CN108072477B - 一种mems气压传感器以及提高其长期稳定性的方法 - Google Patents

一种mems气压传感器以及提高其长期稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种MEMS气压传感器以及提高其长期稳定性的方法，属于MEMS传感器技术领域。所述MEMS气压传感器包括应力隔离衬底，应力隔离衬底由厚度大于气压敏感薄膜的最大特征尺寸的玻璃材料制成，其远离键合连接面的一侧与传感器气压敏感结构气压敏感薄膜相对的位置加工有坑槽结构，该应力隔离衬底与传感器的敏感芯片或者敏感元件的气压敏感结构衬底通过芯片键合工艺组装在一起，用于削减气压敏感结构所受到的由于封装和装配引起的热应力和残余应力，可以优化传感器温度特性和稳定性。此外，对封装有应力隔离衬底的敏感芯片或者敏感元件以及传感器进行高低气压循环处理和高低温度循环处理的方法，可以进一步提高MEMS传感器长期稳定性。

Description

一种MEMS气压传感器以及提高其长期稳定性的方法
技术领域
本发明涉及一种MEMS气压传感器，以及提高该MEMS气压传感器长期稳定性的方法，属于MEMS气压传感器技术领域。
背景技术
气压传感器广泛用于气象、航空航天、深空探测、海洋气候、机场港口、石油化工、工艺过程设备系统等领域。微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，简写为MEMS)气压传感器由于其具有小体积、轻重量、低功耗、晶圆级批量生产成本低、可集成等优势，应用前景广泛、市场潜力巨大。气压传感器(包含MEMS气压传感器)的一个十分重要的性能指标就是长期稳定性，该项指标直接决定着传感器是否可实际应用及其校准间隔周期和寿命。
MEMS气压传感器的长期稳定性受很多因素影响，如，材料内应力、微纳加工工艺残余应力、真空参考腔封装稳定性和多层结合应力、真空度长期维持能力、敏感元件组装应力、传感器检测电路稳定性等。
提高气压传感器长期稳定性的方法通常有加工工艺控制、测试筛选、加速老练等方法和途径，但是此类方法有不可量化控制、筛选传感器成本高、仅对某些特定类型传感器有效、效果不显著等弊端。
目前，国际上最先进的MEMS气压传感器长期稳定性优于0.01％F.S./年。美国GE公司(收购英国Druck公司)的硅MEMS谐振式气压传感器长期稳定性优于0.01％F.S./2年(P.K.Kinnell,R.Craddock.Advances in Silicon Resonant Pressure Transducers[J],Procedia Chemistry，2009)；美国Paroscientific公司的石英MEMS谐振式气压传感器长期稳定性优于0.01％F.S./19年(Paroscientific,Inc.Digiquartz PressureInstrumentation Advantage[EB/OL],2011.Paroscientific,Inc.DigiquartzTechnology Overview[EB/OL],2017)。但是，该类先进传感器实现超高长期稳定性指标的方法作为技术秘密被严格控制，无相关公开专利和论文。
美国Gokhfeld,Yuzef等人(High Sensitivity Pressure Sensor with LongTerm Stability,Patent:US006813954WO02097387A1,2004)发明的一种气压传感器，采用两个腔体中间隔膜的结构方式减小残余应力，提高长期稳定性；但是，该种方法结构复杂、加工实现困难，两个腔体降低了可靠性，且仍然对敏感结构的封装组装引入的应力无法减缓消除，对长期稳定性指标提升有限。美国Henry Allen,Kamrul Ramzan等人(Anodic BondQuality and Impact on Pressure Sensor Long-Term Stability[C],MRS SpringMeeting,2001)研究的MEMS气压传感器，仅对键合封装单步工艺对长期稳定性影响做了研究，影响长期稳定性指标的因素还有很多。中国山西太原太行仪表厂对振动筒式压力传感器的长期稳定性做了相关研究(秦杰，王永峰等，振动筒式压力传感器长期稳定性研究，航空制造工程[J]，1997)，但是该研究仅从季节、雨雪、沙尘等外部环境因素对传感器长期稳定性的影响及如何防护做了分析和建议，没有对传感器本身长期稳定性指标提升的系统研究，且传感器长期稳定性指标较低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服传统方法的上述不足和弥补系统性有效方法的缺失，提供了一种MEMS气压传感器以及提高其长期稳定性的方法，效果明显，简单易实施，可量化规范化实施，可晶圆级或批量化实施，效率高、成本低。
本发明的技术解决方案是：一种MEMS气压传感器，该传感器包括应力隔离衬底，所述应力隔离衬底与MEMS气压传感器的敏感芯片或者敏感元件的气压敏感结构衬底通过芯片键合工艺组装在一起，用于削减气压敏感结构所受到的由于封装和装配引起的热应力和残余应力，该应力隔离衬底由厚度大于气压敏感薄膜的最大特征尺寸的玻璃材料制成，其远离键合连接面的一侧与气压敏感结构中气压敏感薄膜相对的位置加工有坑槽结构。
所述玻璃材料的热膨胀系数为2.5×10-6～3.5×10-6。
所述坑槽结构的深度为应力隔离衬底厚度的1/3～2/3。
所述坑槽结构采用微纳加工方法加工而成。
所述坑槽结构为环形网格、扇形网格、矩形网格或者菱形网格。
本发明的另一个技术解决方案是：提高所述MEMS气压传感器长期稳定性的方法，该方法包括如下步骤：
(1)、在不同的预设温度环境下，对组装后的敏感芯片或者敏感元件单独进行多次高低气压循环处理，直至敏感芯片或者敏感元件输出信号的长期稳定性值达到稳定，所述预设温度的取值范围为:[MEMS气压传感器标称温度下限,MEMS气压传感器标称温度上限]；
(2)、在不同的预设气压环境下，对组装后的敏感芯片或者敏感元件单独进行多次高低温度循环处理，直至预设气压环境下的敏感芯片或者敏感元件输出信号长期稳定性值达到稳定，所述预设气压环境取值范围为：[MEMS气压传感器标称气压下限,MEMS气压传感器标称气压上限]；
(3)、将组装后的敏感芯片或者敏感元件与相应的检测电路组装成MEMS气压传感器；
(4)、在步骤(1)所述的不同的预设温度环境下，对MEMS气压传感器进行多次高低气压循环处理，直至预设温度环境下的传感器输出信号长期稳定性值达到稳定；
(5)、在步骤(2)所述的不同的预设气压环境下，对MEMS气压传感器进行多次高低温度循环处理，直至预设气压环境下的传感器输出信号长期稳定性值达到稳定。
所述步骤(1)和步骤(4)中所述高低气压循环处理的具体步骤为：
(1.1)、控制被处理敏感芯片或传感器所处温度环境稳定在预设温度；
(1.2)、对气压环境控制装置进行抽气处理，使其内部气压降至第一预设气压P1；
(1.3)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第一压控时间段t2；
(1.4)、对气压环境控制装置进行充气处理，使其内部气压升至第二预设气压P2；
(1.5)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第二压控时间段t4。
所述第一预设气压P1小于MEMS气压传感器标称气压量程上限的1％；所述第二预设气压P2为MEMS气压传感器标称气压量程上限的120％～150％。
所述第一时间段t2不小于2s，所述第二时间段t4不小于2s。
所述高低温循环处理的具体步骤为：
(2.1)、控制被处理敏感芯片或传感器所处气压环境稳定至预设气压环境；
(2.2)、升温至预设的第一预设温度T1；
(2.3)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第一温控时间段tb；
(2.4)、降温至第二预设温度T2；
(2.5)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第二温控时间段td。
所述预设第一温度T1的取值范围为[气压传感器工作温度上限加10℃，气压传感器工作温度上限加20℃]；所述第二预设温度T2的取值范围为[传感器工作温度下限-20℃,气压传感器工作温度下限-10℃]。
所述第一温控时间段tb不小于1.5小时；所述第二温控时间段td不小于2小时。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明的敏感芯片封装结构设计中的衬底玻璃厚度大于单晶硅敏感结构的最大特征尺寸，衬底玻璃背底部微纳加工有用于应力缓减隔离的坑槽结构，最优化地有效隔离敏感芯片封装和组装粘接应力，提升传感器温度特性和稳定性；
(2)、本发明的高低气压循环处理和高低温循环处理可以加速释放MEMS传感器中微纳结构的材料内应力、残余应力、薄膜层间应力、封装应力等，消减材料微缺陷、热应力不重复性等，使其快速达到较为稳定的状态；
(3)、本发明的敏感芯片/敏感元件和传感器变换器高低气压循环处理过程和高低温循环处理过程，各步骤参数灵活可调，可量化最优化控制实施；
(4)、本发明的应力缓减隔离结构及后续的高低气压循环处理和高低温循环处理过程适用于对多数MEMS传感器芯片长期稳定性指标的提高，具有普遍适用性；
(5)、本发明的方法对传感器长期稳定性的提高效果明显，简单易实施，可晶圆级或批量化实施，效率高、成本低。
附图说明
图1为本发明实施例MEMS气压传感器敏感芯片三维正面示意图；
图2为本发明实施例MEMS气压传感器敏感芯片三维背面示意图；
图3为本发明实施例高低气压循环处理过程流程图；
图4为本发明实施例高低温循环处理过程流程图；
图5为本发明实施例MEMS气压传感器稳定性处理前后对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
图1和图2分别为实施例MEMS气压传感器敏感芯片三维正面示意图和三维背面示意图。由图可知，MEMS气压传感器敏感芯片由气压敏感结构101和应力隔离衬底201组成，所述气压敏感结构101用于将被测物理量转换为检测电路可测的物理量，所述应力隔离衬底201与MEMS应力传感器的敏感芯片或者敏感元件的气压敏感结构101衬底通过芯片键合工艺组装在一起，用于削减气压敏感结构101所受到的由于封装和装配引起的热应力和残余应力。
由图1可知，传感器的气压敏感结构101是用硅晶圆材料微纳加工制造，其衬底采用玻璃圆片材料制成，气压敏感结构101包含电极引线开口102、气压敏感薄膜103和电极引线压焊盘104；气压敏感结构101实际是由多层薄膜结构键合而成；气压敏感薄膜一般由微纳加工制造工艺一体化形成，压敏感薄膜103的形状、面积和厚度根据不同传感器敏感芯片各异，薄膜上根据不同敏感原理制作有电阻条、压阻条、绝缘层、双端固支梁、电极引线条等，敏感薄膜与衬底层键合密封形成真空参考腔；其中电极引线开口102是气压敏感结构的上表层加工出开口，为了露出电极引线压焊盘104供引线压焊连接到焊盘上；电极引线压焊盘位于气压敏感结构边缘，与敏感薄膜上的电极引线条相连接，用于将敏感芯片与封装管壳的引脚针压焊引线电连通，电极引线压焊盘104的个数和位置根据不同传感器敏感芯片各异。本发明涉及范畴不是气压敏感结构，因此不详述。
由图2可知，为了与传感器的气压敏感结构101衬底材料配合，实现两者通过键合的方式可靠粘结在一起，封装衬底层只要符合三个条件就行：(1)热膨胀系数与单晶硅的越接近越好；(2)绝缘或者是键合面是绝缘的；(3)能够实现键合可靠粘结一起，一般符合这三个条件的衬底层是玻璃或者键合面有一层氧化硅绝缘层的单晶硅，但是后者键合粘结工艺的实现难度较大，因此优选前者高硼掺杂玻璃。传感器的应力隔离衬底201采用热膨胀系数与单晶硅的热膨胀系数接近(为2.5×10-6～3.5×10-6)的玻璃材料制成，本实施例中选用热膨胀系数为3.2×10-6的玻璃圆片，材料为高硼掺杂玻璃；应力隔离衬底201的厚度大于气压敏感薄膜103的最大特征尺寸，沟槽宽度为50微米～500微米；其远离键合连接面的一侧与气压敏感结构101中气压敏感薄膜103相对的位置微纳加工有用于应力缓减隔离的坑槽结构202；所述微纳加工可以是湿法腐蚀、干法刻蚀、激光精细加工、或者机械划片等加工方法；坑槽结构202的形状可以是环形网格、扇形网格、矩形网格或者菱形网格或混合形状网格，本实施例中采用的是环形网格结构；坑槽结构202的深度为衬底玻璃201厚度的1/3～2/3，本实施例中选取1/2。
基于上述的应力隔离衬底，本发明还进一步提出来一种提高上述MEMS气压传感器长期稳定性的方法。该方法包括如下步骤：
(1)、在不同的预设温度环境下，对组装后的敏感芯片或者敏感元件单独进行多次高低气压循环处理，直至敏感芯片或者敏感元件输出信号的长期稳定性值达到稳定，所述预设温度至少包括MEMS气压传感器标称温度下限和上限；
不同原理的传感器、不同应用需求的传感器的长期稳定性指标不同比如1％F.S./年，0.1％F.S./年，0.02％F.S./年，其中，F.S.指满量程输出数值；为了实际测试评估可行，可以将XXX/年换算成XXX/月或XXX/天再用趋势预测算法计算得到。
(2)、在不同的预设气压环境下，对组装后的敏感芯片或者敏感元件单独进行多次高低温度循环处理，直至预设气压环境下的敏感芯片或者敏感元件输出信号长期稳定性值达到稳定，所述预设气压环境至少包括MEMS气压传感器标称气压下限和上限；
(3)、将组装后的敏感芯片或者敏感元件与相应的检测电路组装成MEMS气压传感器；
(4)、在步骤(1)所述的不同的预设温度环境下，对MEMS气压传感器进行多次高低气压循环处理，直至预设温度环境下的传感器输出信号长期稳定性值达到稳定；
(5)、在步骤(2)所述的不同的预设气压环境下，对MEMS气压传感器进行多次高低温度循环处理，直至预设气压环境下的传感器输出信号长期稳定性值达到稳定。
本发明的具体实施例MEMS气压传感器的量程为0～120kPa，工作温度为-40℃～+65℃。
由图3可知，高低气压循环处理流程/过程，主要步骤包含：控制温度环境、抽气、低气压环境维持、充气、高气压环境维持、循环次数、回高气压环境后再通大气。
本实施例中的高低气压循环处理步骤为：
(1.1)、控制被处理敏感芯片或传感器所处温度环境稳定在预设温度；
(1.2)、对气压环境控制装置进行抽气处理，使其内部气压降至第一预设气压P1；所述第一预设气压P1小于MEMS气压传感器标称气压量程上限的1％；一般情况下，所述气压环境控制装置中充入氮气。
(1.3)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第一压控时间段t2；所述第一时间段t2不低于2s。
(1.4)、对气压环境控制装置进行充气处理，使其内部气压升至第二预设气压P2；所述第二预设气压P2为MEMS气压传感器标称气压量程上限的120％～150％。
(1.5)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第二压控时间段t4。所述第二时间段t4不低于2s。
本实施例中，选取控制温度环境T0为-40℃、常温、+65℃三个温度环境下分别进行高低气压循环处理；抽气气压P1小于气压传感器满量程的1％，本实施例中选取1kPa；氮气充气气压P2为气压传感器满量程的120％～150％，本实施例中选取150kPa；抽气时长t1小于15秒，维持时间t2为5秒，充气时长t3小于10秒，维持时间t4为5秒；循环次数N针对不同传感器根据具体试验选取，本实施例中选取为3000次。
由图4可知，高低温循环处理流程/过程，主要步骤包含：控制气压环境、升温、高温环境维持、降温、低温环境维持、循环次数、回高温环境后再置室温。
具体的高低温循环处理步骤为：
(2.1)、控制被处理敏感芯片或传感器所处气压环境稳定至预设气压环境；
(2.2)、升温至预设的第一预设温度T1；所述预设第一温度T1的取值范围为[气压传感器工作温度上限加10℃，气压传感器工作温度上限加20℃]；
(2.3)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第一温控时间段tb；所述第一温控时间段tb不低于1.5小时；
(2.4)、降温至第二预设温度T2；所述第二预设温度T2的取值范围为[传感器工作温度下限-20℃,气压传感器工作温度下限-10℃]。
(2.5)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第二温控时间段td。所述第二温控时间段td不低于2小时。
本实施例中选取控制气压环境P0为10kPa、60kPa、120kPa三个气压环境下分别进行高低温循环处理；升温至温度T1为气压传感器工作温度上限再扩展10℃，本实施例中选取75℃；降温至温度T2为气压传感器工作温度下限再扩展-10℃，本实施例中选取-50℃；升温时长ta为0.5小时，维持时间tb为2.5小时，降温时长tc为1小时，维持时间td为3小时；循环次数针对M不同传感器根据具体试验选取，本实施例中选取为20次。
本实施例的MEMS气压传感器是采用电容式敏感原理，该发明体现的技术效果有：
①由图5可知，稳定性处理前的传感器稳定性为4.97％/50小时，经过高低气压循环处理的传感器稳定性为0.48％/50小时，经过高低气压循环和高低温度循环处理的传感器稳定性为0.19％/50小时；
②稳定性处理前的传感器输出数据误差为8.67％/1个温度循环，经过高低气压循环处理的传感器输出数据误差为3.84％/1个温度循环，经过高低气压循环和高低温度循环处理的传感器输出数据误差为0.23％/1个温度循环；
③常规衬底结构气压传感器经过稳定性处理后的50个小时稳定性为1.43％、1个温度循环后的误差为1.94％，应力隔离衬底结构气压传感器经过稳定性处理后的50个小时稳定性为0.19％、1个温度循环后的误差为0.23％。
该方法适用于对多数MEMS传感器长期稳定性指标的提高，对传感器长期稳定性的提高效果明显，简单易实施，可量化规范化最优控制实施，可圆片级或批量化实施，效率高、成本低。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于所述MEMS气压传感器包括应力隔离衬底，所述应力隔离衬底(201)与MEMS气压传感器的敏感芯片或者敏感元件的气压敏感结构(101)衬底通过芯片键合工艺组装在一起，用于削减气压敏感结构(101)所受到的由于封装和装配引起的热应力和残余应力，该应力隔离衬底(201)由厚度大于气压敏感薄膜(103)的最大特征尺寸的玻璃材料制成，其远离键合连接面的一侧与气压敏感结构(101)中气压敏感薄膜(103)相对的位置加工有坑槽结构(202)，该方法包括如下步骤：
(1)、在不同的预设温度环境下，对组装后的敏感芯片或者敏感元件单独进行多次高低气压循环处理，直至敏感芯片或者敏感元件输出信号的长期稳定性值达到稳定，所述预设温度的取值范围为:[MEMS气压传感器标称温度下限,MEMS气压传感器标称温度上限]；
(2)、在不同的预设气压环境下，对组装后的敏感芯片或者敏感元件单独进行多次高低温度循环处理，直至预设气压环境下的敏感芯片或者敏感元件输出信号长期稳定性值达到稳定，所述预设气压环境取值范围为：[MEMS气压传感器标称气压下限,MEMS气压传感器标称气压上限]；
(3)、将组装后的敏感芯片或者敏感元件与相应的检测电路组装成MEMS气压传感器；
(4)、在步骤(1)所述的不同的预设温度环境下，对MEMS气压传感器进行多次高低气压循环处理，直至预设温度环境下的传感器输出信号长期稳定性值达到稳定；
(5)、在步骤(2)所述的不同的预设气压环境下，对MEMS气压传感器进行多次高低温度循环处理，直至预设气压环境下的传感器输出信号长期稳定性值达到稳定。
2.根据权利要求1所述的提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(4)中所述高低气压循环处理的具体步骤为：
(1.1)、控制被处理敏感芯片或敏感元件所处温度环境稳定在预设温度；
(1.2)、对气压环境控制装置进行抽气处理，使其内部气压降至第一预设气压P1；
(1.3)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第一压控时间段t2；
(1.4)、对气压环境控制装置进行充气处理，使其内部气压升至第二预设气压P2；
(1.5)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第二压控时间段t4。
3.根据权利要求2所述的提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于：所述第一预设气压P1小于MEMS气压传感器标称气压量程上限的1％；所述第二预设气压P2为MEMS气压传感器标称气压量程上限的120％～150％。
4.根据权利要求2所述的提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于：所述第一压控时间段t2不小于2s，所述第二压控时间段t4不小于2s。
5.根据权利要求1所述的提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于所述高低温循环处理的具体步骤为：
(2.1)、控制被处理敏感芯片或敏感元件所处气压环境稳定至预设气压环境；
(2.2)、升温至预设的第一预设温度T1；
(2.3)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第一温控时间段tb；
(2.4)、降温至第二预设温度T2；
(2.5)、保持气压环境控制装置气体气压不变，持续预设的第二温控时间段td。
6.根据权利要求5所述的提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于：所述第一预设温度T1的取值范围为[MEMS气压传感器工作温度上限加10℃，MEMS气压传感器工作温度上限加20℃]；所述第二预设温度T2的取值范围为[MEMS气压传感器工作温度下限减20℃,MEMS气压传感器工作温度下限减10℃]。
7.根据权利要求5所述的提高MEMS气压传感器长期稳定性的方法，其特征在于所述第一温控时间段tb不小于1.5小时；所述第二温控时间段td不小于2小时。
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