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随着MEMS技术的发展,MEMS芯片的设计与制造技术已经逐步成熟,进入产业化的阶段。但是,MEMS封装技术的研究明显落后于MEMS芯片的研究,这使得许多MEMS芯片没有得到实际应用,限制了MEMS的发展。在MEMS封装技术中,MEMS真空封装是一个需要重点研究的课题,许多MEMS惯性器件、RF器件和光MEMS器件需要真空封装来实现与外界环境的隔离,真空环境还可以提高器件的性能。由于器件在不同真空度环境下表现出不同的性能,正常工作时需要有一定的真空度范围,所以需要加工制作嵌入封装腔体的真空测量器件,对封装腔体内的压强进行实时测量。本论文设计了一种新型皮拉尼计,在封装腔体内嵌入一根有特定电阻温度系数的金属丝作为传感单元,根据皮拉尼计的原理,金属丝和封装体可以看作为一个皮拉尼计,这种新颖、简单、低成本的结构即能对封装腔体内的真空度进行实时检测。
通过使用CFD-ACE+软件对所设计的不同参数的器件性能的模拟,分析了各个参数对于器件性能的影响。基于对器件性能的模拟结果及考虑所应用的条件,本论文设计出一种采用直径25μm、长度10mm的铂丝作为传感单元的皮拉尼计。采用四探针方法测量皮拉尼计电压值与气压的关系,得到标定曲线。器件测量真空度的范围达到1Pa～1000Pa,测量电压值的仪器精度为0.01mV,皮拉尼计的灵敏度为0.157mV/Pa。这种新型皮拉尼计结构简单,并且与器件级真空封装工艺兼容性好、测量范围较大、灵敏度较高。
本论文针对所设计的皮拉尼计在器件级真空封装方面进行应用研究,设计了一种可嵌入皮拉尼计的基于LTCC基板的真空封装结构,并且针对现有的MEMS加速度计,完成了封装管壳的设计与加工制作,对MEMS加速度计进行密封,嵌入的单金属丝可对封装腔体内压强进行测量。采用氦质谱仪漏率检测法对密封管壳进行漏率测试,测得的漏率达到10-11Pa·m3/s量级。