Parylene封装对MEMS声学传感器性能的影响研究

吴鹏程，曾怀望，李 鑫，安 兴，朱 鑫，易拥洁，黄湘俊，邸 啸

(联合微电子中心有限责任公司，重庆 401332)

0 引言

采用AlN为压电薄膜的微机电系统(MEMS)水听器易与传统的CMOS工艺兼容，近年来被广泛研究[1]。但该水听器灵敏度较低,体积较大，常采用掺Sc的方式来提高AlN的压电系数[2]，进而解决了器件灵敏度低的问题。与传统的水听器一样，MEMS器件的水密封装大多采用传统灌注封装技术[3]，因此，水听器的成品体积受制于灌注工艺和灌注模具尺寸，涂覆层厚度一般均超过2 mm，弱化了MEMS自身体积小的优点，影响其小型化应用。

Parylene是一种新型敷形涂层材料，根据分子结构的不同，可分为N型(聚对二甲苯)、C型(聚一氯对二甲苯)、D型(聚二氯对二甲苯)等类型。由于该材料具有极其优良的电绝缘性能、耐热性、水密性和化学稳定性，故被广泛应用于印制电路组件和元器件、MEMS及传感器等器件的电绝缘介质、保护性涂料和包封材料。采用真空热解气相堆积工艺制成厚度0.1～100 μm的薄膜涂层，为元件在水环境下提供了一层优质完整、抗渗透及电绝缘的防护膜，故被应用于矢量水听器的水密封装[4]。采用Parylene-C对MEMS声学传感器进行水密封装，可以得到体积小，保型性及水密性好的Sc-AlN声学传感器，但Parylene-C封装对Sc-AlN声学传感器的性能影响较大，本文将对这些影响进行研究。

1 Parylene封装器件的制备与测试

1.1 Parylene封装器件的制备

封装器件的制备流程如图1所示。采用MEMS工艺制备5×5阵列的掺钪氮化铝(Sc-AlN)传感芯片(见图2)，然后将传感芯片与调理电路连接得到传感器件(见图3)，最后通过Parylene-C真空气相涂覆对传感器件进行封装，得到封装器件。其中Parylene-C封装膜厚为12 μm，杨氏模量为3.2 GPa，密度为1 289 kg/m3，相对介电常数为3.1，吸湿性@50%为0.06%[5]。

1.2 谐振测试

采用Polytec公司的MSA-600显微式激光测振仪分别对传感芯片、封装器件进行激光多普勒测速仪(LDV)测试，得到其谐振频率、谐振频率下的薄膜中心位移及振动模态。

测试时将待测样品固定在光学平台的基座上，激光器发出的激光点对准传感芯片，调整光源位置，使需被测部位在屏幕上的成像最清晰。在上下电极间施加0.25 V的周期线性调频脉冲(periodic chirp)信号，频率扫描范围为0.5～0.85 MHz，傅里叶谱线为51 200。测量并记录薄膜中心点的位移。

利用MSA-600的多点扫描功能可以获得待测样品在给定频率下的模态。将扫描频率设置为待测样品谐振频率附近的某值，扫描信号改为正弦信号，其他测量参数不变。扫描区域由覆盖整个振动薄膜的多个测试点组成，测量各个点在该频率下的振动模态。

1.3 灵敏度测试

由于传感芯片产生的电信号过小，需采用调理电路放大后才能进行信号的有效采集。在内部介质为空气的密闭腔中测试传感器件与封装器件的灵敏度，以表征其灵敏度性能。采用图4所示的MEMSOUND公司的HVRU(Hydrophones Verification and Re-Calibration Unit)作为声源装置，500 Hz范围内测量误差为±1 dB；MS0545-BW-1000示波器作为电信号监测装置，测量误差为1%。将传感器件及封装器件安装于HVRU的校准腔内，并与电缆一端连接，电缆的另一端与示波器连接。

由于传感器件或封装器件测试时位于HVRU的密闭腔内，且密闭腔内的声压一致[6]，HVRU检测并显示的密闭腔声压值即为待测样品所处环境的声压值。测试时，由HVRU产生一定频率和幅值的声信号，待测样品的电压信号通过电缆进入示波器，示波器测量输出的有效电压值。根据HVRU测得的声压值P及示波器测得的有效电压值Uo得到相应频率的声压灵敏度级：

(1)

式中Mr=1 V/μPa。声压灵敏度级的测量偏差ΔM=Δ(20lgUo)-Δ(20lgP)，故灵敏度级的测量偏差约为±1 dB。

2 仿真与理论分析

2.1 声压产生的电压响应仿真分析

为了研究Parylene-C封装对传感芯片性能的影响，对传感芯片在Parylene-C封装前后的力学与电学特性进行了分析，然后通过压电方程进行关联，最终得到在一定声压下传感器芯片的电压响应。由于传感芯片结构较复杂，本文通过专用仿真软件构建传感芯片结构模型如图5所示，并用仿真计算的方法对传感芯片的声压响应进行分析。

对Parylene-C封装前后的传感器模型进行稳态仿真，靠近空腔的底电极接地，得到其在垂直于传感器表面1 000 Pa压力作用下的电势分布如图6所示，其最大电势分别为2.14×10-2V和1.17×10-2V。

综上所述，传感芯片在进行Parylene-C封装后，其电压响应与封装前的电压响应比值R=(1.17×10-2)/(2.14×10-2)≈0.55。在进行Parylene-C封装后，传感器件的声压灵敏度约为封装前的55%。

2.2 等效机电图

传感器的等效电路模型将传感器的机械与电学特性相结合，对其工作原理的理解、特性分析以及设计优化均有重大帮助。忽略压电材料的介质损失，不考虑声学域时，压电MEMS声学传感器的等效电路模型[7]如图7所示。图中Vin、C0、Cm、Rm、Lm、η分别为传感器的输入电压、静态电容、等效柔顺性、机械摩擦阻、等效质量、机电转换系数。

当采用电学激励产生辐射声波时，假设Rs、Ls分别为传感器的辐射声阻、辐射声抗，其等效电路模型[7]如图8所示。

(2)

机械谐振时：

(3)

(4)

则谐振振幅为

(5)

当传感器在接收状态工作时，外力作用为

F=υPfS

(6)

式中：υ为声场的畸变系数；Pf为声压；S为传感器感应面积。其等效电路模型如图9所示。

此时，传感器的振速为

(7)

(8)

则接收电压灵敏度为

(9)

当声学传感器在远离其谐振频率的低频状态(10～10 000 Hz)下工作时，其灵敏度[8]可简化为

(10)

将式(6)代入式(10)，则：

(11)

令:

(12)

则:

(13)

式中Krt为接收发射转换系数。

由文献[7]可知，Rs、υ、S、Lm、Ls、Cm、C0、η仅与传感器结构、各层材料的材料属性相关，而Rm与传感器结构、材料和输入信号有关。当传感器结构、各层材料和输入信号相近时，可以近似认为Krt为常数。因为Krt是一个将传感器在发射以及接收状态时的性能相关联的系数，故称Krt为接收发射转换系数，简称转换系数。由式(13)可以看出，当传感器在发射状态且Vin与umax一定时，Krt越大，传感器在接收状态时的低频接收灵敏度M越大；反之，Krt越小，则M越小。因此，转换系数Krt可用来衡量传感器由发射转换为接收时感应声信号能力的强弱，即转换性能的好坏。若Krt为常数，发射的驱动电压Vin一定，谐振时振幅与器件的低频接收灵敏度正相关。通过测量封装器件各个传感单元在谐振频率的振动幅值可预估传感器声压灵敏度，也可通过测量器件的声压灵敏度预估封装器件各个传感单元在谐振频率的振动幅值，从而减少了实验项目，提高了实验效率。

3 结果与讨论

3.1 振动幅值分析

采用1.2节所述方法，通过LDV对传感芯片的某个传感单元施加周期线性调频脉冲信号，得到其谐振频率及在该频率下的振动位移，如图10(a)所示。重复上述实验，对所有传感单元进行测量得到各个单元在各自谐振频率下的最大振幅(简称谐振峰幅值或谐振振幅)，如图11(a)所示，各个单元谐振峰幅值的均值为159.68 pm，标准差为20.99 pm。

将该传感器件进行厚12 μm的Parylene-C封装，同样对封装器件进行上述测量，得到某个传感单元的谐振频率及在该频率下的振动位移，如图10(b)所示。图11(b)为各个单元谐振峰的幅值。各个单元谐振峰幅值的均值为77.68 pm，标准差为14.85 pm。

由图11可知，对器件进行Parylene-C封装后，器件结构发生变化，每个传感单元的谐振峰幅值均有不同程度下降，各个单元谐振峰幅值的均值减小为传感器件的48%。

3.2 振型分析

采用1.2节所述方法，待测样品的测试频率设置为谐振频率附近的某个值，扫描信号为正弦信号。通过LDV的多点扫描功能测量传感芯片、封装器件内各个传感单元的振动模态，结果如图12所示。

3.3 接收灵敏度分析

传感芯片产生的电信号过小，不能直接进行灵敏度测试，本文只对连接了具有100倍放大功能电路的传感器件与封装器件进行灵敏度测试。采用1.3节所述方法，对传感器件的声压灵敏度级以及灵敏度频率响应进行测试，结果如图13所示。由图13(b)可见，传感器件在215 Hz时的声压灵敏度为3.04×10-9V/μPa，则声压灵敏度级M=20lg(3.04×10-9)≈-170.34 dB(ref.1 V/μPa)。由图13(a)可以看出，在频率10～500 Hz时的声压灵敏度级较均匀，平均声压灵敏度级约为-173.25 dB(ref.1 V/μPa)。

对封装器件的声压灵敏度级及灵敏度频率响应进行测试，结果如图14所示。由图14(b)可以看出，在215 Hz时封装器件的声压灵敏度为1.28×10-9V/μPa，则声压灵敏度级M=20lg(1.28×10-9)≈-177.86 dB(ref.1 V/μPa)。由图14(a)可见，在10～500 Hz时封装器件的声压灵敏度级较均匀，平均声压灵敏度级约为-180.81 dB(ref.1 V/μPa)。Parylene-C封装使器件的声压灵敏度下降7.56 dB，约为封装前的42%。

比较振动幅值与接收灵敏度的分析结果可知，传感器件进行Parylene-C封装后，各个传感单元在谐振频率处的振幅均值与声压灵敏度均出现下降，分别为封装前的48%、42%，两者幅度接近。由式(13)可知，采用厚12 μm的Parylene-C薄膜进行封装后，器件的接收发射转换系数Krt由3.41×106V2/(Pa·m)变为2.93×106V2/(Pa·m)，变化较小，可被近似认为是一个常数。因此，通过测量封装器件在谐振频率处的振幅均值可预估传感器声压灵敏度，也可通过测量器件的声压灵敏度预估封装器件在谐振频率处的振幅均值。据此推断，相同设计与工艺的器件，因其Krt近似相等，故也可用此方法进行声压灵敏度与谐振振幅均值的快速筛选，从而减少实验项目，提高实验效率。

4 结束语

本文通过有限元仿真分析了封装前后模型低频灵敏度的变化，理论推导了传感器在接收和发射时的等效电路参数及其内在联系，发现器件的低频接收灵敏度、谐振振幅与激励电压可通过接收发射转换系数Krt相关联。实验结果表明，Parylene-C封装前后的Krt近似为常数，通过测量振幅均值的降幅可以得到灵敏度的下降值，且采用实测振幅均值方式比采用仿真方式预估器件灵敏度的降幅更准确。同理，相同设计与工艺的器件因其Krt近似相等，测量谐振振幅均值可预估器件的低频声压灵敏度，测量低频声压灵敏度可预估器件的谐振振幅均值。采用上述方法对器件进行快速筛选，可以减少实验项目，且提高了实验效率。