CN103616124A

CN103616124A - 一种mems芯片微腔内部残余压力测量系统及方法

Info

Publication number: CN103616124A
Application number: CN201310631974.5A
Authority: CN
Inventors: 江俊峰; 刘铁根; 尹金德; 刘琨; 王双; 邹盛亮; 秦尊琪; 吴振海
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103616124B

Abstract

本发明公开了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，包括以下步骤：通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置，此时对应的外界压力即为待测的残余压力。与现有技术相比，本发明是一种非破坏性的测量方法；对同一待测MEMS芯片的两个不同测量位置进行腔长测量，两位置的腔长测量数据互为参考；两位置处腔长测量时始终处于相同的外部压力条件下，保证作为参考信号的可靠性与同步性。

Description

一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法

技术领域

本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种具有微腔的MEMS芯片的残余压力测量系统及测量方法。

背景技术

MEMS芯片具有尺寸小、精度高、可批量制作等优点而受到了国内外越来越多的科研人员的关注。常见的MEMS芯片有MEMS压力传感器芯片，MEMS硅谐振传感器芯片，MEMS陀螺传感器芯片，这些传感器芯片均存在微腔结构，通常需要在高真空环境中制作才能保证其高性能。然而，在制作过程中产生气体和传感器芯片本身的气密性泄露都会导致其真空度降低，在其内部产生残余压力。这些残余压力将会改变传感器的温度特性和长期稳定性，从而降低传感器芯片的性能。

到目前为止，针对微腔内部残余压力，国内外科研人员提出了一些测量方法。如1993年，Michael A.Huff等(M.A.Huff,A.D.Nikolich and M.A.Schmidt,"Design ofsealed cavity microstructures formed by silicon wafer bonding."J.Microelectromech.Syst.2,74(1993).)提出利用边缘受限弹性膜片形变理论与理想气体状态方程来计算法珀腔内的残余压力，但是这种方法的计算精度非常容易受一些参数的测量误差的影响，比如微腔直径，弹性膜片厚度，测量点相对于中心位置的偏差以及各向异性材料的杨氏弹性模量。在1998年，H.Kapels等(H.Kapels,T.Scheiter,C.Hierold,R.Aigner and J.Binder,"Cavity pressure determination and leakage testing for sealedsurface micromachined membranes:a novel on-wafer test method."Proc.Eleventh Annu.Int.Workshop Micro Electro Mechanical Syst.550(1998).)将完整微腔芯片和钻孔破坏后的微腔芯片进行实验，测量它们的谐振频率随外部扫描压力的变化量，其中，将破坏后的微腔实验结果作为参考，得到两组测量结果的交点，此时对应的外部扫描压力即为待测微腔内部压力值。在2001年，A.V.Chavan等(A.V.Chavan and K.D.Wise."Batch-processed vacuum-sealed capacitive pressure sensors."J.Microelectromech.Syst.10,580(2001).)采用上述类似的方法，通过测量电容实现对MEMS电容压力传感器芯片内部残余压力的测量。在2005年，S.H.Choa等(S.H.Choa,"Reliability ofMEMS packaging:vacuum maintenance and packaging induced stress."Microsys.Technol.11,1187(2005).)通过外部扫描压力与MEMS陀螺仪Q值的关系实现其内部残余压力的测量。但是，上述方法均需要一个额外的参考，这个参考需要在微腔上钻孔以保证微腔内外压力平衡，或者需要破坏微腔释放内部气体，因而均属于破坏性测量，导致传感器芯片不能再使用。该种方法多为用于对一批传感器芯片进行抽样检测来对评估整体传感器芯片的性能，可靠性较低。而在2005年，D.Veyrié等(D.Veyrié,D.Lellouchi,J.L.Roux,F.Pressecq,A.Tetelin and C.Pellet,"FTIR spectroscopyfor the hermeticity assessment of micro-cavities."Microelectron.Reliab.45,1764(2005))采用探测微腔内部气体浓度的方法实现对硅基结构微腔内部残余压力的测量，但是该方法的的测量灵敏度强烈依赖于微腔尺寸大小和内部气体的吸收系数。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了针对以上不足，提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法，通过非破坏性的测量设计手段，达成可靠的MEMS芯片微腔内部残余压力测量目的。

本发明提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统，该系统包括低相干光源16、3dB耦合器17、光纤18、2×1光开关19、腔长解调仪20、数据采集卡21和计算机23、具有微腔28的待测MEMS芯片、空气压力舱22、压力控制系统，其中：

所述低相干光源16发出的光耦合到光纤18，经过一个3dB耦合器17后，入射到待测MEMS芯片；采用2×1光开关19将低相干光分别导入第一光纤15和第二光纤14，两光纤输入的反射光信号包含待测MEMS芯片第一测量位置和第二测量位置这两个位置处对应的腔长信息，并重新耦合回对应的光纤；反射光经过2×1光开关19和3dB耦合器17后，进入腔长解调仪20，腔长解调结果通过数据采集卡21输入到计算机23进行进一步数据处理；

所述微腔28置于空气压力舱22内，并将其密封；空气压力舱22通过压力控制系统控制其压力的变化，得到关于外界压力4的压力变化扫描结果；所述压力控制系统由压力控制仪24，真空泵25和空气压缩机26构成，各部件之间通过气管28联接；整个系统通过计算机23用于控制整个测量系统；外界压力4扫描的同时，对微腔28两个位置对应的腔长进行解调；解调结果是第一测量位置和第二测量位置的腔长测量数据；对两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置30，此时对应的外界压力4即为待测的残余压力5。

所述微腔（8）内部残余压力很低的情况下，分别将所述第一测量位置和第二测量位置的两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置30。

本发明还提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，该方法包括以下步骤：

通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力4得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置30，此时对应的外界压力4即为待测的残余压力5。

对于微腔8内部残余压力很低的情况下残余压力5处于外界压力4扫描范围。此时所测得的腔长结果不会存在交点位置。在这种情况下，分别将两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置30。

与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：

1、本发明提出的MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，对同一芯片的两个不同位置进行腔长测量，两位置的腔长测量数据互为参考。两位置处腔长测量过程中，始终处于相同的外部压力条件下，保证作为参考信号的可靠性与同步性。本方法可以采用三个或三个以上的位置进行测量，可以进一步提高测量可靠性和精度。

2、本发明提出的MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，由于具有自参考的特点，避免引入额外的参考源。而传统的测量方法中，需要在微腔上钻一个小孔作为参考。因而与传统测量方法相比，本发明是一种非破坏性的测量方法。

3、本发明提出的MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，由于非破坏性的特点，使得测量完之后的芯片能够再继续使用，从而可以对所有芯片进行全检。相比于传统测量方法中的破坏性抽样检测对整体进行评估相比，本发明具有更高的可靠性和芯片质量分级。

附图说明

图1是MEMS芯片微腔在高外界压力下的传感器剖面结构示意图；

图2是MEMS芯片微腔在内外压力平衡下的传感器剖面结构示意图；

图3是MEMS芯片微腔在低外界压力下的传感器剖面结构示意图；

图4是MEMS芯片微腔批量测试中的双光纤连接和固定方式。

图5是MEMS芯片微腔腔内残余压力测量装置与系统示意图；

图6是MEMS芯片微腔腔内残余压力测量过程与结果；

图中，1、基底，2、膜片，3、微腔，4、外界压力，5、残余压力，6、高外界压力状态，7、低外界压力状态，8、膜片内表面，9、半透半反射膜，10、反射参考光，11、反射传感光，12、第一测量位置，13、第二测量位置，14、第二光纤，15、第一光纤，16、低相干光源，17、3dB耦合器，18、光纤，19、2×1光开关，20、腔长解调仪。21、数据采集卡，22、空气压力舱，23、计算机，24、压力控制仪，25、真空泵，26、空气压缩机，27、气管，28、MEMS芯片微腔，29、测量数据交点区域，30、膜片平坦位置，31、微腔残余压力结果，32、内外压力平衡状态，33、V型槽，34、待测MEMS芯片微腔，35、测后MEMS芯片微腔，36、双光纤阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明的具体实施方式。

MEMS芯片中的微腔结构一般由敏感膜片和基底构成，膜片与基底之间的间隙构成微腔，其间隙大小称为腔长，而残余压力即被密封在这个微腔内。膜片的形变与由外部压力和内部残余压力构成的压力差成正比。在膜片产生形变时，沿着微腔半径方向各个位置处的腔长各不相同。而在膜片不发生形变时，沿着微腔半径方向各个位置处的腔长均相同，此时，微腔内部残余压力和外界压力处于平衡状态，数值相等。

因此，该方法将两根光纤分别放置在微腔中心和边缘位置处。利用低相干干涉的方法同时测量微腔两位置处随压力差变化的腔长变化。在外部压力扫描变化过程中，测量得到两组微腔腔长变化测量结果。对它们分别进行线性拟合，这两组腔长测量结构互为参考，通过两拟合曲线的交点确定传感器芯片的膜片处于平坦状态。此时，也表明微腔内部残余压力与外部压力相等。通过读取读取此时的外部压力，即实现微腔内部残余压力的测量。

实施例1：自参考非破坏性MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法

如图1所示，MEMS芯片微腔28中，基底1与膜片2之间构成一个微腔3，残余压力5密封在微腔3之中。第一光纤15与第二光纤14分别对应于第一测量位置12和第二测量位置13。对于每个测量位置处，光纤输出的光在半透半反射膜9上发生第一次反射，形成反射参考光10；其余的光能传播到膜片内表面8上发生第二次反射，形成反射传感光11。反射参考光10与反射传感光11形成干涉，干涉信号中包含光程差信息，该光程差是对应腔长的2倍。通过分别对两个位置的干涉光信号进行解调，即实现MEMS芯片微腔28的第一测量位置12和第二测量位置13对应腔长hFP1和hFP2的测量。

MEMS芯片微腔28中膜片2在外界压力4作用下将发生形变。如图1所示，当膜片2处于高外界压力状态6下，膜片2向腔内变形，此时hFP1<hFP2；当膜片2处于低外界压力状态7下，膜片2向腔外变形，此时hFP1>hFP2，如图3所示；而当膜片2的外界压力4与残余压力5处于平衡状态，膜片2处于内外压力平衡状态32，此时，hFP1=hFP2，如图2所示。而当膜片2处于内外压力平衡状态32时，残余压力5与外界压力4相等。

因此，通过控制外界压力4扫描变化，测量得到对应外界压力下的两位置处腔长结果。将两组腔长变化结果互相作为参考，确定出两组数据所构成的两条数据线的交点位置，即两个位置的腔长测量结果相等，此时表明膜片2处于无形变状态，即内外压力平衡状态32。此时，残余压力5与外界压力4数值相等，精确确定此时对应的外界压力4，即实现残余压力5测量。

实施例2：MEMS芯片微腔压力实验与腔长解调

MEMS芯片微腔腔内残余压力测量系统架构示意图如图5所示。MEMS芯片微腔置于空气压力舱22，并将其密封。空气压力舱22中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得外界压力4进行压力变化扫描。压力控制系统由压力控制仪24，真空泵25和空气压缩机26构成，各部件之间通过气管28联接。整个系统通过计算机23操作。压力实验过程中，压力控制仪24控制空气压力舱22内的压力从15kPa到40kPa范围内扫描，扫描间隔为0.6kPa。外界压力4扫描的同时，对MEMS芯片微腔两个位置对应的腔长进行解调。

腔长解调基于低相干干涉的原理，原理示意图如图5所示。低相干光源16发出的光耦合到光纤18，经过一个3dB耦合器17后，入射到待测芯片。采用2×1光开关19将低相干光分别导入第一光纤15和第二光纤14，两光纤输入的反射光信号包含待测芯片两个位置处对应的腔长信息，并重新耦合回对应的光纤。反射光经过2×1光开关19和3dB耦合器17后，进入腔长解调仪20，腔长解调结果通过数据采集卡21输入到计算机23进行进一步数据处理。腔长测量结果如图6所示，方格和圆圈分别表示第一测量位置和第二测量位置对应的腔长测量数据。对两组测量数据进行线性拟合，它们互相作为参考，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，该点表示两个位置所测得腔长相等，即膜片平坦位置30。此时对应的外界压力4与待测的残余压力5相等。

对于微腔内部残余压力很低的情况下，残余压力5处于外界压力4扫描范围。此时所测得的腔长结果不会存在交点位置。在这种情况下，分别将两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置30。采用这个方法，可以降低对压力控制系统压力扫描变化范围的要求，降低测试系统成本。

实施例3：MEMS芯片微腔批量测试中的双光纤连接和固定方式

传统的残余压力均采用破坏性的抽样测试方法，这种方法只能对一批芯片中随机抽取部分样品进行测试，并将根据这些样品的测试结果对整批芯片的性能进行评估。这种方法对于应用于高精度测量的MEMS芯片来说，可靠性不足。本发明采用非破坏性测量方式，对所有芯片进行测试，有效的保证测试结果的可靠性。测试过程中，将第一光纤15和第二光纤14端面切平，封装在V型槽33中。光纤端面与V型槽端面保持水平。制作过程在显微镜观察下进行，待光纤端面与V型槽的位置调整完成后，采用光学紫外胶固定，构成双光纤阵列36，如图4所示。取待测MEMS芯片微腔34放置在双光纤阵列36顶端，此时，第一光纤15与第二光纤14端面与待测MEMS芯片微腔34底部贴近，并在边缘处用光学紫外胶将其与双光纤阵列36固定。待完成测试后，将测后MEMS芯片微腔35从双光纤阵列36顶端取下，再固定新的待测芯片。这样可以实现整批芯片的测试。

Claims

1.一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通过气压控制系统气压变化，使加在处于密封状态的待测MEMS芯片的微腔上的外界压力（4）得到压力扫描曲线，对所述待测MEMS芯片的第一测量位置和第二测量位置这两个不同位置利用反射光进行腔长测量；所得到的腔长测量数据互为参考，对这两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置（30），此时对应的外界压力（4）即为待测的残余压力（5）。

2.如权利要求1所述的一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量方法，其特征在于，对于微腔（8）内部残余压力很低的情况下残余压力（5）处于外界压力（4）扫描范围；此时所测得的腔长结果不会存在交点位置。在这种情况下，分别将两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置（30）。

3.一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统，其特征在于，该系统包括低相干光源（16）、3dB耦合器（17）、光纤（18）、2×1光开关（19）、腔长解调仪（20）、数据采集卡（21）和计算机（23）、具有微腔（28）的待测MEMS芯片、空气压力舱（22）、压力控制系统，其中：

所述低相干光源（16）发出的光耦合到光纤（18），经过一个3dB耦合器（17）后，入射到待测MEMS芯片；采用2×1光开关（19）将低相干光分别导入第一光纤（15）和第二光纤（14），两光纤输入的反射光信号包含待测MEMS芯片第一测量位置和第二测量位置这两个位置处对应的腔长信息，并重新耦合回对应的光纤；反射光经过2×1光开关（19）和3dB耦合器（17）后，进入腔长解调仪（20），腔长解调结果通过数据采集卡（21）输入到计算机（23）进行进一步数据处理；

所述微腔（28）置于空气压力舱（22）内，并将其密封；空气压力舱（22）通过压力控制系统控制其压力的变化，得到关于外界压力（4）的压力变化扫描结果；所述压力控制系统由压力控制仪（24），真空泵（25）和空气压缩机（26）构成，各部件之间通过气管（28联接；整个系统通过计算机（23）用于控制整个测量系统；外界压力（4）扫描的同时，对微腔（28）两个位置对应的腔长进行解调；解调结果是第一测量位置和第二测量位置的腔长测量数据；对两组测量数据进行线性拟合，在测量数据交点区域看到两组数据的交点，即得到膜片平坦位置（30），此时对应的外界压力（4）即为待测的残余压力（5）。

4.如权利要求3所述的一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统，其特征在于，所述微腔（8）内部残余压力很低的情况下，分别将所述第一测量位置和第二测量位置的两组腔长测量数据的线性拟合曲线延长，延长线的交点表示膜片平坦位置（30）。