突破高性能MEMS谐振式差压传感器工艺局限：新型TGV晶圆级封装技术
2026-08-15 15:52:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
厦门大学萨本栋微纳研究院的研究团队提出了一种采用新型TGV晶圆级封装技术的高性能MEMS谐振式差压传感器，以突破传统的阳极键合工艺局限，并同时实现Q值最大化。
MEMS谐振式压力传感器具有本征数字输出和高分辨率等优势，对于高精度应用至关重要。为了实现高性能，这类传感器通常需要较高的品质因数（Q值）以及可靠的真空封装。然而，在晶圆级MEMS制造过程中，穿过封装层的可靠电气引线仍是一项重大挑战。通过玻璃通孔（TGV）技术直接在玻璃盖板中构建坚固、低损耗且具有良好气密性的晶圆级电气通路，是一种必要且具有创新性的解决方案，有望突破目前仍然存在的良率和性能瓶颈。
据麦姆斯咨询介绍，厦门大学萨本栋微纳研究院的研究团队提出了一种采用新型TGV晶圆级封装技术的高性能MEMS谐振式差压传感器，以突破传统的阳极键合工艺局限，并同时实现Q值最大化。该压力传感器展现出优异的性能指标，Q值高达33269，并在宽温度范围内满量程输出（FSO）精度优于0.027%。相关研究成果以“High-Q MEMS Resonant Differential Pressure Sensor Using Wafer-Level Through-Glass-Via Packaging to Surmount Anodic Bonding Limitations”为题，发表于IEEE Electron Device Letters期刊。
图1 MEMS谐振式差压传感器整体示意图
器件设计与制造
该MEMS谐振式差压传感器采用双膜片耦合结构。当压力作用于第一膜片时，膜片发生形变，并将应变传递至耦合谐振器，使其理论固有频率（f₀）发生变化，进而转换为可测量的谐振频率信号。谐振器结构采用4英寸低电阻率（𝜌<0.002 Ω·cm）N型单晶硅晶圆作为盖板衬底制备。该谐振器由一个H形微梁构成，采用静电驱动方式激励，并通过电容式检测实现谐振信号的测量。
双膜片设计可确保压力传感器具有较高的线性度，并最大程度降低静态压力对差压测量结果的影响。TGV技术则主要用于抑制电学寄生效应，尤其是降低互连引线的串联电阻Rₛ。
图2 TGV互连结构及电阻特性
为减小电学寄生效应，特别是互连引线串联电阻Rₛ所引起的电阻，研究人员采用了一种新型TGV封装技术。TGV盖板采用BF33硼硅玻璃晶圆制备，这种材料有助于降低热失配应力。首先通过湿法刻蚀或激光钻孔在BF33玻璃中形成通孔，随后沉积Cr/Au薄膜金属层，最后利用低熔点玻璃熔块对通孔进行气密填充。该工艺能够实现高良率的晶圆级气密封装。
图3 压力传感器芯片的制备工艺流程
通过将集成TGV结构的玻璃盖板与MEMS硅芯片进行阳极键合实现完整的晶圆级真空封装。所采用的低电阻率硅柱（<0.01 Ω·cm）测得的电气引线通孔电阻仅为51.3 Ω，相比传统的方案（金线键合或高电阻率硅柱通常达到180～220 Ω）显著降低了74%～77%。
实验结果
该器件的总品质因数（Qₜₒₜₐₗ）约为33269，显著高于对应非TGV器件的16539。非TGV器件采用传统的金线键合方式，产生了更大的电阻，导致其Qₜₒₜₐₗ较低。这一结果充分证明了TGV低电阻率电气通路在降低电阻方面的有效性。
图4 压力传感器综合性能测试
所制备的传感器在高精度压力腔中进行了测试，测试覆盖了完整的温度范围（−45℃至45℃）以及完整的差压范围（0～260 kPa），最高静压（SP）1 MPa。选择−45℃至45℃的温度范围，主要是基于高空航空航天应用和工业控制环境的实际需求。器件的灵敏度达到44.17 Hz/kPa，表明其具有较强的机械耦合。与此同时，测试结果显示传感器具有较高的线性度和较低的静压偏移，进一步验证了双膜片结构设计的有效性。
此外，该压力传感器表现出较低的频率温度系数（−0.96 Hz/℃）。这一较低的温度系数主要得益于BF33硼硅玻璃的应用，其热膨胀系数与硅材料高度匹配，从而有效降低了温度变化引起的热应力及频率漂移。
在整个测试范围内，该压力传感器总体精度优于0.027% FSO。为确保传感器在完整的压力和温度范围内保持高精度，研究团队在外部读出集成电路中采用了多参数多项式补偿策略。该方法综合利用传感器的多路输出信号，包括差压频率、静压频率以及集成的PTAT温度信号，对静压和温度变化引起的漂移进行同步校正，从而显著提升传感器在宽压力、宽温度范围内的测量精度。
结论
总结而言，该研究成功研制了一种采用新型TGV晶圆级封装技术的高性能MEMS谐振式差压传感器。低电阻率TGV电气引线通路能够显著抑制电阻，使器件实现33269的高Q值和0.035 Hz的频率稳定性；在−45℃至45℃的温度范围内，整体测量精度优于0.027% FSO。研究结果表明，TGV封装技术是一种更具优势的解决方案，可用于制造高性能、高精度MEMS谐振器件，尤其适用于传统阳极键合技术因导电通路造成电气短路而受到工艺限制的应用场景。
论文链接：https://doi.org/10.1109/LED.2025.3644862
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