热老化对不同封装形式SOI基压阻式芯片的影响

采用热老化的手段提高封装后芯片的输出稳定性及使用寿命,并对热老化温度与老化时间的匹配问题进行了研究。首先介绍了压阻传感器的老化机理,然后在不同温度下对同批次不同封装形式绝缘体上硅(SOI)基压阻芯片进行老化,并对芯片老化前后数据进行对比。结果表明,300℃加电老化情况下,芯片稳定输出的时间为12h,且老化后芯片的各项指标均有改善。在温度允许范围内,适当的老化温度可以使芯片达到稳定输出状态,提升工作效率的同时为优化SOI基压阻芯片的老化时间提供了参考。

高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器的研究

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求,设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构,确定了纳米硅薄膜压敏电阻的阻值大小和尺寸。采用ANSYS有限元分析(FEA)对所设计的传感器结构进行仿真,根据仿真结果确定了压敏电阻在膜片上的最佳放置位置。基于标准MEMS制造技术,在SOI基纳米硅薄膜上设计并实现了该压力传感器。实测结果表明,室温下,在0~40 kPa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45 mV/(kPa·V),非线性度达到0.108%F.S。在-40℃~125℃的工作温度范围内,温度稳定性好,零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.0047%F.S与0.089%F.S。所设计的压力传感器及其检测电路,在现代医疗、工业控制等领域具有较大的应用潜力。

SOI基底上制备的用于检测机器人手指接触力的微压阻式力传感器

为了使工业机器人可以稳定、高效地完成夹持任务,设计并制备了三种不同结构的微压阻式力传感器。利用热氧化、硼扩散掺杂、光刻、反应离子刻蚀、物理气相沉积和阳极键合等微电子机械系统(MEMS)加工工艺在绝缘体上硅(SOI)基底上制备出了尺寸均为2 mm×2 mm×0.5 mm的三种微压阻式力传感器。通过封装前后对三种传感器在z方向上的应力灵敏度测试,结果表明第二种传感器的灵敏度较佳,封装前可达0.18 mV/mN,封装后仍可达0.096 mV/mN,仅减少了0.084 mV/mN,仍具有良好的线性关系,输出特性的趋势与预计一致。同时,这三种不同结构的传感器各方向之间的串扰均小于5%,非线性小于满量程的3%。通过封装前后力传感器性能对比,为优化此类传感器设计提供了实验数据,为后续配置在机器人的指尖上实现高效、稳定的操作提供了参考。

基于SOI的低横向灵敏度压阻式加速度计的设计

提出了一种非同一平面的双弯曲梁的压阻式加速度计,在加速度作用下该结构梁的质心与质量块的质心对齐,从而实现低横向效应。利用SOLIDWORKS软件建立了结构模型,并用Comsol仿真软件和有限元ANSYS仿真软件对其进行静态分析、模态分析和电学性能分析。分析了影响频率和灵敏度的相关参数,对加速度计的结构参数进行了优化。设计了一套版图以及工艺加工方案,采用微电子机械系统(MEMS)标准工艺完成了加速度计的制备。最后进行精密离心机测试,结果表明该结构的加速度计具有较低的横轴灵敏度,其中X轴的横向灵敏度为0.078%,Y轴的横向灵敏度为0.002%,比较高的主轴灵敏度,Z轴灵敏度为0.64 mV/g。

基于MEMS工艺的SOI高温压力传感器设计

利用MEMS(微机电系统)工艺中的扩散,刻蚀,氧化,金属溅射等工艺制备出SOI高温压力敏感芯片,并通过静电键合工艺在SOI芯片背面和玻璃间形成真空参考腔,最后通过引线键合工艺完成敏感芯片与外部设备的电气连接。对封装的敏感芯片进行高温下的加压测试,高温压力测试结果表明,在21℃(常温)至300℃的温度范围内,传感器敏感芯片可在压力量程内正常工作,传感器敏感芯片的线性度从0.9 985下降为0.9 865,控制在较小的范围内。高温压力下的性能测试结果表明,该压力传感器可用于300℃恶劣环境下的压力测量,其高温下的稳定性能为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考。

一种SOI高温压力传感器敏感芯片

从传感器的受力结构、能量转化结构和金属引线三个方面对SOI压阻式压力传感器芯片进行高温设计,计算出每个因素所造成的影响并与外部气压对传感器造成的影响进行对比,并给出了压阻的工艺尺寸和掺杂浓度。通过工艺制备和封装,研制出耐高温压力传感器芯片,常温压力测试结果表明传感器敏感芯片在常温下灵敏度较高,非线性误差在0.1%以下,迟滞性小于0.5%。高温下的性能测试结果表明,传感器可以用于350℃恶劣环境条件下的压力测量,为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考。

基于MEMS实现SOI压力传感器的工艺研究

应用压组效应原理制作硅氧化物绝缘体(SOI)压力传感器,具有耐高温、抗辐射、稳定性好等优点,本文说明了SOI在微电子机械系统(MEMS)技术上的实现优势,并对压力传感器SOI结构的实现工艺进行了探索性试验,完成了SOI压力传感器的设计和封装,在强调了压力传感器的测试方法的同时,对所设计的样品进行了测试。

SOI压阻传感器的阳极键合结合面检测

由于当前绝缘体上硅(SOI)压阻传感器芯片的封装质量仍依赖人工检测,本文提出了一种自动实现该项检测的视觉检测方法。分析了压阻传感器的工作原理,研究了芯片定位精度和结合面质量对传感器性能的影响。以传感器性能和质量为导向,提出了一种以中心定位偏差和键合面结合度为检测点的封装结合面检测方法。该方法通过对Hough圆检测效果和实际图像的分析完成定位精度的检测;基于对传感器质量影响因素的分析和气泡面积的统计实现结合面质量的检测。在传感器实际制造封装过程中对该视觉检测算法进行了实验验证。结果表明:该方法能识别的结合面上的最小气泡直径为6μm;玻璃内孔半径检测误差约为0.015mm.。本文提出的基于视觉检测的方法基本满足了压阻传感器封装对结合面检测的要求,有助于实现封装质量的自动化检测。

无引线封装的SOI压阻式压力传感器设计

在SOI晶圆材料的基础上,设计了压力敏感结构,提高了传感器的高温稳定性;采用敏感芯片背孔引线技术,将硅敏感芯片的正面和硼玻璃进行气密性阳极键合,通过在硼玻璃对应位置加工电极连接孔,实现芯片电极与外部管脚的电气连接,形成无引线封装结构;利用ANSYS软件对敏感芯片进行了力学仿真,对高温敏感芯体进行了热应力分析,完成了无引线封装结构的优化及制作。通过性能测试,该传感器测量范围为0~0.2 MPa,灵敏度为55.0 m V/MPa,非线性误差小于0.2%。

一种MEMS高温压力传感器

基于硅压阻效应,利用微电子机械系统(MEMS)技术,研制了一种可用于多种领域的高温绝压压力传感器。为了达到耐高温的目标,传感器芯片采用绝缘体上硅(SOI)硅片加工,并利用有限元软件ANSYS对传感器芯片结构进行了应力仿真分析。同时,对传感器的电阻结构、金属布线系统、传感器支撑层键合技术及流片工艺进行了设计,完成了芯片的加工。设计了传感器耐高温封装结构,完成了传感器的初级封装。最后,对常规MEMS压力传感器及研制的高温压力传感器的基本性能、电阻温度特性、漏电流温度特性进行了测试和对比,实验结果表明研制的高温压力传感器能够耐受350℃的高温。

MEMS正装传感器复合钝化层高温可靠性的研究

绝缘体上硅(SOI)所制备的压阻式正装压力传感器可在高温下良好工作,但高温环境下电阻条和金属引线长期暴露在环境中易受到氧化和腐蚀,对传感器的输出造成影响,使电学性能发生变化甚至失效,为避免这种情况,通常在表面进行钝化处理。文中采用SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层对SOI正装传感器芯片进行钝化,并且对钝化层进行高温老化考核,模拟高温和恶劣环境,验证其高温可靠性。实验结果表明:按照SiO_(2)厚度为200 nm、Si_(3)N_(4)厚度为300 nm的SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层能在350℃高温下对正装传感器进行有效保护且电学性能完好,满足芯片在高温下可靠性的要求。

一种汽车碰撞试验用低阻尼宽频响加速度传感器

基于硅的压阻效应,利用微电子机械系统(MEMS)技术研制了一种汽车碰撞试验用低阻尼、宽频响的加速度传感器。为了满足小体积和高性能的要求,传感器采用了L型梁-质量块结构;并设计了一种全方位抗过载的新颖限位结构,保证了低阻尼传感器高过载、高可靠性。传感器芯片采用绝缘体上硅(SOI)片加工,并利用硅硅键合与共晶键合工艺相结合实现了圆片级气密封装,具有易于批量生产的优势,可以广泛应用于汽车碰撞试验。封装后的传感器采用振动法和冲击法进行性能测试,测试结果表明,传感器的量程范围大于2 000g,阻尼比为0.023,谐振频率约27.6 kHz,带内平坦度在±4%范围内带宽大于5 kHz,传感器在多次承受20 000g的冲击下没有失效。

COB封装中芯片在基板不同位置的残余应力

利用硅压阻力学芯片传感器作为原位监测的载体,研究了直接粘贴芯片的封装方式中,芯片在基板上的不同位置对于封装后残余应力的影响以及在热处理过程中残余应力的变化,发现粘贴在基板靠近边的位置和中心位置时应力水平接近,但是靠近基板一角的位置应力较大,而且在热处理过程中应力出现“突跳”和“尖点”。