[發明專利]一種MEMS芯片微腔內部殘余壓力測量系統及方法

有效

• 申請號: 201310631974.5
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN103616124A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 江俊峰;劉鐵根;尹金德;劉琨;王雙;鄒盛亮;秦尊琪;吳振海
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

技術領域

本發明涉及于光纖傳感領域，特別是涉及一種具有微腔的MEMS芯片的殘余壓力測量系統及測量方法。

背景技術

MEMS芯片具有尺寸小、精度高、可批量制作等優點而受到了國內外越來越多的科研人員的關注。常見的MEMS芯片有MEMS壓力傳感器芯片，MEMS硅諧振傳感器芯片，MEMS陀螺傳感器芯片，這些傳感器芯片均存在微腔結構，通常需要在高真空環境中制作才能保證其高性能。然而，在制作過程中產生氣體和傳感器芯片本身的氣密性泄露都會導致其真空度降低，在其內部產生殘余壓力。這些殘余壓力將會改變傳感器的溫度特性和長期穩定性，從而降低傳感器芯片的性能。

到目前為止，針對微腔內部殘余壓力，國內外科研人員提出了一些測量方法。如1993年，Michael?A.Huff等(M.A.Huff,A.D.Nikolich?and?M.A.Schmidt,Design?of?sealed?cavity?microstructures?formed?by?silicon?wafer?bonding.J.Microelectromech.Syst.2,74(1993).)提出利用邊緣受限彈性膜片形變理論與理想氣體狀態方程來計算法珀腔內的殘余壓力，但是這種方法的計算精度非常容易受一些參數的測量誤差的影響，比如微腔直徑，彈性膜片厚度，測量點相對于中心位置的偏差以及各向異性材料的楊氏彈性模量。在1998年，H.Kapels等(H.Kapels,T.Scheiter,C.Hierold,R.Aigner?and?J.Binder,Cavity?pressure?determination?and?leakage?testing?for?sealed?surface?micromachined?membranes:a?novel?on-wafer?test?method.Proc.Eleventh?Annu.Int.Workshop?Micro?Electro?Mechanical?Syst.550(1998).)將完整微腔芯片和鉆孔破壞后的微腔芯片進行實驗，測量它們的諧振頻率隨外部掃描壓力的變化量，其中，將破壞后的微腔實驗結果作為參考，得到兩組測量結果的交點，此時對應的外部掃描壓力即為待測微腔內部壓力值。在2001年，A.V.Chavan等(A.V.Chavan?and?K.D.Wise.Batch-processed?vacuum-sealed?capacitive?pressure?sensors.J.Microelectromech.Syst.10,580(2001).)采用上述類似的方法，通過測量電容實現對MEMS電容壓力傳感器芯片內部殘余壓力的測量。在2005年，S.H.Choa等(S.H.Choa,Reliability?of?MEMS?packaging:vacuum?maintenance?and?packaging?induced?stress.Microsys.Technol.11,1187(2005).)通過外部掃描壓力與MEMS陀螺儀Q值的關系實現其內部殘余壓力的測量。但是，上述方法均需要一個額外的參考，這個參考需要在微腔上鉆孔以保證微腔內外壓力平衡，或者需要破壞微腔釋放內部氣體，因而均屬于破壞性測量，導致傳感器芯片不能再使用。該種方法多為用于對一批傳感器芯片進行抽樣檢測來對評估整體傳感器芯片的性能，可靠性較低。而在2005年，D.Veyrié等(D.Veyrié,D.Lellouchi,J.L.Roux,F.Pressecq,A.Tetelin?and?C.Pellet,FTIR?spectroscopy?for?the?hermeticity?assessment?of?micro-cavities.Microelectron.Reliab.45,1764(2005))采用探測微腔內部氣體濃度的方法實現對硅基結構微腔內部殘余壓力的測量，但是該方法的的測量靈敏度強烈依賴于微腔尺寸大小和內部氣體的吸收系數。

發明內容

為了克服現有技術存在的問題，本發明提供了針對以上不足，提出了一種MEMS芯片微腔內部殘余壓力測量系統及方法，通過非破壞性的測量設計手段，達成可靠的MEMS芯片微腔內部殘余壓力測量目的。

本發明提出了一種MEMS芯片微腔內部殘余壓力測量系統，該系統包括低相干光源16、3dB耦合器17、光纖18、2×1光開關19、腔長解調儀20、數據采集卡21和計算機23、具有微腔28的待測MEMS芯片、空氣壓力艙22、壓力控制系統，其中：