基于MEMS微镜角度反馈的新型封装应力隔离结构

在MEMS器件的封装结构中，芯片利用粘接剂和封装基底固定，其剖面如图1（序号1、2分别表示芯片材料硅和封装衬底铝）。由于粘接材料的存在，将整个装配体分成了两个部分，一个是芯片（Si）-粘接剂-基底，称为粘接区域，另一部分是非粘接部分，称为悬空区域。由于结构的不同，温度变化时产生的热应力也有所区别，应分别讨论。最终，在粘接区域末端的热致应力为两个区域热应力的代数和^［10］。

图1  MEMS器件封装示意

Fig.1  View of MEMS biomaterial assembly

在粘接区域产生的热致应力和形变位移表示为

式中，h为材料厚度，λ为材料的轴向柔度，κ为材料的界面柔度，l为粘接区域长度的一半， Δα为芯片材料和基底材料热膨胀系数的差，Δt为温度的变化量。

在悬空区域产生的致应力和形变位移表示为

式中，L为悬空区域长度的一半。

根据提出的理论模型，计算芯片的形变位移随温度的变化趋势，如图2所示。MEMS芯片的轴向形变随温度变化量的增加而增加，加大芯片表面的应力，进而影响MEMS器件的特性。当温度达到100℃时，微镜芯片的轴向形变可以达到12 μm。

图2  MEMS器件的形变量和温度的关系

Fig. 2  The calculated displacement of chip deformation

压阻效应可以用矩阵来描述^［17-19］

式中，Δρi为应力引起的电阻率变化量，ρ0为初始电阻率，[π]为压阻系数，σi为用列向量表示的应力分量，i=1,2,3时，表示的是轴向应力，i=4,5,6时，表示的是三个不同剪切面上的切应力。特殊的，由于单晶硅的对称结构，在晶胞坐标系下，式（5）可简化为

在实际的MEMS压阻器件中，压阻薄膜一般比较薄，且只考虑电阻率长度方向的电场分量，因此在应力作用下电阻率和电阻的相对变化率可表示为

在压阻角度传感器的实际排布中，长条型的压阻并不是严格按照晶胞坐标系下排布的，如图3。式（7）中的上标表示压阻系数和应力向量在实际应用场景坐标系x'−y'下的值，和原坐标系下的关系可以由矩阵变换来得到

其中变换矩阵T为

l,m,n为旋转坐标系的方向角

设压阻系数的旋转角为γ，x'−y'坐标系下的压阻系数为

设应力向量的旋转角为β，x'−y'坐标系下的应力向量为

带入式（7）可以得到电阻变化率在应力作用下的相对变化量随应力的表达式，即

如图3所示，根据压阻角度传感器的电阻排列方式，结合<100>硅片表面的晶向排布可以得到γ=0，进一步有

带入到惠斯通电桥的输出表达式中得到压阻角度传感器输出信号应当是关于轴向应力σ1、σ2和剪应力σ6的函数表达式，即

MEMS微镜镜面绕轴扭转时，压阻传感器响应轴端处的剪应力σ6，输出角度信号，转角越大，剪应力越大，进而输出信号越大。当芯片因为封装热应力发生轴向形变时，在压阻区域不可避免地产生轴向应力即σ1和σ2，导致角度信号产生漂移，降低反馈信号的精度。

图3  压阻角度传感器坐标位置

Fig.3  Piezoresistor coordinate and integration path

提出的MEMS微镜结构和封装如图4所示，图4（a）展示的是微镜的封装结构，包括金属固定件、导磁薄片、微镜芯片和一对永磁体。其中金属固定件包括铝制的封装底盘、固定管壳、保护上盖，用来固定永磁铁并为芯片提供保护。两块永磁铁相对组装，为微镜的驱动提供平行于镜面的外部磁场。图4（b）为MEMS微镜芯片的俯视图，镜面通过扭转轴和线圈框相连，实现水平方向扭转，线圈框通过另一组扭转轴实现竖直方向的扭转。在两组扭转轴的轴端分别集成了一组压阻角度传感器，当驱动线圈通电后，产生洛伦兹力，驱动微镜运动，扭转轴的形变导致压阻角度传感器受到外力作用激发相应的角度信号。在微镜芯片的四个边角处，以刻蚀的方式释放有弹簧状的应力隔离结构，单个弹簧的弹性系数为

式中，b为弹簧宽度，l为弹簧的纵向长度，t为芯片厚度。当微镜因为热致应力产生轴向形变时，应力隔离结构可以有效缓解芯片上的应力分布，尤其是扭转轴处的轴向应力，进而减小压阻角度传感器在变温环境下的误差。

图4  MEMS微镜的封装和芯片结构示意

Fig.4  View of packaging of MEMS micromirror and micromirror in details

如图5所示，MEMS微镜的加工工艺总体分为压阻角度传感器制备、驱动线圈制备和微镜结构刻蚀。步骤5（a）、5（d）为压阻角度传感器的制备，在准备好的SOI片上，热氧化形成200 nm氧化硅，作为离子注入的掩膜（图5（a））；接下来利用HF∶NH₄F配比为7∶1的缓冲氢氧化物刻蚀液（Buffer Oxide Etch，BOE）刻蚀出压阻图形，即离子注入的窗口（图5（b））；离子注入机以7°倾角注入磷离子，并在氮气氛围中1 000 ℃退火30 min，以消除离子注入后产生的缺陷等，并利用四探针电阻测量仪测试退火后的方阻，确认掺杂离子的激活（图5（c））；磁控溅射30 nmTi和200 nm的Au并结合IBE刻蚀形成电极和引线，利用快速退火技术在350 ℃环境中退火20 min，使压阻区域和金属引线形成良好欧姆接触（图5（d））。步骤5（e）-5（f）为驱动线圈的制备，利用PECVD技术在表面生长氧化硅，高度完全覆盖已有金属作为绝缘层，再利用RIE刻蚀出金属互联窗口，保证电极和驱动线圈良好的电气连接（图5（e））；磁控溅射沉积表面金属作为种子层，在此基础上电镀形成驱动线圈（图5（f））。步骤5（g）、5（h）为芯片结构的刻蚀，正面深硅刻蚀和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etch，RIE）刻出微镜的表面形貌，并和玻璃片临时键合（图5（g））；再利用背面深硅刻蚀技术释放结构，最终解键合得到微镜芯片（图5（h））。微镜芯片、应力隔离结构以及压阻角度传感器如图6所示。

图5  MEMS微镜工艺流程

Fig. 5  Fabrication process of the proposed micromirror

图6  制备的MEMS微镜芯片

Fig. 6  Photographs of the fabricated MEMS mirror chip

在此项测试中，使用封装胶水将制作的测试器件粘接在可移动装置上，固定点为四个边角区域，通过可动零件的移动施加单轴的形变位移，实验设备如图7所示。信号传输方面，利用引线机将微镜芯片上的电极引接到软排线上，用来施加微镜驱动信号和接收角度传感信号。可移动装置的下半部为永磁铁，为微镜驱动提供恒定磁场。上半部分为固定件和移动件，微镜芯片左侧两个固定点粘接在固定件上，右侧两个固定点粘接在移动件上，移动件连接在手动直线滑台上，滑台附有分厘卡可以测量移动的位移大小。根据理论计算，位移变化范围确定为轴向拉伸和压缩12 μm用来模拟热致应力下，芯片受到的轴向形变。角度传感器的供电端通过源表提供+5 V电压，传感器输出信号为两路差分信号，分别连接数据采集卡，并接收至PC上位机显示存储。微镜的驱动信号由信号发生器提供正弦信号，使慢轴工作在谐振状态，改变驱动幅值，控制微镜偏转角。微镜偏转角的测量通过外置激光器投射在反射镜面上，测量投影光线的长度换算得到微镜的光学转角。测试内容是微镜转角在10°~20°范围内压阻角度传感器的输出幅值，比较在不同形变条件下的误差信号和灵敏度。

图7  测试设备

Fig. 7  Test setup

图8（a）、（b）分别表示传统结构的微镜芯片和具有应力隔离结构的微镜芯片在轴向形变作用下，压阻角度传感器在+5 V供电的响应特性。传统结构芯片受到轴向形变作用时，其角度传感器的输出表现出了明显的漂移，当轴向位移为拉伸12 μm时，压阻角度传感器的平均误差信号为8.16 mV，轴向位移为压缩12 μm时，相同转角下的平均误差信号是9.94 mV。而具有应力隔离结构的芯片，在受到相同拉伸作用时，其传感器的输出信号漂移则明显缓解——拉伸12 μm的轴向位移下，平均误差信号为3.33 mV；压缩12 μm的轴向位移下，平均误差信号为3.37 mV。图8（a）、（b）中的插图分别表示两种结构在不同拉伸状况下，角度传感器的灵敏度变化。对于传统结构的芯片，随着拉伸量的增加，输出信号的灵敏度逐渐降低，从压缩12 μm时的20.16 mV/°，减小到拉伸12 μm的19.22 mV/°，变化幅度为0.94 mV/°；而在应力隔离结构的释放作用下，压阻角度传感器的灵敏度则表现出明显的收敛，压缩12 μm时为19.67 mV/°，拉伸12 μm时为19.37 mV/°，变化幅度仅为0.3 mV/°。

图8  压阻角度传感器的输出特性

Fig. 8  Output of piezoresistive angle sensor

实验证明，应力隔离结构对封装热应力起到明显的隔离作用，对于机械可靠性的影响还需要进行探究。分别对有应力隔离结构的微镜芯片和传统微镜芯片进行机械冲击和振动测试，结果表明传统结构的微镜可以承受的最大加速度冲击为993g，而带有应力隔离结构的芯片可以承受的最大加速度冲击为1 210g。在抗冲击性能上，相比传统的微镜芯片，改进结构是有所提升的。将器件安装在振动台上进行测试，振动加速度幅值为20g，扫描频率在20~2 000 Hz，检测时间为1 h，两种结构的芯片均通过了抗振动测试要求。