Метод кварцевого корпусирования для улучшения характеристик микроакселерометров на поверхностных акустических волнах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет

Метод кварцевого корпусирования для улучшения характеристик микроакселерометров на поверхностных акустических волнах

Е.П. Филиппова, А.С. Кукаев,

Д.В. Сафронов, С.Ю. Шевченко

Аннотация

Рассматривается возможность использования метода кварцевого корпусирования для улучшения характеристик микроакселерометров на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Показан способ лазерной подстройки частоты ПАВ-резонатора на примере использования системы прецизионной лазерной маркировки.

Применение металлических корпусов для упаковки микроакселерометров на ПАВ имеет существенные недостатки (плохая термоизоляция корпуса от окружающей среды, невозможность подстройки частоты резонаторов в корпусированном устройстве), которые негативно влияют на точностные характеристики приборов.

Использование кварцевого корпуса для упаковки микроакселерометров на ПАВ, в свою очередь, является весьма перспективным, так как позволяет устранить перечисленные недостатки.

В докладе будет рассмотрена технология кварцевого корпусирования и показана возможность подстройки частоты резонаторов с помощью лазера.

Технологии кварцевого корпусирования

Корпусирование - завершающая стадия микроэлектронного производства, в процессе которой полупроводниковый кристалл устанавливается в корпус. Обычно корпусирование состоит из этапов прикрепления кристалла на основание или носитель кристалла, электрического соединения контактных площадок кристалла с выводами корпуса и герметизации корпуса.

Рассмотрим основные классы корпусов МЭМС-элементов [1]:

- полностью герметичный (обычно вакуумный, керамический, металлический);

- негерметичный пластиковый;

- близкий к герметичному (Near-Hermetic Package, NHP);

- совместимый по размерам с подложкой (wafer-level packaging, WLP) с применением пассивного колпачка (без электрических соединений);

- полностью совместимый по размерам с подложкой (Full WLP) с применением колпачка с электрическими соединениями.

Благодаря малым размерам и снижению стоимости изготовления МЭМС все чаще используются WLP-корпуса.

Технология WLP (Wafer Level Package).

Технология корпусирования на уровне пластины (WLP) используется при производстве МЭМС около 10 лет. Основной идеей упаковки типа WLP является соединение "подложка - подложка". Эта технология позволяет изготавливать, тестировать и запаковывать все устройства на единой, не разрезанной на части подложке, одновременно [2].

Основные технологические этапы изготовления ПАВ-устройств по технологии WLP:

1. Нанесение электродных структур на подложку.

2. Формирование на подложке свободных полостей.

3. Формирование металлических контактных столбиков и выводов.

Затем подложку разрезают на части и получают отдельные ПАВ-устройства.

В качестве примера на рис. 1 изображен упакованный резонатор. Он представляет собой две присоединенных друг к другу подложки. Одна из них образует крышку резонатора с внутренней свободной полостью, а вторая является подложкой резонатора с нанесенной электродной структурой.

Рис. 1. Упакованный ПАВ-резонатор

Технология упаковки ПАВ-устройств на уровне подложки объединяет преимущества бескорпусного исполнения, обеспечивая наименьшие размеры, и достоинства корпусированных устройств, обеспечивая защиту активной поверхности с электродной структурой. Процесс упаковки одновременно с этапом изготовления позволяет значительно уменьшить размеры и стоимость готовых изделий и делает возможной дальнейшую модульную интеграцию ПАВ-устройств [2].

Недостатки применения традиционных металлических корпусов:

* Разный коэффициент температурного расширения у корпуса и чувствительного элемента (металлический корпус и диэлектрическая структура звукопровода).

* Плохая термоизоляция металлических корпусов от окружающей среды.

* После сборки микроэлектронного элемента корпус запаивается, доступ к чувствительному элементу схемы исключается. Тем самым исключается возможность подстройки частоты.

Большой интерес представляют методы упаковки с использованием корпуса, выполненного из оптически прозрачного материала (например, кварца), т. к. они обладают следующими преимуществами:

* Материал корпуса оптически прозрачен для лазерного излучения, что может быть использовано для устранения технологических дефектов ПАВ-структуры.

* Возможна подстройка частоты ПАВ-резонатора.

На рис. 2 представлен вид микроакселерометра на ПАВ, разработанного на кафедре ЛИНС. Микроакселерометр упакован в стандартный металлический корпус.

Рис. 2. Общий вид микроакселерометра на ПАВ

Рассмотрим структуру микроакселерометра на ПАВ.

Структура и принцип действия микроакселерометра на ПАВ. На рис. 3 представлена структурная схема ПАВ-акселерометра. Чувствительный элемент акселерометра состоит из пьезоэлектрической консоли 1, один конец которой нагружается инерционной массой m.

Рис. 3. Структурная схема ПАВ-акселерометра: 1 - консоль; 2 - ПАВ-резонаторы, 3 - автогенераторы, 4 - смеситель, 5,6 - фильтры выделения суммарной и разностной частоты, соответственно

На противоположных сторонах консоли размещены два ПАВ-резонатора 2, каждый из которых является частотозадающим элементом автогенераторов 3 с частотами и , соответственно. Их выходные сигналы поступают на входы смесителя 4, где формируются сигналы комбинационных частот и , выделяющиеся фильтрами 5 и 6, соответственно. Разностная частота оказывается пропорциональна действующему ускорению, а суммарная может быть использована для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов и, прежде всего температуры, через канал автоподстройки частот генераторов.

Для возбуждения и детектирования ПАВ в пьезоэлектриках применяют системы из двух вложенных одна в другую металлизированных гребенок - встречно-штыревые преобразователи (ВШП), изображенные на рис. 4.

кварцевый корпусирование микроакселерометр акустический

Рис. 4. Встречно-штыревой преобразователь: d - период решетки; а - ширина электродов; L - длина электродов

С их помощью осуществляется как преобразование электрического сигнала в акустическую волну, так и её обратное преобразование в электрический сигнал. Каждая из решеток электродов характеризуется периодом (шагом) d, шириной а и длиной L электродов. В общем случае эти параметры могут меняться по длине решетки [3].

Необходимым условием высокой точности микроакселерометров на ПАВ является обеспечение температурной стабильности. Для снижения температурной чувствительности микроакселерометра необходимо, чтобы начальный разнос частот ПАВ-генераторов, расположенных на оппозитных сторонах консоли, был минимален [4].

При современном уровне технологий массового производства изготовление однотипных ПАВ-резонаторов возможно с точностью не более ± 50 кГц [5], а при их напылении на оппозитные стороны консоли эта погрешность может значительно увеличиться.

Данную проблему можно решить при помощи подстройки частоты одного из резонаторов лазерным излучением. При использовании кварцевого корпуса можно подстраивать частоту в загерметизированном устройстве, чего невозможно добиться при существующих технологиях подстройки частоты.

Применение кварцевого корпусирования для лазерной подстройки частоты. Метод кварцевого корпусирования позволяет выполнить подстройку частоты ПАВ-резонаторов в герметизированном устройстве.

Подстройку частоты разделяют на грубую и точную (рис. 5). В первом случае активное излучение распыляет материал, нанесенный на прозрачную крышку резонатора. При этом распыленный материал оседает на резонаторе, что меняет его свойства и приводит к изменению частоты.

Способ точной подстройки заключается в том, что узкосфокусированное лазерное излучение сквозь прозрачный кварцевый корпус снимает часть металлизации с ВШП и отражателей при помощи перемещения луча в двух направлениях. Это приводит к изменению длины волны ПАВ и, как следствие, к изменению ее частоты.

Рис. 5. Схема лазерной подстройки частоты резонатора

Для примера реализации лазерной подстройки частоты используется система прецизионной лазерной маркировки МиниМаркер 2, в состав которой входит волоконно-оптический излучатель фирмы IPG. Он генерирует лазерное излучение на длине волны 1,064 мкм. Перемещение луча осуществляется сканирующей системой на базе сканаторов VM2500+ с точностью 2,5 мкм. Излучение фокусируется специальным объективом, который позволяет сохранить фокусное расстояние на поле маркировки размером 50Ч50 мм.

В таблице 1 приведены основные характеристики системы прецизионной лазерной маркировки «МиниМаркер 2».

Таблица 1. Характеристики системы «МиниМаркер 2».

На рис. 6, а изображен ВШП, который является составной частью резонатора. Предположим, что нужно изменить частоту ПАВ-резонатора.

Резонансная частота невозмущенного резонатора определяется по формуле:

(1)

где l ? расстояние между центрами ВШП, q >> 1 ? целое число, ? невозмущенное значение фазовой скорости ПАВ.

Лазерное излучение с высокой точностью убирает часть металлизации с «пальцев» ВШП. На рисунке 6, б представлен ВШП с измененными геометрическими свойствами. Увеличение межэлектродного расстояния ВШП приводит к изменению частоты ПАВ-резонатора.

Рис. 6, а) Гребенчатая структура ВШП до лазерной подстройки частоты

Рис. 6, б) Гребенчатая структура ВШП после лазерной подстройки частоты

Заключение

Кварцевое корпусирование открывает широкие перспективы для производства навигационных сенсоров на ПАВ, а также позволяет в полной мере использовать их потенциальные возможности. Благодаря кварцевому корпусу все элементы датчика имеют одинаковый коэффициент линейного расширения, что повышает его температурную стабильность. Также кварцевый корпус оптически прозрачен для лазерного излучения, что позволяет подстраивать частоту ПАВ-резонаторов в корпусированном и герметизированном устройстве, чего нельзя добиться с помощью других современных технологий. За счет точного позиционирования лазерного луча можно корректировать топологию ПАВ-резонаторов любой сложности. В дальнейшем планируется выполнить кварцевое корпусирование имеющихся образцов микроакселерометров на ПАВ. Также будет исследоваться возможность формирования идентичной структуры резонаторов на оппозитных поверхностях консоли одновременно при помощи лазерного излучения. Такой метод становится возможным благодаря применению оптически прозрачного корпуса.

Литература

1. Сысоева С. МЭМС-технологии. Простое и доступное решение сложных системных задач. - ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009. c. 85

2. Балышева О. Л. Фильтры на поверхностных акустических волнах: возможности миниатюризации и функциональной интеграции. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 54, № 12, с. 1512-1523.

3. Карпеев Д. В., Макаров В. М., Малов В. В. Частотные датчики механических величин на ПАВ-структурах // Сегнето- и пьезоматериалы и их применение.

4. Шевченко С. Ю. Анализ возможностей снижения термочувствительности микроакселерометра на поверхностных акустических волнах. Материалы VIII конференции молодых ученых “Навигация и управление движением”. - Санкт-Петербург, Навигация и управление движением, 2007. - С.90-97.

5. Разработка и оптимизация схемы построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах (Часть 2) // Лукьянов Д. П. и др. - Санкт-Петербург, Гироскопия и навигация, 2007. - № 3 (58). С.62-76.

Размещено на Allbest.ru