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MEMS真空封装的真空度测量

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第28卷第10期 2007年l0月 仪 器 仪 表 学 报 Chinese Journal of Scientifie Instrument V0I.28 No.10 0ct.2O07 MEMS真空封装的真空度测量 石雄 ,朱光喜 ,甘志银 ,刘 胜 武汉430074; 武汉430074) (1华中科技大学电子信息工程系2华中科技大学微系统中心摘要:本文将音叉型石英晶振作为陪片直接封装在MEMS真空封装的壳体中,采用直接数字频率合成器(DDS)作为信号源 激励石英晶振,利用相位幅度比较电路比较石英晶体两端信号的相位和幅度并输出相应的电压信号,经过A/D转换后送至单 片机,经过处理和标定后用于测量和监控MEMS封装内部的真空度。运用该方法测试发现MEMS真空封装内部的真空度低于 封装环境的真空度,并在此基础上对真空封装的MEMS器件的真空度进行了长期跟踪测试。 关键词:石英晶体;直接数字频率合成;MEMS真空封装;谐振频率;谐振阻抗 中图分类号:TN107 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.10 Vacuum degree measurement of MEMS vacuum package Shi Xiong ,Zhu Guangxi ,Gan Zhiyin ,Liu Sheng (J Department ofElectronic&Information Engineering,Huazhong University ofScience&Technology,Wuhan 43DD ,China; 2 Institute ofMicrosystems,Huazhong University fScoiece&Tenchnology,Wuhan430074,China) Abstract:This paper adopts tuning fork quartz crystal as a sensor for vacuum degree measurement,which is inte一 rated into the internal vacuum cavity of MEMS package and is excigted by an exciting source that is composed of di— rect digitla synthesizer(DDS).Phase and amplitude comparison circuits are used to compare the phase and ampli— tude of the signals from both ends of the quartz crystl and outaput corresponding voltage signa1.Then the signal is sent to a SCM after A/D conversion,which can be used to measure and monitor the vacuum degree of the internal cavity of the MEMS package after processing and calibration.Using this test method,it has been found that the actu— al vacuum level within the cavity is much low than the vacuum level in the packaging chamber environment;and a set of vacuum packaged devices have been monitored for a long time. Key words:quartz crystal;direct digitl afrequency synthesizer;MEMS vacuum package;resonance frequency;res— onance impedance 1 引 言 MEMS封装、真空封装等领域的迅速发展,对真空度传感 器件的体积等方面提出了更高的要求,例如:微陀螺仪和 微加速度传感器要求使用真空封装,且封装内部的真空 度对保证系统的性能指标有十分重要的作用,需要对其 进行监控,而传统的真空度传感器因体积原因无法植入 封装内部,且在复杂恶劣环境下的可靠性问题难以解决, 此时,石英晶体真空度传感器几乎是唯一的选择。同时, 石英晶体组成的振荡系统用于真空度测量时是一种 典型的谐振型粘滞性规 ,此时可以把石英晶体看作一 种真空度传感器,是新型的真空度传感器。 近十年来,随着真空技术应用的日益普及,特别是 收稿日期:2006.1 1 Received Date:2006.1 1 维普资讯 http://www.cqvip.com

第10期 石雄等:MEMS真空封装的真空度测量 1907 十年来,集成电路、信号处理领域的发展为石英晶体真空 度传感器激励信号合成及控制、信号处理系统的低功耗、 微型化提供了技术途径,至少体积较小的石英晶体能够 被植入真空封装内部,通过2根引线和信号处理系统相 气体密度,它与 和P成正比,∞是共振频率,与 成正 ‘ 比(f为音叉型石英晶振的长度)。由式(1)~(3)可知,当 气体流动是分子流的情况下,△z与P和 成正比。在 连,从而监控封装内部的真空度。 石英晶体真空度传感器组成的真空计需要借助电子 学的反馈技术,当压力改变时,要维持晶体在等幅谐振下 工作,则必须改变激励信号的大小,借此达到测量的目 的。因此石英晶体的激励和谐振阻抗的测量是决定石英 晶体真空计性能指标的关键因素之一。国外一些学者对 音叉型石英晶体作真空传感器的工作原理、特性等作了 较深入的分析研究 J,国内部分研究机构也对其给予了 关注,并曾经研制实用的真空测量设备 。 本文采用直接数字频率合成器(DDS)作为信号源激 励置于MEMS真空封装内部作为真空度传感器的石英晶 体,利用相位幅度比较电路比较石英晶体两端信号的相 位和幅度并输出相应的电压信号,经过A/D转换后送至 单片机,经过处理和标定可以测量和监控MEMS封装内 部的真空度,在国内首次实现了对MEMS真空封装内部 的真空度测量。 2真空检测原理 x、Y切型石英晶振工作在弯曲振荡模式时,晶振的谐 振阻抗随气压变化较大 。根据小球模型,石英晶振在空气 中的振荡可以理解为由气体摩擦力引起的阻尼振荡 聃 。 音叉型晶振在共振时的谐振阻抗Z=Z。+△z,其 中△z为气体阻尼引起的阻抗。△z可以由下面的公式 计算 ,引: 2r/o V/c△z=os 0~. 式中: 为电能转换到机械能的转换系数, 为驱动电 压,0为电压与电流的相位差,A为晶振的振幅, 为摩擦 阻力系数。 对于一个具体晶振,系数2r/0V 2cos 0是确定的。△z 只随 的变化而变化。不同的气体流动模式下, 的计算 公式不同 J。 在分子流模式下: .P (2) 在粘滞流模式下: f=6盯 +3wR 2’7p∞ (3) 式中: 是球的半径,大约等于音叉晶振的厚度, 为摩尔 分子质量,风是气体常数,r是温度, 是粘滞系数,P是 2种不同气体流动模式下,△z都会随温度变化而变化,所 以在测量真空度的时候要尽可能地在恒温下测量。 音叉型石英晶体现已广泛作为石英手表的晶振,加 工技术相当成熟,产品一致性好,而且体积小,十分适合 置于体积十分有限的MEMS真空封装内部,本文将该类 型32.768 kHz的晶振作为陪片植入MEMS真空封装的 内部用于测量和监控MEMS真空封装内部的真空度。 图1 音叉型石英晶振的小球模型 Fig.1 The pellet model of tuning・fork quartz oscillator 3系统设计及实现 检测石英晶体的谐振阻抗最早的方法是采用一个能 严格跟踪晶振串联谐振频率的信号源,对石英晶体进行 恒压驱动,输出反映谐振阻抗变化的电流信号,经过变换 和标度后可以用作真空度显示。该方案不仅需要激励信 号源的频率稳定度足够高,而且跟踪电路需要进行特殊 的电流-电压锁相,电路复杂,稳定性差。随着直接数字 频率合成技术的发展,应用直接数字频率合成器作为激 励源能够很好地满足要求。 3.1电路结构 音又型石英晶体的谐振频率和谐振阻抗随着周围气体 压强的变化而变化,同时谐振频率和谐振阻抗也和环境温度 有关,因此测量系统应该包括激励信号源、谐振状态检测和 调控、谐振阻抗测量、温度补偿、中央处理单元、数据处理算 法及相应的键盘和显示系统。系统的硬件组成如图2所示。 单片机 I AD8302 时时 皇! l I 旦 图2硬件组成框图 Fig.2 Block diagram of the system hardware 维普资讯 http://www.cqvip.com

1908 仪器仪表学报 第2 8卷 单片机作为系统的控制核心,协调控制各个模块的 中蓝色的幅度比较曲线所示。 工作。石英晶体作为测试对象接人订网络,DDS作为频 率源产生激励信号激励订网络。由于DDS频率合成技 术具有的高频率分辨率和快速扫频能力,可以保证激励 源的频率准确地保持在石英晶体的谐振频率上,选用具 备幅度调整能力的DDS芯片时,可以使激励信号强度根 据网络参数变化而调整,实现恒压驱动。 订网络最大传输法测试石英晶片的原理如图3所 (a)电路板实物照片 一■ (b)真空封装内部的石英晶体 示。图中虚框内为被测石英晶片的等效电路, 表示动 态电感,C 表示动态电容,C。表示静态电容, 表示谐 振电阻。 和石英晶片构成简易的订网络。通过分析 石英晶片的等效电路可知,石英晶片有一固有的谐振频 率(串联谐振频率),当外加激励的频率等于该谐振频率 时,石英晶片阻抗最小并且为纯电阻。当石英晶片处于 谐振状态时,订网络为一个纯电阻网络,订网络两端的压 降最小,这样就可以将石英晶片电参数的测试简化为对 订网络的阻抗的测试。 信号源 电压表 图3盯网络最大传输法测试石英晶片的原理 Fig.3 Test principle of quartz chip using盯network maximum transmission method DDS频率合成器作为信号源,输出连续正弦频率扫描 信号。在输出端B检测其经过石英晶片后的电压信号,比 较A点和B点的电位差,当两点的电位差最小时,石英晶 片处于谐振状态。此时,信号发生器输出的频率就是石英 晶片的谐振频率。信号源的幅度在频率扫描时恒定不变, 在谐振频率点n处,订网络输出端 值越大,表明石英晶 片的谐振电阻越小。由于 已知,再根据测量得到的 和 就能够计算出石英晶体的谐振阻抗,经过变换和标 定后,可以以较高的精度作真空度显示。 实际电路中为避免测量电路对订网络的影响,在后 级电路前增加了MAX4477组成的隔离缓冲电路,同时应 用AD8302对A、B两点的信号相位和幅度进行比较, AD8302两路输出信号分别和A、B两点信号的相位和幅 度的比值呈一定的函数关系。当激励源在石英晶体谐振 频率附近扫描时,AD8302输出的电压信号波形如图4 (C)所示。图4(C)中黄色曲线(上)是相位通道,蓝色曲 线(下)是幅度通道。当相位差为零时,AD8302的相位 通道输出达到1.8 V的最大值,此时晶体进入谐振状态, 呈纯电阻,A、B问电压最小,即 / 为最小值,正如图 (a)Photo of the circuit board(b)Quartz crystal in the vacuum package (C)扫频时AD8302的相位和幅度通道的输出 (C)Outputs from gain and phase channels of AD8302 during scanning 图4 MEMS真空封装的真空度测量系统 Fig.4 Vacuum degree measurement system for MEMS vacuum package 3.2软件结构 系统软件协调控制系统各个硬件组成部分的工作, 并且完成数据采集、数据的初步处理及显示等功能,也可 以根据要求在铁电存储器内存储或通过RS232口传输 数据。 4测试结果及分析 实验中,先将晶体置于真空(国家863项目 2005AA404260中研制的MEMS真空熔焊机)中标定,也 就是获得晶体谐振阻抗与真空度的关系,并在此基础上 进行了高低温实验、老化实验,以及MEMS真空封装的真 空度跟踪实验等研究性实验。 4.1不同晶振的标定实验 不同的晶振在相同的真空度下由于个体的差异,其 谐振阻抗是不同的,在线测量系统的输出值也不同,所以 每一个晶振在用于真空度测量之前都需要先进行标定。 从图5中可以看出,虽然每个晶振在相同真空度下的输 出值不同,但是每一条曲线的趋势却是相同:随着真空度 的增加,测量的输出值也增加,到了较低的真空度下的时 候,输出值随真空度的变化灵敏度变小。如图6所示,在 晶振的标定实验中,在气压值2 Pa以上时谐振电阻与气 压的变化具有单调的关系,但在2 Pa以下测量系统的输 出不再随真空度的增加而升高,而是出现波动现象。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第lO期 石雄等:MEMS真空封装的真空度测量 1909 34 50o 35 000 35 50o 3 6OOO 3650o 37 000 37 750 38 000 阻抗/n 图5不同晶振(晶振A和晶振B)的标定曲线 Fig.5 Calibration curves of diferent quartz crystals 色 之 锄 趟 {;j 制 掀 ∞ 鼹卯 阻抗,n 图6 晶振谐振阻抗随低气压变化实验 Fig.6 Impedance VS.air pressure for diferent quartz oscillators 4。2温度对晶振标定的影响 晶振的谐振阻抗的变化是随温度变化而波动的,图7中 的测量结果反映了这一结果。在MEMS器件封装后对其真 空度的跟踪实验中也发现,当实验室里温度变化较大的时 候,系统的测量结果是变化的。温度增加,真空在线测量系 统的输出值降低,测量出来的真空度比实际真空度要低。在 实际使用中温度对晶振的影响是不可忽视的—个因素。 赙 44 00046 00048 000 50 000 52 000 54 000 56 00058 000 阻抗,n 图7温度对晶振标定的影响 Fig.7 Influence of temperature on quartz calibration 4.3晶振老化实验 由于晶振在真空度的测量中要求有很高的重复性, 因此需要在使用之前进行老化实验。将晶振放入高低温 循环箱中,从一4O~+125℃进行热循环。由图8可知, 2 Pa以上进行高低温循环后在同样的真空度电压值逐渐 减小;同时发现老化后晶振的重复性变得更好。 0 10 20 30 40 50 真空度/Pa 图8高低温循环对晶振的标定影响 Fig.8 Influence of Hi—ko temperature cycling Oil quartz calibration ;4.4真空封装真空度跟踪实验 在1O Pa的环境真空下,利用电阻熔焊的方法进行 金属壳体的真空封装,通过研制的真空在线测量系统对 壳体内的真空测量发现,壳体内的真空压力并不是人们 普遍认为的封装时的环境真空压力,而是有几个数量级 的差别。对封装好的一批器件进行长达1O个月的跟踪, 得到的真空度变化曲线如图9所示,大多数真空器件真 空度仍然保持良好,其中器件A由于泄露,在封装后不久 系统测量结果就已经下降很多了;器件G由于晶振接触 不良的原因在封装后不久测量值降低了,但在一段时间 后测量值又上升了。在曲线的尾端,由于实验室的空调 故障,温度变化很大,可以看到测量的曲线也随着发生了 较大的波动,可见温度对测量结果有较显著的影响。 o 50 100 150 2OO 250 300 高低温环时闯/天 图9七个真空封装器件(A.G)的真空度跟踪测量 Fig.9 Vacuum degree tracking tests of7 vacuum package devices 5结 论 利用音叉型石英晶振的谐振阻抗随气压变化而显著 }维普资讯 http://www.cqvip.com

1910 仪器仪表学报 第2 8卷 变化的原理,本文在国内首次提出了对真空MEMS器件 内部进行真空度测量的方法,研制了真空在线测量系统, LIU B,XU D,WANG X ZH,et a1.Research on crystl aoscillator vacuum sensor and vacuum gauge[J].Vacuum Electronics,1995(5):17-20. 并运用真空在线测量系统对音叉型石英晶振作为真空度 传感器的特性进行了分析:不同的晶振标定曲线不同,但 其变化趋势是相同的;在使用之前对晶振进行老化可以 凌明芳,王华萍.数字式石英晶振真空计[J]. [9] 齐本胜,仪表技术与传感器,2001(4):15—16. QI B SH,LING M F,WANG H P.A digital quartz OS— 减少标定的误差;同时发现温度对石英晶体真空度传感 器的测量结果有明显影响,谐振电阻随着温度的变化而 显著变化。 另外,还对一批真空封装的MEMS器件进行了长时 cillator vacuum gauge[J].Instrument Techniueq and Sen— sor,2001(4):15—16. [10] 黄天戍,陈苒菁.石英晶振频率测试系统的研究与开 问的跟踪,通过真空封装在线测量系统对其内部的真空 度变化进行了实时监测,根据监测结果提出了MEMS真 空封装的改进工艺。 石英晶体真空度传感器和基于DDS技术的MEMS 真空封装真空度测量系统为提高MEMS真空封装工艺、 深入研究MEMS真空封装提供了切实可行的技术手段, 具有非常重要的意义。该系统进一步完善后不仅能够用 于粗中真空度的测试仪器,还能够作为石英晶体的测试 设备用于测量石英晶体的谐振频率、谐振阻抗和Q值等 参数。 参考文献 [1]达道安.真空设计手册[M].3版.北京:国防工业出 版社,2004. DA D AN.Guidebook for vacuum design『M].3rd ed. Beijing:National Defence Industry Press,2004. [2] KOBAYASHI T,HOJO H。ONO M.Pressure measure— ment from 1 atm to 0.01 Pa using a quartz oscillator[J]. Vacuum,1993,44(5-7):613.616 [3]KOKUBUN K,HIRATA M,TODA Y。et 1a.A bending and stretching mode crystal oscillator as a friction vacuum gauge[J].Vacuum,1984,34(8-9):731—735. [4]HIRATA M,KOKUBUN K,ONO M。et a1.Size effect of a quartz oscillator on its characteristics as a firction vacu— um gauge[J].J.Vac.Sci.Technol,1985。A3(3): 1742—1745. [5]ONO M,HIRATA M,KOKUBUN K,et a1.Design and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a controller[J].J.Vac.Sci.Technol,1985。A3(3): 1746-1749. [6] ONO M,HIRATA M,KOKUBUN K,et 1a.0uartz fric— tion vacuum gauge ofr pressure[J].J.Vac.Sci.Techn— ol,1986,A4(3):1728.1731. [7] KOKUBUN K,ONO M,HIRATA M,et a1.Frequency dependence of a quartz oscillator on gas pressure[J].J. Vac.Sci.Technol,1985,A3(6):2184-2187. [8]刘斌,徐电,王新中,等.石英晶振真空传感器及真空 计的研制[J].真空电子技术,1995(5):17-20. 发[J].中国仪器仪表,2005(10):83—85. HUANG T W,CHEN R Q.Design and research of quartz oscillator frequency measurement system[J].Chi— na Instrumentation,2005(10):83—85. 作者简介 石雄,男,1968年7月出生,1990年于 空军工程学院获得学士学位,1997年于空 军雷达学院获得硕士学位,现为华中科技大 学电子信息工程系博士研究生,主要研究方 向为直接数字频率合成技术及其应用。 地址:湖北武汉市武昌华中科技大学C13— 1 13.43O0 74 Shi Xiong,male,born in 1968.He received bachelor degree rfom Air Force Engineering Academe in 1990,master degree from Air Force Radar Academe in 1997.NOW he iS a PhD candi. date in Huazhong University of Science and Technology.His re— search area is direct diigtal ferquency synthesizer and its applica- tion. Address:C13—1 13 Huazhong University of Science and Technolo— yg,Wuhan 430074,Hubei,China 朱光喜,男,1945年出生,教授、博士生 导师,主要研究方向为无线电通信系统与多 媒体信息处理。 地址:湖北武汉市武昌华中科技大学电子信 息工程系,430074 Zhu Guangxi,male,born in 1945,profes- sor,PhD supervisor.His research area includes wireless commu- nication system and multimedia information processing. Address:Department of Electronic&Ifnormation Engineering. Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, Hubei,China 

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