[发明专利]一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种具有微腔的MEMS芯片的残余压力测量系统及测量方法。

背景技术

MEMS芯片具有尺寸小、精度高、可批量制作等优点而受到了国内外越来越多的科研人员的关注。常见的MEMS芯片有MEMS压力传感器芯片，MEMS硅谐振传感器芯片，MEMS陀螺传感器芯片，这些传感器芯片均存在微腔结构，通常需要在高真空环境中制作才能保证其高性能。然而，在制作过程中产生气体和传感器芯片本身的气密性泄露都会导致其真空度降低，在其内部产生残余压力。这些残余压力将会改变传感器的温度特性和长期稳定性，从而降低传感器芯片的性能。

到目前为止，针对微腔内部残余压力，国内外科研人员提出了一些测量方法。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).)提出利用边缘受限弹性膜片形变理论与理想气体状态方程来计算法珀腔内的残余压力，但是这种方法的计算精度非常容易受一些参数的测量误差的影响，比如微腔直径，弹性膜片厚度，测量点相对于中心位置的偏差以及各向异性材料的杨氏弹性模量。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).)将完整微腔芯片和钻孔破坏后的微腔芯片进行实验，测量它们的谐振频率随外部扫描压力的变化量，其中，将破坏后的微腔实验结果作为参考，得到两组测量结果的交点，此时对应的外部扫描压力即为待测微腔内部压力值。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).)采用上述类似的方法，通过测量电容实现对MEMS电容压力传感器芯片内部残余压力的测量。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).)通过外部扫描压力与MEMS陀螺仪Q值的关系实现其内部残余压力的测量。但是，上述方法均需要一个额外的参考，这个参考需要在微腔上钻孔以保证微腔内外压力平衡，或者需要破坏微腔释放内部气体，因而均属于破坏性测量，导致传感器芯片不能再使用。该种方法多为用于对一批传感器芯片进行抽样检测来对评估整体传感器芯片的性能，可靠性较低。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))采用探测微腔内部气体浓度的方法实现对硅基结构微腔内部残余压力的测量，但是该方法的的测量灵敏度强烈依赖于微腔尺寸大小和内部气体的吸收系数。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了针对以上不足，提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法，通过非破坏性的测量设计手段，达成可靠的MEMS芯片微腔内部残余压力测量目的。

本发明提出了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统，该系统包括低相干光源16、3dB耦合器17、光纤18、2×1光开关19、腔长解调仪20、数据采集卡21和计算机23、具有微腔28的待测MEMS芯片、空气压力舱22、压力控制系统，其中：