MEMS耐高温压力传感器封装工艺

　　0　引言

　　传统的扩散硅压阻式压力传感器采用P-N结隔离应变电桥与应变膜, P-N结漏电流随着温度升高而急剧增大导致基于P-N结隔离的压力传感器难于在高于80℃高温情况下工作。文中所述耐高温压力传感器敏感元件采用MEMS工艺,基于先进的高能氧离子注入SIMOX(Separation by Implantation ofOxygen)技术,在单晶硅100 nm表面下形成埋层二氧化硅层,以隔离作为测量电路的顶部硅层与作为支撑的体硅之间因温度升高而造成的漏电流,以保证传感器能在250℃高温下正常工作。该MEMS耐高温压力传感器在封装结构上采用薄膜隔离式结构,其基本原理是利用硅油的不可压缩性能与膜片良好的线性位移特性,外界压力直接作用于波纹膜片,波纹膜片将感受到的外界压力传递到硅油,硅油再将膜片感受到的压力等值地传递给压力芯片。由于传感器的工作温度达250℃,起隔离作用同时又传递压力的中间介质硅油、波纹片及其充油基座本身将产生不同热膨胀量,给压力芯片产生一定的负压作用,对传感器的工作性能产生重要影响。文中通过分析平膜与波纹状膜片下硅油相对于壳体及膜片的热膨胀问题,同时分析得出了通过控制充油工艺来减小硅油热膨胀时所产生的附加压力。

　　1　充油芯体的封装结构

　　MEMS耐高温压力传感器芯体结构原理图如图1所示,波纹片与基座均选用316L不锈钢材料。波纹片与基座之间的密封容腔内充有高温硅油,压力芯片贴于油腔底面,金丝由芯片的电极通过陶瓷片沟槽焊接在接线柱上。当外界压力p作用于波纹片上时,波纹片将会有一个线性位移,由于硅油的不可压缩性,硅油将波纹片的位移转换为一个等值压力直接作用于压力芯片上,实现压力的传递。

　　2　压力膜片的选择

　　为了更好地研究硅油的热膨胀问题,分别选择平膜结构与波纹状膜片结构对芯体结构进行ANSYS热膨胀仿真分析,图2为ANSYS模拟时膜片的对应模型。膜片材料均为316L不锈钢,厚度为0·045 mm,直径为18·4 mm.其中,波纹片的波纹选择的是正弦曲线。

　　3　硅油、基座及膜片的参数设置

　　硅油选用道康宁550硅油,热膨胀系数设为0·000 79/K,参考温度为100℃.壳体基座与波纹片材料为316 L,杨氏模量为201 GPa,热膨胀系数为0·000 017 5/K,参考温度为25℃.传感器工作温度为250℃.考虑到硅油的工作状态为静态,只作为一种传递力的中间介质,在做ANSYS仿真时可将其等效为一种固态模型处理。

　　4　模型等效尺寸建立

　　在做ANSYS仿真计算时,一些结构复杂的零部件可以等效为简化模型,如果不经过简化处理,计算结果反而偏差很大。实际情况下充油油腔内部由于布有压力芯片及陶瓷片,使得硅油模型结构比较复杂。在理论计算中,耐高温陶瓷片与硅芯片的热膨胀问题跟硅油和不锈钢比起来可以忽略不计。因此,在仿真计算中,可以认为陶瓷片与芯片固结在腔体底面,只是跟随腔体底面的位置而改变,其本身不发生热膨胀。所以,在进行仿真计算中可以只考虑硅油、壳体基座与波纹片之间的相互膨胀问题。根据充油油腔实际的充油量,等效建立油腔与硅油的理论结构,从而建立壳体基座与硅油的理论模型。如图3~图5所示。