布的压力 p作用于膜片上面时， 膜片发生了变形，每个电阻都 变化了 r ，只是r 1 和r 3 减小， r 2 和r 4 增大。 设电阻 变成了r ; ，记为 尺 = 尺+ ( - 1 ) a r ( i = 1 , 2 , 3 , 4 ) ( 2 .4 ) 此时的惠斯通电 桥平衡状态被破坏，传感器的输出就不是零了，设此时的 输出为v o , 为b , d两点的电 位差 v o ,. = 凡一 几( 2 .5 ) 其中: v e r, =v. x = r , + r 2 v ;. x r z + 从 r , 一 从 + r 2 + a r = v i , x r 2 + 从 r , + r z ( 2 . 6 ) 第2 章me ms 压力传感器的设计 v d r, =v ; x = r , + r , v i , x r , + 尺 r ， 一 o r + r a + a r = v . x r , + a r r , + r 4 ( 2 . 7 ) 由 于在未加压的 理想状态下， 桥臂电阻 均为r , v m = 0 ; 施加压力p 后，电 桥的输出变化为: ， r +4r r一 r 、. ，4r d v w , = v o lt = ys - v d = v i. x 一 下 下 ， 一 一 二 下 ， 一 j = v i. x 不es 一 ( 2 . 8 ) 石 . 、石 1 、盆 、 联合 ( 2 .2 )式得 a v .= v =妈氏十凡a , ( 2 . 9 ) 由 式 ( 2 .9 ) 可以 得到压力传感器的 灵敏度: a v . s = 玉 ap r 1 二 二x p 汀 材了 _、 !口 ，一 u 口， 2 ( 2 . 1 0 ) 4 pxr 从 ( 2 . 1 0 ) 式可以 看到， 在单位压力作用下， 压力传感器的输出变化是由电 阻的正交应力情况决定的.因此，为了更好的了解传感器的工作原理，我们必 须对传感器方形或矩形膜片的受力情况进行研究。 2 . 1 . 3 压力 传感器受力分析 薄膜变形理论是分析压阻 压力传感器的 理论基础， 下面主要根据参考文献2 1 1 介绍一下方膜和矩形膜的变形理论。 其中，包括小挠度理论和大挠度理论。 小挠度理论:这里采用t i m o s h e n k 。 的薄板弯曲理论研究方膜在小挠度时的 应力分布状况， 此时 假定方膜的中面没有发生变形。 根据t i m o s h e n k o的理论， 总挠度w由三个分量wi , w 2和w3组成。其中wl为相同均布载荷下周边 简支矩形膜的 挠度， w 2和 w 3是引 入夹支边界条件后沿矩形膜边沿分布的弯 矩使薄膜产生的挠度。 设矩形膜的边长为a 和b ( a = b 可以得到方膜的分析结果) ， 厚度为h ，刚度为d ，在均匀载荷 p的作用下推导出wi , w2 和 w3 分别为: _ ， 4 p a r. 尸 ， = 一夕 . 万 u 0 = 7 几 ( - 1 产 - 0 m ra ( . 一 一- - c o s - 一 爪a v a 竺 n h a + 2 c o s h m iry - + 2 c o s h a a 2 c o s h a 竺 卫s in h 竺 型 a a w , 二寿 _ z., l 路 尹.二 l 7 . 卜 一a = ，(- 1 丫 一 加m m ( m m y . ， c , -i 一 一 -c o s -1 =s tun m c o r n。 一a a m n y 一 a _ ta n h a c o s h m ny )a(， ， ， 第2章me ms 压力传感器的设计 _ 一 ， ，z- _ - 11. - q /z m n y ( m 二二， 二 。. . 。 . m a x ) ， ， : 、 i 二- l, r .se; - - 下 es 不 厂 c o s h -s ire n一p . t a n n p c o s n- 1 . -1. t - u 4%s功 c o s h p a a a a 二 一m劝_m r a一 . _， _， ，_._ * _ 二 *一 二 *， 、. 式中a .几 二 里 竺 竺; 系数e m 和f m 的 值可由 下列两个 包含无穷多个线性 一2 a . b一一 - 一-一 一 方程的方程组求得。 4 g a z ( a ,、.e , ( .a 、s ia带 f _ 1 ( 2 . 1 4 ) 气 万 不 丁 l es丁 万 一 一 ! 一u u m a ; _= ra n n a ; 十一 一 -i 十一 丁乙一常 艺 ， 二 一 一 - 竺 一 丁 于 n i 、c o s 盯 a, 1 l c os h- a , l av - - 7 7, . . m -了-_、 - i /十-z i k a m ) 4 g b 2 戏 、 _ _ 。 _ f , ( _ _ 。 p 、 . s ib - 下，了 les eses尸 共 es 竺厂 .一. 4 1 w p .一i ul / j. t 1十 - n i 又 c o s h 戊)“i 戈” c o s h 戏少 n o y- e . 1 m3m 了 n 2 i 2 、 2 .母二 i 2十丁 万 i o m ( 2. 1 5) 式中i =1 . 3 . 5 .，薄膜的总挠度为 w= 不+ 巩 + 嗽( 2 . 1 6 ) 小挠度时，可忽略薄膜力，即不考虑薄膜中面的变形，只考虑垂直于中面的载 荷引起的薄膜弯曲变形，由此得出方膜在小挠度下的应变分布为 a 2 w + y = - z 1 . 1 . vav ( 2 . 1 7) 彻砂 a 2 w e . = - z 蕊 2 ; s r = 一 万 大挠度理论: 如果薄膜的最 大挠度较之于膜厚不再为小量，分析问题时就 必须把方 膜的中面 变形考虑进去。 这里 采用f 6 p p l 提出的一种 简单 方法来求解夹 支方膜的大挠度问 题， 也就是将 具有夹支边界 条件的小挠度理论和具有简支边 界条件的薄膜理论 ( 用于求解大 挠度问 题) 所给出的己 知解组合起来。假设载 荷p 可以 分解成两部分p i 和p 2 ， 其中p i 由 用小挠度理论所计 算得到的 弯曲 应力 和剪应力 去平衡， p 2 由 薄膜应力去平衡。 对于边长为a的单晶 硅方膜， 用小挠 度理论和薄膜理论分别求得: p, = 71.3 罕 : = 3 1.1粤 ( 2 . 1 8 ) ( 2 . 1 9 ) 式中e 为 硅薄膜的杨氏 模量; h 为膜厚 度， w o 为 最大挠度。 总载荷 p 为: 第2 章 m e m s 压 力传感器的设计 ， 一 w o e h3 7 1.3 + 3 1a4 ( 一 h 2w 21 _p a 4e h 4 一 713臀 311臀 )371.3 h 0 + 31.11 ( h0 ( 2 . 2 0) 将上式变形后得到: ( 2 . 21 ) 对小信号 ( 即w o h / 2 ) 情况， 方程的 第一项即 线性部分能近似的 表示薄膜 的 变形， 方程中的立 方项代表较大的变 形。 设膜片边长为1 0 0 0 n m , 厚 度为2 0 12 m , 硅材料的杨氏模量 e =1 9 0 g p a时，根据 ( 2 . 2 1 )式可求出压力载荷 p与膜片最 大变形量w o 之间的 关系。图2 .2 中给出了 用小变形理论 和大 变形 理论计 算出 的 相对载荷与薄膜变形量之间的关系曲线。图中的水平轴为相对载荷，当压力为 l 0 0 p s i 时， 其相对载荷为2 2 ， 对应薄膜 变形量为3 0 . 8 % ，此时大变形 理论与小 变形理论误差约为 0 .2 5 %。图中曲线说明，当薄膜变形量小于薄膜厚度的 3 0 % 时，小变形理论结果与大变形理论结果的基本一致。因此，在设计压力芯片时， 应根据所测压力载荷确定其薄膜厚度，通常将其最大变形量设计在膜片厚度的 三分之一以内，这样可确保在测量量程范围内，芯片工作在线性范围内。 尸产论 /产理 。.、分何 形/ 变/ 毛 3 0 . 8 p =i o o p s i a =1 0 0 0 u m 豢 lh =2 0 u mcd( ”0 . 4 味翎 月卢 2 0 4 0 6 0 相对载荷，p a 0 / e h 4 8 0 1 0 0 图2 . 2 相对载荷与膜片变形之间的关系 2 .2 压力 传感器芯片的结构和工艺 从小型化 和易于 批量生 产上看，方形 膜和矩形膜优于圆形膜。结 合单晶 硅 压力传感器的制作工艺，由于传感器芯片的硅杯是通过在芯片背面进行各向异 第2 章me ms 压力传感器的设计 性腐蚀而制作的。因此，本论文中 所用的传感器均采用的方膜芯片。 2 . 2 . 1 传感器的版圈 在扩散硅压力芯片设计中，一般将压敏电阻构成惠斯通电桥。四个桥臂电 阻应尽可能满足以下四个条件: ( a ) 等平均应力 ( 绝对值) 并最大限 度利用应力; ( b ) 等压阻系数。利用纵向效应时，纵向 压阻系数大， 纵向应力大。因为 横向压阻系数的符号相反，抵消纵向效应，要求此时横向压阻系数小，横向应 力小。反之亦然: ( c ) 等电阻值， 要求电阻有相同的几何形状与尺寸，同时扩散掺杂尽量接近; ( e )等温度系数和等灵敏度系数，要求掺杂相同，电阻位置尽量接近。 综合考虑到上面的因素以及实际的工艺情况，我们分别列举出了方膜和长 膜压力传感器在 ( 0 0 1 )晶面上的几种版图，如图2 . 3 和图2 . 4 所示。 在图2 .3中，图 ( a )常用在硅杯结构的压阻压力芯片中，图 ( b )和 ( c ) 常用在平膜结构的压阻压力芯片中。 斗 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 . 3 方膜电阻的 几种布置方案【 ( 0 0 1 )晶面上的压阻布置 矩形膜的压力传感器的电阻在 ( 0 0 1 )晶面的布置如图2 .4 所示。 r , 一rz 一r 1101 、 凡! r。 r1 吸l 1 1 0仪，1 0 1lo场 长膜电阻的几种布置方案【 ( 0 0 1 )晶面上的压阻布置 第 3 章封装材料的选择 第3章封装材料的选择 3 . 1 塑封料的 组成及功能 塑封器件的包封材料必须具有合适的机械强度、对塑封部件的附着力、可 制造性和抗 环境化 学腐蚀， 能与它交界的材料的 热膨胀系数相匹配，在使用的 温度范围内 具有较高的 抗热和抗潮性， 塑封料是树脂及各种添加剂混合在一起 的多 元包封树脂， 主要的 活性及惰性成分包括固 化剂、 催化剂、惰性填充剂、 祸 合 剂 、 阻 燃 剂 、 消 除 应 力 添 加 剂、 着 色 剂 及 脱 模 剂 2 s-28 1( 图 3 .1 ) 0 图3 . 1塑封料的组成图3 . 2塑封结构图 图3 . 2 是塑封的结 构图， 从图 上我们可以 看到塑封 料的 功能主要是 保护电 气 元件等不受外界环境 ( 湿气、温度、污染等)的影响，保护芯片不受机械冲击， 形成电气绝缘和机械支撑等。 3 . 1 . 1 树