Parylene封裝對(duì)MEMS聲學(xué)傳感器性能的影響研究

吳鵬程，曾懷望，李 鑫，安 興，朱 鑫，易擁潔，黃湘俊，邸 嘯

(聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司，重慶 401332)

0 引言

采用AlN為壓電薄膜的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)水聽器易與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，近年來被廣泛研究[1]。但該水聽器靈敏度較低,體積較大，常采用摻Sc的方式來提高AlN的壓電系數(shù)[2]，進(jìn)而解決了器件靈敏度低的問題。與傳統(tǒng)的水聽器一樣，MEMS器件的水密封裝大多采用傳統(tǒng)灌注封裝技術(shù)[3]，因此，水聽器的成品體積受制于灌注工藝和灌注模具尺寸，涂覆層厚度一般均超過2 mm，弱化了MEMS自身體積小的優(yōu)點(diǎn)，影響其小型化應(yīng)用。

Parylene是一種新型敷形涂層材料，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的不同，可分為N型(聚對(duì)二甲苯)、C型(聚一氯對(duì)二甲苯)、D型(聚二氯對(duì)二甲苯)等類型。由于該材料具有極其優(yōu)良的電絕緣性能、耐熱性、水密性和化學(xué)穩(wěn)定性，故被廣泛應(yīng)用于印制電路組件和元器件、MEMS及傳感器等器件的電絕緣介質(zhì)、保護(hù)性涂料和包封材料。采用真空熱解氣相堆積工藝制成厚度0.1～100 μm的薄膜涂層，為元件在水環(huán)境下提供了一層優(yōu)質(zhì)完整、抗?jié)B透及電絕緣的防護(hù)膜，故被應(yīng)用于矢量水聽器的水密封裝[4]。采用Parylene-C對(duì)MEMS聲學(xué)傳感器進(jìn)行水密封裝，可以得到體積小，保型性及水密性好的Sc-AlN聲學(xué)傳感器，但Parylene-C封裝對(duì)Sc-AlN聲學(xué)傳感器的性能影響較大，本文將對(duì)這些影響進(jìn)行研究。

1 Parylene封裝器件的制備與測(cè)試

1.1 Parylene封裝器件的制備

封裝器件的制備流程如圖1所示。采用MEMS工藝制備5×5陣列的摻鈧氮化鋁(Sc-AlN)傳感芯片(見圖2)，然后將傳感芯片與調(diào)理電路連接得到傳感器件(見圖3)，最后通過Parylene-C真空氣相涂覆對(duì)傳感器件進(jìn)行封裝，得到封裝器件。其中Parylene-C封裝膜厚為12 μm，楊氏模量為3.2 GPa，密度為1 289 kg/m3，相對(duì)介電常數(shù)為3.1，吸濕性@50%為0.06%[5]。

1.2 諧振測(cè)試

采用Polytec公司的MSA-600顯微式激光測(cè)振儀分別對(duì)傳感芯片、封裝器件進(jìn)行激光多普勒測(cè)速儀(LDV)測(cè)試，得到其諧振頻率、諧振頻率下的薄膜中心位移及振動(dòng)模態(tài)。

測(cè)試時(shí)將待測(cè)樣品固定在光學(xué)平臺(tái)的基座上，激光器發(fā)出的激光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)傳感芯片，調(diào)整光源位置，使需被測(cè)部位在屏幕上的成像最清晰。在上下電極間施加0.25 V的周期線性調(diào)頻脈沖(periodic chirp)信號(hào)，頻率掃描范圍為0.5～0.85 MHz，傅里葉譜線為51 200。測(cè)量并記錄薄膜中心點(diǎn)的位移。

利用MSA-600的多點(diǎn)掃描功能可以獲得待測(cè)樣品在給定頻率下的模態(tài)。將掃描頻率設(shè)置為待測(cè)樣品諧振頻率附近的某值，掃描信號(hào)改為正弦信號(hào)，其他測(cè)量參數(shù)不變。掃描區(qū)域由覆蓋整個(gè)振動(dòng)薄膜的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)組成，測(cè)量各個(gè)點(diǎn)在該頻率下的振動(dòng)模態(tài)。

1.3 靈敏度測(cè)試

由于傳感芯片產(chǎn)生的電信號(hào)過小，需采用調(diào)理電路放大后才能進(jìn)行信號(hào)的有效采集。在內(nèi)部介質(zhì)為空氣的密閉腔中測(cè)試傳感器件與封裝器件的靈敏度，以表征其靈敏度性能。采用圖4所示的MEMSOUND公司的HVRU(Hydrophones Verification and Re-Calibration Unit)作為聲源裝置，500 Hz范圍內(nèi)測(cè)量誤差為±1 dB；MS0545-BW-1000示波器作為電信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)量誤差為1%。將傳感器件及封裝器件安裝于HVRU的校準(zhǔn)腔內(nèi)，并與電纜一端連接，電纜的另一端與示波器連接。

由于傳感器件或封裝器件測(cè)試時(shí)位于HVRU的密閉腔內(nèi)，且密閉腔內(nèi)的聲壓一致[6]，HVRU檢測(cè)并顯示的密閉腔聲壓值即為待測(cè)樣品所處環(huán)境的聲壓值。測(cè)試時(shí)，由HVRU產(chǎn)生一定頻率和幅值的聲信號(hào)，待測(cè)樣品的電壓信號(hào)通過電纜進(jìn)入示波器，示波器測(cè)量輸出的有效電壓值。根據(jù)HVRU測(cè)得的聲壓值P及示波器測(cè)得的有效電壓值Uo得到相應(yīng)頻率的聲壓靈敏度級(jí)：

(1)

式中Mr=1 V/μPa。聲壓靈敏度級(jí)的測(cè)量偏差ΔM=Δ(20lgUo)-Δ(20lgP)，故靈敏度級(jí)的測(cè)量偏差約為±1 dB。

2 仿真與理論分析

2.1 聲壓產(chǎn)生的電壓響應(yīng)仿真分析

為了研究Parylene-C封裝對(duì)傳感芯片性能的影響，對(duì)傳感芯片在Parylene-C封裝前后的力學(xué)與電學(xué)特性進(jìn)行了分析，然后通過壓電方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終得到在一定聲壓下傳感器芯片的電壓響應(yīng)。由于傳感芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文通過專用仿真軟件構(gòu)建傳感芯片結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，并用仿真計(jì)算的方法對(duì)傳感芯片的聲壓響應(yīng)進(jìn)行分析。

對(duì)Parylene-C封裝前后的傳感器模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，靠近空腔的底電極接地，得到其在垂直于傳感器表面1 000 Pa壓力作用下的電勢(shì)分布如圖6所示，其最大電勢(shì)分別為2.14×10-2V和1.17×10-2V。

綜上所述，傳感芯片在進(jìn)行Parylene-C封裝后，其電壓響應(yīng)與封裝前的電壓響應(yīng)比值R=(1.17×10-2)/(2.14×10-2)≈0.55。在進(jìn)行Parylene-C封裝后，傳感器件的聲壓靈敏度約為封裝前的55%。

2.2 等效機(jī)電圖

傳感器的等效電路模型將傳感器的機(jī)械與電學(xué)特性相結(jié)合，對(duì)其工作原理的理解、特性分析以及設(shè)計(jì)優(yōu)化均有重大幫助。忽略壓電材料的介質(zhì)損失，不考慮聲學(xué)域時(shí)，壓電MEMS聲學(xué)傳感器的等效電路模型[7]如圖7所示。圖中Vin、C0、Cm、Rm、Lm、η分別為傳感器的輸入電壓、靜態(tài)電容、等效柔順性、機(jī)械摩擦阻、等效質(zhì)量、機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

當(dāng)采用電學(xué)激勵(lì)產(chǎn)生輻射聲波時(shí)，假設(shè)Rs、Ls分別為傳感器的輻射聲阻、輻射聲抗，其等效電路模型[7]如圖8所示。

(2)

機(jī)械諧振時(shí)：

(3)

(4)

則諧振振幅為

(5)

當(dāng)傳感器在接收狀態(tài)工作時(shí)，外力作用為

F=υPfS

(6)

式中：υ為聲場(chǎng)的畸變系數(shù)；Pf為聲壓；S為傳感器感應(yīng)面積。其等效電路模型如圖9所示。

此時(shí)，傳感器的振速為

(7)

(8)

則接收電壓靈敏度為

(9)

當(dāng)聲學(xué)傳感器在遠(yuǎn)離其諧振頻率的低頻狀態(tài)(10～10 000 Hz)下工作時(shí)，其靈敏度[8]可簡(jiǎn)化為

(10)

將式(6)代入式(10)，則：

(11)

令:

(12)

則:

(13)

式中Krt為接收發(fā)射轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由文獻(xiàn)[7]可知，Rs、υ、S、Lm、Ls、Cm、C0、η僅與傳感器結(jié)構(gòu)、各層材料的材料屬性相關(guān)，而Rm與傳感器結(jié)構(gòu)、材料和輸入信號(hào)有關(guān)。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)、各層材料和輸入信號(hào)相近時(shí)，可以近似認(rèn)為Krt為常數(shù)。因?yàn)镵rt是一個(gè)將傳感器在發(fā)射以及接收狀態(tài)時(shí)的性能相關(guān)聯(lián)的系數(shù)，故稱Krt為接收發(fā)射轉(zhuǎn)換系數(shù)，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換系數(shù)。由式(13)可以看出，當(dāng)傳感器在發(fā)射狀態(tài)且Vin與umax一定時(shí)，Krt越大，傳感器在接收狀態(tài)時(shí)的低頻接收靈敏度M越大；反之，Krt越小，則M越小。因此，轉(zhuǎn)換系數(shù)Krt可用來衡量傳感器由發(fā)射轉(zhuǎn)換為接收時(shí)感應(yīng)聲信號(hào)能力的強(qiáng)弱，即轉(zhuǎn)換性能的好壞。若Krt為常數(shù)，發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓Vin一定，諧振時(shí)振幅與器件的低頻接收靈敏度正相關(guān)。通過測(cè)量封裝器件各個(gè)傳感單元在諧振頻率的振動(dòng)幅值可預(yù)估傳感器聲壓靈敏度，也可通過測(cè)量器件的聲壓靈敏度預(yù)估封裝器件各個(gè)傳感單元在諧振頻率的振動(dòng)幅值，從而減少了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3 結(jié)果與討論

3.1 振動(dòng)幅值分析

采用1.2節(jié)所述方法，通過LDV對(duì)傳感芯片的某個(gè)傳感單元施加周期線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，得到其諧振頻率及在該頻率下的振動(dòng)位移，如圖10(a)所示。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，對(duì)所有傳感單元進(jìn)行測(cè)量得到各個(gè)單元在各自諧振頻率下的最大振幅(簡(jiǎn)稱諧振峰幅值或諧振振幅)，如圖11(a)所示，各個(gè)單元諧振峰幅值的均值為159.68 pm，標(biāo)準(zhǔn)差為20.99 pm。

將該傳感器件進(jìn)行厚12 μm的Parylene-C封裝，同樣對(duì)封裝器件進(jìn)行上述測(cè)量，得到某個(gè)傳感單元的諧振頻率及在該頻率下的振動(dòng)位移，如圖10(b)所示。圖11(b)為各個(gè)單元諧振峰的幅值。各個(gè)單元諧振峰幅值的均值為77.68 pm，標(biāo)準(zhǔn)差為14.85 pm。

由圖11可知，對(duì)器件進(jìn)行Parylene-C封裝后，器件結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，每個(gè)傳感單元的諧振峰幅值均有不同程度下降，各個(gè)單元諧振峰幅值的均值減小為傳感器件的48%。

3.2 振型分析

采用1.2節(jié)所述方法，待測(cè)樣品的測(cè)試頻率設(shè)置為諧振頻率附近的某個(gè)值，掃描信號(hào)為正弦信號(hào)。通過LDV的多點(diǎn)掃描功能測(cè)量傳感芯片、封裝器件內(nèi)各個(gè)傳感單元的振動(dòng)模態(tài)，結(jié)果如圖12所示。

3.3 接收靈敏度分析

傳感芯片產(chǎn)生的電信號(hào)過小，不能直接進(jìn)行靈敏度測(cè)試，本文只對(duì)連接了具有100倍放大功能電路的傳感器件與封裝器件進(jìn)行靈敏度測(cè)試。采用1.3節(jié)所述方法，對(duì)傳感器件的聲壓靈敏度級(jí)以及靈敏度頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖13所示。由圖13(b)可見，傳感器件在215 Hz時(shí)的聲壓靈敏度為3.04×10-9V/μPa，則聲壓靈敏度級(jí)M=20lg(3.04×10-9)≈-170.34 dB(ref.1 V/μPa)。由圖13(a)可以看出，在頻率10～500 Hz時(shí)的聲壓靈敏度級(jí)較均勻，平均聲壓靈敏度級(jí)約為-173.25 dB(ref.1 V/μPa)。

對(duì)封裝器件的聲壓靈敏度級(jí)及靈敏度頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖14所示。由圖14(b)可以看出，在215 Hz時(shí)封裝器件的聲壓靈敏度為1.28×10-9V/μPa，則聲壓靈敏度級(jí)M=20lg(1.28×10-9)≈-177.86 dB(ref.1 V/μPa)。由圖14(a)可見，在10～500 Hz時(shí)封裝器件的聲壓靈敏度級(jí)較均勻，平均聲壓靈敏度級(jí)約為-180.81 dB(ref.1 V/μPa)。Parylene-C封裝使器件的聲壓靈敏度下降7.56 dB，約為封裝前的42%。

比較振動(dòng)幅值與接收靈敏度的分析結(jié)果可知，傳感器件進(jìn)行Parylene-C封裝后，各個(gè)傳感單元在諧振頻率處的振幅均值與聲壓靈敏度均出現(xiàn)下降，分別為封裝前的48%、42%，兩者幅度接近。由式(13)可知，采用厚12 μm的Parylene-C薄膜進(jìn)行封裝后，器件的接收發(fā)射轉(zhuǎn)換系數(shù)Krt由3.41×106V2/(Pa·m)變?yōu)?.93×106V2/(Pa·m)，變化較小，可被近似認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。因此，通過測(cè)量封裝器件在諧振頻率處的振幅均值可預(yù)估傳感器聲壓靈敏度，也可通過測(cè)量器件的聲壓靈敏度預(yù)估封裝器件在諧振頻率處的振幅均值。據(jù)此推斷，相同設(shè)計(jì)與工藝的器件，因其Krt近似相等，故也可用此方法進(jìn)行聲壓靈敏度與諧振振幅均值的快速篩選，從而減少實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高實(shí)驗(yàn)效率。

4 結(jié)束語

本文通過有限元仿真分析了封裝前后模型低頻靈敏度的變化，理論推導(dǎo)了傳感器在接收和發(fā)射時(shí)的等效電路參數(shù)及其內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)器件的低頻接收靈敏度、諧振振幅與激勵(lì)電壓可通過接收發(fā)射轉(zhuǎn)換系數(shù)Krt相關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Parylene-C封裝前后的Krt近似為常數(shù)，通過測(cè)量振幅均值的降幅可以得到靈敏度的下降值，且采用實(shí)測(cè)振幅均值方式比采用仿真方式預(yù)估器件靈敏度的降幅更準(zhǔn)確。同理，相同設(shè)計(jì)與工藝的器件因其Krt近似相等，測(cè)量諧振振幅均值可預(yù)估器件的低頻聲壓靈敏度，測(cè)量低頻聲壓靈敏度可預(yù)估器件的諧振振幅均值。采用上述方法對(duì)器件進(jìn)行快速篩選，可以減少實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，且提高了實(shí)驗(yàn)效率。