硅压力传感器中硅玻璃阳极键合的热应力分析头

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1、南京光科信息技术有限公司免费下载更多下载请访问http://www.optotek.com.cn第7卷第3期类学'与先电执木Vol.7,No.32009年6月OPTICS&OPTOELECTRONICTECHNOLOGYJune,2009文且阜编号一AUAUAUAUAUAUA哇硅压力传感器中硅玻璃阳极键合的热应力分析头张强王呜戎华(南京师范大学物理科学与技术学院江苏省光电技术重点实验室，江苏南京210097)摘要由于硅与玻璃阳极键合需要在相对较高的温度下进行，因此材料之间会因热膨胀系数失配而产生较大的热应力，该应力对压力传感器的性能影响较大。对采用羊晶硅横隔膜作为敏感膜与玻璃环阳

2、极键合形成压力参考腔的封装，用有限元方法对硅玻璃环键合后因温度变化所产生的应力分布进行了系统仿真分析，并采用泰曼一格林干涉仪对键合后硅片的变形进行测量。测量结果显示硅膜的挠度为283nm，测量结果与仿真结果基本一致。关键词阳极键合;热应力;有限元分析;干涉法中图分类号TN212.14文献标识码A1号

3、言2硅与玻璃环阳极键合的过程光纤传感器具有抗电磁干扰、微型化、不产生阳极键合可将玻璃与金属、合金或半导体键合电火花等优点，被广泛应用于油田、煤矿等恶劣工在一起。大多是玻璃与硅(或金属)的键合，通常选作环境中。而微机电系统CMEMS)加工技术适合用Pyrex7740或国产95#的棚硅玻

4、璃。阳极键合于大规模批量生产，可以大大降低单个器件的成的基本方法为:将硅片和玻璃环CPyrex7740玻璃)本。由光纤传感技术与MEMS微细加工技术相结分别清洗干净，放入键合炉[2J。将两者加热至350合制作的新型光纤传感器已成为光纤传感领域中℃左右，给硅和玻璃之间加电，相对于玻璃，硅保持的研究热点。Cincinnati大学lieZhou等人用一正极(阳极)，如图1所示。个硅片通过阳极键合技术键合到事先腐蚀了圆腔的玻璃基座上，硅片与玻璃及空气界面形成F-P+腔口-3J。硅玻璃阳极键合技术因其具有键合强度高、温度低、速度快、工艺简单、成本低及可连接异质材料的特点，在微型机械、微传感

5、器、微型仪表的图1阳极键合实验装置示意图制造以及电真空、航空领域等方面有着广泛的应Fig.1Anodicbondingsetup用。很多文献对键合条件如温度、电压等参数对键然后加高电压至800V，这时靠近硅一侧的合强度和密封性的影响进行了量化研究，但对阳极玻璃表面的纳离子在电场作用下会向另一端移键合热应力研究口-3J的报道尚不多见。动，从而使该玻璃表面带负电。带正电的硅表面本文对利用MEMS工艺制作的一种光纤压力和带负电的玻璃表面之间就会在吸引力的作用传感器进行了研究，其中用表面抛光的单晶硅作为下形成紧密的接触。键合所需要的时间从数秒敏感膜，硅膜与玻璃环CPyrex7740)通过

6、阳极键合到数分钟不等。当键合完成以后，电流会降至形成密封腔[口，用有限元仿真的方法进行了建模和零。键合完成后缓慢冷却至常温。键合完成后仿真，获得硅膜表面的残余热应力，并用光学干涉的结构如图2所示。法对键合后的硅膜表面形貌进行了测量。收稿日期2008-07-22;收到修改稿日期2008-09-29作者简介张强(1980一)，男，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感技术。E-mail:zqjohnson@163.com兴江苏省自然科学基金(BK2006223)，江苏省高新技术基金(BG2003024)资助项目南京光科信息技术有限公司免费下载更多下载请访问http://www.optot

7、ek.com.cn34光学与光电技术第7卷Si3.3膜上热应力的变化情况....图5所示为膜片的正应力，图中中心膜片正应..·.·.•...,,·.•力大小约为10MPa。,..·.••.,.....•..,·.POST1lN,·.•-SlJB=1SEP182008,..·.••.TITvlli=102:09:07PATHPLOTNODl=6NOD2=128sx(x10-")图2键合后剖面图1011.284845691Fig.2Sectionofsensorafterbonding680.102514.513~348.924OR183.3353建模与仿真'1到17.746-14

8、7.842-3]3.431-479.020(x10-')-644.609由于热膨胀系数的不匹配会引起膜的形变，为。3366.991.321.65165495.8251.155].485namno半径1m了得到硅膜表面详细的应力分布和形变情况，用ANSYS对其进行有限元分析[叫。硅片直径5.5图5膜片的正应力Fig.5Normalstressofthediaphragmmm，厚度180μm。玻璃环内径3.3mm，外径5.5mm，厚3mm。材料参数的选择如表1所示。通过分析可以得出，