高頻響MEMS壓力傳感器動態性能研究?

周行健 雷 程 梁 庭 鐘 明 黨偉剛

（1.中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室 太原 030051）（2.中國航發四川燃氣渦輪研究院 綿陽 621000）

1 引言

針對在機械試驗，化爆實驗，石油勘采、土木工程試驗等強震動，大沖擊力的使用工況中變化頻率快、波形上升陡的動態壓力測試，需要所用的壓力傳感器具有較高的固有頻率和極短的上升時間，以保證足夠的動態測壓精度［1］。同時，壓阻式壓力傳感器具有體積小、結構簡單、性能穩定、可靠性高、通用性強等優點［2］。目前壓阻式高頻響壓力傳感器在國外方面已發展較為成熟，比較典型的有Ku?lite 和Kistler［3］系列產品，其提供的量程為21MPa，固有頻率達1.6MHz的高頻響壓力傳感器已在動態測試領域內得到了較廣泛的應用。國內方面，高性能的高頻響MEMS 壓力傳感器研制處于高速發展時期，中國航發控制系統研究所［4］、西安交通大學［5］等多家單位均在此方面取得較大進展。但受研究起步較晚限制，目前國內可量產化的高頻響壓力傳感器性能距離國外還存在一定差距。因此設計、制作高頻響壓力傳感器是目前國內動態測試領域的關鍵工作。

本文采用ANSYS 有限元仿真軟件，完成了壓力傳感器芯片及封裝結構固有頻率影響因素的的仿真分析，優化了設計參數；基于MEMS 加工工藝制作了壓力芯片；根據封裝結構設計完成了傳感器成品裝配，制作了一種基于SOI 材料的高頻響MEMS 壓力傳感器；最后于中北大學動態測試標定平臺所提供的激波管動態標定設備完成了傳感器的測試標定。

2 傳感器芯片設計與仿真

敏感膜片是壓阻式壓力傳感器關鍵的感壓結構，一般采用的膜片結構分為方膜、圓膜和島膜［6］三種。為提高壓力芯片靈敏度同時降低工藝難度，本文將選擇方膜作為壓力芯片敏感膜結構。

芯片敏感膜尺寸會對芯片固有頻率造成影響，進而影響傳感器動態性能。本文基于壓力芯片設計量程1.5MPa所對應尺寸參數［7］，從提升芯片固有頻率目的出發重新對設計參數進行了優化。結合方膜結構壓力芯片的MEMS加工工藝，本文將從敏感膜厚及膜邊長兩個方面進行分析，分別探究其對固有頻率影響趨勢。

2.1 膜厚尺寸靜力學及模態仿真

本文首先針對敏感膜厚開展仿真研究，結合壓力芯片設計中的線性度原則、可靠性原則［8］、滿量程輸出原則［9］及工藝精度限制，于膜厚取值范圍h>60μm取整數60μm、70μm、80μm、90μm、100μm，對壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進行靜力學及模態分析仿真。仿真及靈敏度計算［10］結果可匯總如表1所示。

表1 膜厚對應固有頻率及靈敏度關系

由仿真結果可以發現：膜片固有頻率隨著敏感膜片厚度增大而增大，傳感器固有頻率更高。但同時傳感器靈敏度隨敏感膜片厚度增大而減小，過小的靈敏度會導致傳感器輸出更易受到噪聲干擾而導致測量精度不佳。因此確定膜厚尺寸為80μm。

2.2 膜邊長靜力學及模態仿真

基于前文所優化設計的膜厚尺寸，本文于參考的敏感膜片邊長1000μm 附近分別建立膜邊長為800μm、900μm、1000μm、1100μm、1200μm 的五個模型，同樣對壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進行模態分析仿真。仿真結果如表2所示。

表2 膜邊長對應固有頻率及靈敏度關系

由仿真結果可以發現：膜片固有頻率隨著敏感膜邊長減小而增大，傳感器固有頻率更高。但同時傳感器靈敏度隨敏感膜片邊長減小而減小，同樣存在傳感器精度問題。因此確定膜邊長尺寸為1000μm。

3 傳感器封裝設計與仿真

引線鍵合方法作為電子封裝領域的關鍵技術［11］，可以實現壓力芯片電信號引出，其具有工藝較成熟，使用廣泛等特點［12］。基于此方法本文提出如圖1 所示的芯片封裝方案，壓力芯片通過封接材料固定于表面鍍金屬布線層的陶瓷轉接板上，燒結固化形成機械固定；通過金絲球焊方式將壓力芯片焊盤與陶瓷基板金屬布線層連接，實現電信號引出，制成感壓元件。感壓元件同樣通過封接材料的固化燒結與傳感器管殼基座完成機械固定，并在接線柱連接孔內灌注導電漿料形成與傳感器管殼可伐合金接線柱［13］的電連接，接線柱將電信號引出至后端處理電路，完成傳感器裝配。

圖1 封裝方案示意圖

傳感器感壓元件由壓力芯片通過封接材料層與陶瓷基板連接制成，故封接材料的尺寸及性能將會對傳感器整體固有頻率造成影響。結合工程實際情況，本文將通過封接材料層厚度、材料屬性兩方面進行分析。

3.1 封接材料層厚度模態仿真

本文首先針對封接材料層厚度開展仿真研究。傳感器模型可簡化如圖2（a）所示，由壓力芯片、封接材料、陶瓷基板和管殼基座四部分構成。結合封接材料層制備設備的工藝精度，本文選定封接材料層厚度為0.1mm、0.2mm、0.5mm，并于壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進行模態分析仿真。仿真結果如圖2（b）～圖2（d）所示。

圖2 不同材料層厚度模態分析云圖

由仿真結果可以發現：傳感器固有頻率隨著材料層厚度減小而增大，但影響并不明顯。同時材料層厚度過小會導致壓力芯片與陶瓷基板連接強度下降，從而導致傳感器在實際測試時產生的振動、沖擊環境中發生故障，因此確定封接材料層厚度為0.2mm。

3.2 封接材料層屬性模態仿真

本文針對封接材料層屬性開展實驗，通過調整封接原材料不同配比調整封接材料層屬性。參考聚氨酯彈性結構膠不同組分與其對應的材料參數關系［14］，本文選取如表3所示封接材料A、B、C材料參數導入仿真軟件，對壓力芯片表面施加載荷1.5MPa 進行模態分析仿真。仿真結果如圖3（a）-圖3（c）所示。

圖3 不同材料參數模態分析云圖

表3 封接材料A、B、C材料參數

由仿真結果可以發現：傳感器固有頻率隨著材料拉伸強度及剪切模量增大而增大，傳感器共振頻率更高。因此在感壓元件的制作及與傳感器管殼基座完成裝配時，采用拉伸強度及剪切模量更大的封接材料可提升傳感器固有頻率。

4 傳感器制作

4.1 傳感器芯片制作

本文首先根據前文所優化設計的壓力芯片參數定制其對應的掩膜版，并基于中北大學微納加工中心完成如圖4 所示的工藝步驟［15］，包括：1）標準RCA 清洗可有效去除SOI 晶圓表面的顆粒物質和金屬離子；2）通過對摻雜濃度及深度的嚴格控制，對晶圓器件層進行硼離子注入，并利用四探針臺測試其離子注入濃度是否符合設計標準；3）為提升晶圓部分區域半導體的導電能力，降低形成歐姆接觸難度，對此部分區域完成硼離子摻雜；4）對芯片壓敏電阻條區域完成光刻膠掩膜，并通過反應離子刻蝕工藝完成電阻條制作；5）對摻雜的歐姆接觸區域濺射所需要的金屬層，通過剝離工藝實現金屬圖形化，并退火實現歐姆接觸，通過半導體分析儀驗收其歐姆接觸效果；6）根據如前所確定敏感腔尺寸參數，利用深度反應離子刻蝕工藝對完成光刻膠掩膜的敏感腔區域實現敏感膜片釋放，并通過陽極鍵合工藝實現敏感腔制備。最終實現壓力芯片的制備。

圖4 芯片制作流程圖

4.2 傳感器封裝制作

本文首先根據前文所優化設計的封接材料尺寸及性能參數確定封接材料層制備工藝，并完成傳感器封裝工藝步驟，包括：陶瓷轉接板表面涂布一定厚度的封接材料，固定SOI 芯片并燒結固化形成可靠連接；金絲球焊連接壓力芯片焊盤與陶瓷基板金屬布線層，制成感壓元件；管殼基座涂布封接材料并燒結固化，固定感壓元件；管殼基座接線柱連接孔內導電漿料灌注，完成傳感器裝配；制作完成的傳感器如圖5所示。

圖5 制作完成的傳感器

5 傳感器動態性能測試結果

5.1 動態性能測試設備

基于中北大學動態測試標定平臺，進行高頻響MEMS 壓力傳感器進行了動態性能測試，測試設備主要包括：Φ100 激波管、基于Labview 搭建的數據采集平臺、高精度萬用表AG34401A、直流穩壓電源GPS-4303C。數據采集系統最佳采集電壓范圍為小于±5V，且測試中易受環境影響因素干擾，因此需要為傳感器定制后端信號調理電路。

經常溫靜態標定測試，傳感器零點輸出-20mV左右，1.5MPa 下輸出+40mV 左右，基于此傳感器輸出情況，設計放大-濾波電路，放大倍數50倍。圖6為自行制定的端信號放大/濾波電路，由三個模塊構成：基于MD7660 芯片構建的電壓反向模塊，用于給后續的雙電源運算放大電路供電；RC 低通濾波電路可對輸入信號噪聲進行濾波處理；基于AD620 芯片構建的運算放大電路對濾波完成的輸入信號進行50倍放大處理。

圖6 放大/濾波電路原理圖

實驗前在Φ100激波管的高低壓段分別充入預定壓力的氣體，試驗時通過對雙膜腔充氣使得膜片破裂，形成激波，利用激波對傳感器膜片瞬時產生的壓力值對傳感器進行標定［16］。

5.2 動態性能測試結果

測試中安裝于激波管段壁的壓力傳感器與側壁標準速度傳感器之間距離為20cm；響應時間差為0.393ms，因此可計算出激波傳播速度為508.9m/s。測試環境溫度為20.4℃，由此計算［17］出激波傳播速度為343.6m/s，入射激波馬赫數為1.48Ms。并根據常溫靜態標定中傳感器靈敏度，計算出激波沖擊傳感器膜片實際壓力為461kPa。

如圖7（a）所示為傳感器在測試過程中的的時域輸出曲線。對測試數據中階躍信號區域進行放大，針對傳感器上升時間進行分析，由圖7（b）可知，該傳感器的上升時間約為20μs，對動態信號具有較快的響應速度。根據時域輸出曲線計算得到的的傳感器幅頻特性曲線如圖7（c）所示，傳感器一階固有頻率為222.8kHz，與仿真結果基本一致，具有較高的動態響應頻率。為保證傳感器測量的準確性，工作頻率在固有頻率的1/3以內，因此本文所制作傳感器安全工作頻率為74 kHz。

圖7 動態性能測試結果

6 結語

本文通過對高頻響MEMS 壓力傳感器芯片及封裝結構的仿真分析，優化設計了壓力敏感芯片及封裝結構的尺寸及材料屬性；根據優化設計結果基于MEMS加工工藝制成傳感器芯片，并完成感壓元件制作與傳感器整體裝配；根據完成的傳感器輸出情況制定與動態測試系統適配的放大/濾波電路并完成激波管實驗。根據實驗結果得到傳感器的上升時間為20μs，固有頻率為222.8 kHz，可在74 kHz以內的工況下安全工作。其具有沖擊信號響應速度快，動態響應頻率高特點，可以滿足脈沖型風洞試驗設備、大型建筑抗沖擊強度試驗等瞬態和動態壓力測量要求。