基于圆片级阳极键合封装的高g_n值压阻式微加速度计
高灵敏度低频光学加速度计的设计
新技术新仪器2023年第43卷 第2期高灵敏度低频光学加速度计的设计李瑞君*，雷英俊，范光照（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）摘 要：在结构健康监测、地震监测和航空航天等领域，需要准确测量频率低于10 Hz 和振幅小于1 mm 的低频微振动，对应的加速度在mg ~ μg 量级。
现有商用加速度计的灵敏度多低于0.5 V/g ，无法满足要求，故开展了高灵敏度低频光学加速度计的研究。
基于加速度计的测量原理，通过理论建模确定了低频加速度计设计相关的技术要求，采用簧片和柔性铰链作为弹性元件，搭配使用单质量块和多质量块，构建了一维、二维和三维弹性机构；基于像散、激光三角法和激光自准直等高精度光学传感原理，设计了高灵敏度的光学传感系统；最终完成了一维、二维和三维低频光学加速度计的设计，并通过实验验证了所设计加速度计的性能，其灵敏度均优于9 V/g ，分辨力均优于1 mg ，可以用于低频微振动的测量。
关键词：光学加速度计；低频；高灵敏度中图分类号：TB96；TH824+.4 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）02-0044-13Design of high⁃sensitivity low⁃frequency optical accelerometerLI Ruijun *, LEI Yingjun, FAN Kuangchao(Scool of Instrument Science and Opto⁃electronics Engineering Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: In the fields of structural health monitoring, seismic monitoring, and aerospace, low⁃frequency micro⁃vi⁃brations with frequencies below 10 Hz and amplitude less than 1 mm need to be measured accurately. The acceleration values of low⁃frequency micro⁃vibrations are on the order of mg ~ μg, while the sensitivity of existing commercial acceler⁃ometers is mostly below 0.5 V/g, which can no longer meet the requirements. In this paper, high⁃sensitivity low⁃frequency optical accelerometers is carried out. Based on the sensing principle of accelerometers, the technical requirements related to the design of low⁃frequency accelerometers are determined through theoretical modeling, and one⁃dimensional (1D), two ⁃dimensional (2D), and three ⁃dimensional (3D) elastic mechanisms are constructed by using leaf springs and flexiblehinges as elastic elements with single and multiple seismic masses; based on high ⁃precision optical sensing principles such as the principle of image dispersion, laser triangulation, and laser auto⁃collimation, a high⁃sensitivity optical sensingsystem is designed. 1D, 2D and 3D low⁃frequency optical accelerometers have been designed and their performance has been verified by experiments, with sensitivity better than 9 V/g and resolution better than 1 mg, which can be used for low⁃frequency micro⁃vibration measurements.Key words: optical accelerometer; low frequency; high sensitivitydoi ：10.11823/j.issn.1674-5795.2023.02.06收稿日期：2023-01-06；修回日期：2023-02-15基金项目：国家自然科学基金面上项目（52175506）引用格式：李瑞君，雷英俊，范光照. 高灵敏度低频光学加速度计的设计［J ］. 计测技术，2023，43（2）：44-56.Citation ：LI R J ， LEI Y J ， FAN K C. Design of high⁃sensitivity low⁃frequency optical accelerometer ［J ］. Me⁃trology & measurement technology ， 2023， 43（2）：44-56.··44计测技术新技术新仪器0 引言低频微振动特性的研究在精密检测、精密加工、设备故障诊断和地质勘探等领域具有重要意义。
MEMS封装技术
由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性 有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应 用于少数的MEMS产品。
典型MEMS 微系统封装示例
多批自组装流程图
自组装结果 LED与衬底的电学装配集成
MEMS芯片级封装技术
概述 MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供
必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统 的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击 的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功 能。
该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片 级封装(wafer level package) 。圆片级封装一次可以 同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS 前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中 的热点。
通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙 度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对 电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合 大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。
硅片熔融键合
(2)阳极键合(anodic bonding)
又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导 体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和 稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃 接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。
芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系 统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不 同领域设计人员之间的协同。
由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达 到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工 艺设计、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式 以及操作方法都提出了非常严格的要求。
工程化硅微谐振加速度计设计与实现
工程化硅微谐振加速度计设计与实现
高乃坤;刘福民;徐杰;高适萱;王学锋;阚宝玺
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2024(43)4
【摘要】提出一种基于MEMS敏感结构芯片与专用集成电路芯片(ASIC)集成封装的硅微谐振加速度计设计方案。
敏感结构主要包括敏感质量块、一级微杠杆放大结构和双端固定音叉谐振器。
整体结构采用左右差分对称布局,实现器件高灵敏度。
敏感结构芯片基于全硅晶圆级封装工艺,实现敏感结构芯片的低应力与批量化加工。
敏感结构芯片与ASIC芯片采用堆叠式集成封装,实现器件的小型化与低功耗。
所设计加速度计的谐振频率约为18.2 kHz,量程为±20 g_(n),标度因数为216 Hz/g_(n),标度因数稳定性为5×10^(-6),零偏稳定性为6.5μg_(n)(1σ,10 s)。
所提方案实现
了器件的小型化、低功耗与集成化。
【总页数】4页(P112-114)
【作者】高乃坤;刘福民;徐杰;高适萱;王学锋;阚宝玺
【作者单位】北京航天控制仪器研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP212;TH89
【相关文献】
1.小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试
2.高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现
3.基于FPGA的高精度硅微谐振加速度计数据采集与参数补偿系统设
计与实现4.硅微谐振加速度计高精度相位闭环控制系统设计与实现5.一种差分杠杆结构的硅微谐振加速度计设计与实现
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基于片上工艺的MOEMS光强差分测量加速度计研究
基于片上工艺的MOEMS光强差分测量加速度计研究薛国芳;张培彦【摘要】论证了一种基于SOI(Silicon On Insulator)片上工艺的,通过光强差分测量加速度的微光机电系统(MOEMS)加速度计.器件主要结构为较大悬浮质量块对称两端加工出两面V型反射镜.系统整个微机械结构在细直弹性梁支撑下,因受惯性力作用V型镜发生位移改变,从而将引入系统中的光信号进行差分反射.最后,通过外部光电探测器测量出各通路光纤的光强信号来测算加速度值.片上微加工所得的器件经实验测量得到了:7.77×10-2μm的结构灵敏度,1.38 kHz谐振频率,3.73 mV/gn 器件灵敏度和0.987的线性度.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】6页(P1130-1135)【关键词】微光机电系统(MOEMS);光强差分测量;加速度计【作者】薛国芳;张培彦【作者单位】北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;郑州旅游职业学院机电工程系,郑州450009;北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191【正文语种】中文【中图分类】O657.3近年来,高性能集成加速度传感器得到了大力发展。
基于各种检测原理的加速度传感器,如电容式[1-5]、压阻式[6]、压电式[7]和光学型[8-15]被广泛用于汽车[16],航空航天[17]和消费电子产品[18]等领域。
压阻式与电容式传感器虽然技术成熟,应用广泛,但是热稳定性,以及恶劣环境中抗电磁干扰能力等劣势在原理上严重制约了传感器的性能,而光学加速度计由于自身以光信号为检测信号,在高灵敏测量以及抗电磁干扰上有较为明显的优势。
集成片上光学加速度计是一种基于微机电系统(MEMS)工艺的片上系统,通常也被称为微光机电系统(MOEMS)。
它主要利用光弹性效应[8]、波长调制[9-11]、强度调制[12-13],相位调制[14]等手段,通过检测惯性系统内悬浮质量块的位移变化,使之转化为光学量的变化,从而实现对加速度的测量。
圆片级叠层键合技术在SOI高温压力传感器中的应用
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies ）2019年第38卷第2期檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠应用技术DOI ：10．13873/J．1000—9787（2019）02—0154—03圆片级叠层键合技术在SOI 高温压力传感器中的应用齐虹1，丁文波1，张松2，张林超1，田雷1，吴佐飞1（1．中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨150001；2．火箭军驻哈尔滨地区军事代表室，黑龙江哈尔滨150001）摘要：针对绝缘体上硅（SOI ）异质异构结构特点，提出了两次对准和两次阳极键合工艺方法，实现了圆片级SOI 高温压力传感器硅敏感芯片的叠层键合。
采用玻璃—硅—玻璃三层结构的SOI 压力芯片具有良好的密封性和键合强度。
经测试结果表明：SOI 高温压力传感器芯片键合界面均匀平整无缺陷，漏率低于5ˑ10－9Pa ·m 3/s ，键合强度大于3MPa 。
对芯片进行无引线封装，在500ħ下测试得出传感器总精度小于0．5%FS 。
关键词：叠层键合；绝缘体上硅；高温压力传感器；异质异构中图分类号：TP 212．1文献标识码：A文章编号：1000—9787（2019）02—0154—03Application of wafer-level laminated bondingtechnology in SOI high-temperature pressure sensorQI Hong 1，DING Wen-bo 1，ZHANG Song 2，ZHANG Lin-chao 1，TIAN Lei 1，WU Zuo-fei 1（1．The 49th Ｒesearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation ，Harbin 150001，China ；2．Military Ｒepresentative Office of the Ｒocket Army at Harbin ，Harbin 150001，China ）Abstract ：Aiming at the heterogeneous structural characteristics of silicon on insulator （SOI ），a technique of twice alignment and twice anode bonding is proposed ，to achieve laminated bonding of silicon sensitive chip of wafer-level SOI high temperature pressure sensor．SOI pressure chip with three-layer structure of glass-silicon-glass has good sealing and bonding strength．After testing ，bonding interface of SOI high temperature pressure sensor chip is uniform ，formation without defects ，leak rate is below 5ˑ10－9Pa ·m 3/s ，bonding strength is over 3MPa．And the chip is packaged without lead ，it is obtained by test that the total precision of the sensor is less than 0．5%FS in 500ħ．Keywords ：laminated bonding ；silicon on insulator （SOI ）；high temperature pressure sensor ；heterogeneous structural引言圆片级键合技术在微机械加工中广泛应用，它可以将相同的或不同的衬底，通过机械或电作用永久地连结成一体。
圆片键合方法研究进展
摘要:本文将圆片键合的各种方法分为三类：无中介层键合、有中介层键合、低温键合。
并对其优缺点及各种改进方法进行了分析，为圆片级键合的应用和设计提供了可靠思路。
关键词:阳极键合熔融键合共晶键合黏着键合玻璃浆料键合热压键合1概述键合是半导体制造过程中一种不可或缺的技术，绝大多数电子产品的材料、结构间机械及电气的连接都会用到键合技术。
它是把两片完整的圆片，包括裸片及已经制备好的器件，通过直接或间接的方法形成良好接触的一种半导体制造技术[1]。
圆片键合是一种把大尺寸圆片材料一次性集成在一起的新兴微电子制造技术，在IC、微机电系统和封装中的应用日益广泛。
圆片键合方法按照有没有中介层可以分为两类：有中介层键合方法及无中介层键合方法。
其中有中介层键合方法包括黏着键合、共晶键合、玻璃浆料键合及热压键合四种。
无中介层键合方法包括静电键合/阳极键合和圆片熔融键合/直接键合；若按照温度高低可分为高温键合及低温键合两类。
2有中介层键合2.1共晶键合共晶键合是让两种金属熔合为合金并固化，且使其重新凝固后的混合物能形成晶体结构。
常用于共晶键合的金属材料有AuSn、AuSi、CuSn、AuGe及AlGe等。
共晶键合过程中，基片上的金属层在特定温度下相互熔合。
合金温度决定了合金的沉积量或金属层厚度。
金属材料熔化会使金属层在结合面处加速混合及消耗，并且金属可以形成流体状态从而能使其界面上的区域平坦化。
最终能在界面处形成一个稳定的熔融金相。
该方法的优点是对键合表面的平整度、形貌和洁净度的要求不高，即使在表面起伏较大甚至存在颗粒的情况下，也可以形成良好键合。
陈继超等人利用银锡共晶键合技术实现了MEMS压力传感器的气密封装。
他们对Ag-Sn共晶键合工艺中3个参数：加热温度、加热时间和静载荷大小做了对比实验与分析。
实验结果表明，温度为230℃、加热时间为15min、静载荷为0.0039MPa~0.0078MPa时都能达到较好效果[2]。
2.2黏着键合黏着键合是使用黏合剂将圆片键合的一种技术。
微电子封装
晶圆：由普通硅砂熔炼提纯拉制成硅柱后切成的单晶硅薄片微电子封装技术特点：1：向高密度及高I/O引脚数发展，引脚由四边引出趋向面阵引出发展2：向表面组装示封装(SMP)发展,以适应表面贴装（SMT）技术及生产要求3：向高频率及大功率封装发展4：从陶瓷封装向塑料封装发展5：从单芯片封装（SCP）向多芯片封装（MCP）发展6：从只注重发展IC芯片到先发展封装技术再发展IC芯片技术技术微电子封装的定义：是指用某种材料座位外壳安防、固定和密封半导体继承电路芯片，并用导体做引脚将芯片上的接点引出外壳狭义的电子封装技术定义：是指利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。
（最基本的）广义的电子封装技术定义：是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为能适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术。
（功能性的）微电子封装的功能：1：提供机械支撑及环境保护；2：提供电流通路；3：提供信号的输入和输出通路；4：提供热通路。
微电子封装的要点：1：电源分配；2：信号分配;3：机械支撑；4：散热通道；5：环境保护。
零级封装：是指半导体基片上的集成电路元件、器件、线路；更确切地应该叫未加封装的裸芯片。
一级封装：是指采用合适的材料（金属、陶瓷或塑料）将一个或多个集成电路芯片及它们的组合进行封装，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用引线键合（wire bonding,WB）、载带自动焊（tape automated bonding,TAB）、倒装片键合（flip chip bonding，FCB）三种互联技术连接，使其成为具有实际功能的电子元器件或组件。
二级封装技术：实际上是一种多芯片和多元件的组装，即各种以及封装后的集成电路芯片、微电子产品、以及何种类型元器件一同安装在印刷电路板或其他基板上。
一种MEMS器件圆片级真空封装技术
封环 的设计 ， 包括真 空外 密封环和 压焊 点密封 环 ； 是金 属 电极 的引 出 ， 二 即通过硅 柱 的设 计 ， 到 电气隔 起 离和 高真 空密封 的作 用。为 Ｍ ＭＳ真 空封装 提供 了一条 有效 的技 术途 径 。 Ｅ
本 文 介绍 了一 一种 ＭＥ ＭＳ器件 圆 片级 真 空 封
装 技术 、 该技 术 关 键 在 于 Ｍ ＭＳ器 件 圆 片级 真 Ｅ 空 封装 的结构 设 计 。通过 硅 柱 、 封环 及 硅 帽有 密
ＭＥ Ｓ器 件 圆片级 的真 空封装 是指 芯 片与封 装 之 Ｍ 间的连接 等 所有封 装 ： ， ［序 全部 都 是 以硅 圆 片为 单位进 行操作 ， 与单 芯片相 比， 大节省 了封装 的 大
采 用某 些 材 料 封装 时 会产 生湿 度 和有 机 气 体 ， 导致 器 件 的粘 连 、 损和 腐蚀 ， 采 取相 应 将 磨 应
的处理措 施 。某 些 ＭＥ ＭＳ器 件 的工 作 环 境 是 气
体、 液体 或透 光 的环 境 ， Ｅ Ｓ封装 就 必须 构成 稳 Ｍ Ｍ 定 的环境 ， 能使 气 体 、 体稳 定 流动 ， 光纤 输 并 液 使 人 低损耗 ， 精度对 位 的特性等 。 高 正是 由于 Ｍ ＭＳ封 装 有更 多 的特殊 性 ， 得 Ｅ 使
第３ ０卷第 ３期
２１ ０ ２年 ９月
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种 ＭＥ ＭＳ器 件 圆 片 级 真 空 封 装 技 术
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传感器与微系统
第 32 卷
如图 1 所示，本研究的封装对象是典型的悬臂梁加质 量块结构的高 gn 值压阻式微加速度计敏感芯片。其核心 部分是可动的，封装过程必须对可动结构加以密封保护，防 止异物进入影响梁和质量块的自由运动。由于高 gn 值压 阻式微加速度计在工作时需要供电，而且测得的信号还需 要输出，这些都必须通过制作在芯片上的焊盘来实现。因 此，在密封的同时还要确保焊盘不被覆盖，否则，后续的引 线键合工艺将无法进行。在“密封”的同时考虑“开放”，这 往往就成为封装工艺的难点之一。
Abstract： A novel wafer level package structure for high gn piezoresistive micro-accelerometer application is presented． Some breakthroughs of a lot of key techniques such as electrons path building，protection of the pad， precise scribing is achieved in chip micro-fabrication process． The glass-Si-glass （ GSG） triple stacks anodic bonding technology for the wafer level packaging is an effective way to solve some fabrication problems such as chip sealing performance，miniaturization and mass production． The high gn piezoresistive micro accelerometer prototype is fabricated in the 4 in MEMS production line，which has a very small dimension of 1mm × 1 mm × 0． 8 mm． The back to back impact test using the standard sensor shows that the piezoresistive micro-accelerometer prototype has anti-impact capability of 105 gn ，the sensitivity is 0． 151 2 μV / gn / V and the resonance frequency is 200 kHz． Key words： MEMS； wafer level package； micro-accelerometer； piezoresistive； anode bonding
高 gn 值压阻式微加速度计中既有传统 IC 中常见的元 素—电阻，又有力学传感器常见的梁、质量块等 可 动 结
构［7，8］。因此，同传统 IC 封装相比，高 gn 值压阻式微加速 度计的封装除满足引线连接、隔离外部环境以避免外界气 氛对其腐蚀或破坏外，更重要的作用还包括让外界信号能 够更真实地传递到敏感芯片上［9］，并提高传感器的抗冲击 能力，能够在恶劣的侵彻过程中具有良好性能等。因此，探 索有效且合适的封装成为高 gn 值压阻式微加速度计走向 应用的重要环节。 1 封装结构设计 1． 1 封装需要考虑的关键因素
中图分类号： TN 623； TP 212
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2013） 05—0111—03
High gn piezoresistive micro-accelerometer based on wafer level package using anode bonding*
摘 要： 设计了一种适合于高 gn 值压阻式微加速度计圆片级封装的结构，解决了芯片制造工艺过程中电
极通道建立、焊盘保护、精确划片等关键技术。采用玻璃—硅—玻璃三层阳极键芯片密封性、小型化和批量化等生产难题。在 4 in 生产线上制作的高 gn 值压阻式微加速度 计样品，尺寸仅为 1 mm × 1 mm × 0． 8 mm； 对传感器进行的校准与抗冲击性能测试，结果表明： 样品具备 105 gn 的抗冲击能力、0． 15 μV / gn / V 的灵敏度以及 200 kHz 的谐振频率。 关键词： 微机电系统； 圆片级封装； 微加速度计； 压阻； 阳极键合
YUAN Ming-quan，SUN Yuan-cheng，ZHANG Qian-mei，WU Rui，QU Ming-shan，XIONG Yan-li
（ Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）
0引言 同大多数 MEMS 器件实现从实验室阶段向产业化过
渡所面临的问题一样，高 gn 值压阻式微加速度计在技术上 主要的障碍之一就是封装［1～ 3］。
尽管目前 MEMS 产品越来越多，发展越来越快，但是 “封装”问题并没有得到研究机构足够的重视，致使大量的 产品构想陷入了困境，甚至失败，都是因为没有找到有效且 合适的封装方法。现今大多数 MEMS 产品的生产环节中， 封装往往是最昂贵的部分。封装的发展和应用将决定一个 MEMS 产品的成败［4～ 6］。
2013 年 第 32 卷 第 5 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
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基于圆片级阳极键合封装的高 gn 值压阻式微加速度计*
袁明权，孙远程，张茜梅，武 蕊，屈明山，熊艳丽
（ 中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900）
对于高 gn 值压阻式微加速度计敏感芯片来说，密封 性、小型化和批量化是重点考虑的关键因素。
1） 密封性
收稿日期： 2012—11—16 * 基金项目： 跨行业装备预先研究项目（ 51305050301） ； 中国工程物理研究院科学技术发展基金重点资助项目（ 2011A0403017） ； 中国工程物 理研究院科学技术发展基金重点资助项目（ 2010A0302013）