MEMS機油壓力傳感器可靠性研究

在集成電路生產(chǎn)工藝和專用微機電加工方法的基礎(chǔ)上，MEMS是一項蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)，采用MEMS技術(shù)開發(fā)的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、批量生產(chǎn)容易、成本低等優(yōu)點，逐漸取代了基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的壓力傳感器。目前，許多MEMS壓力傳感器應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)，如發(fā)動機共軌壓力、油壓力、歧管空氣進氣壓力、輪胎壓力等。其中，油壓傳感器是測量汽車發(fā)動機油壓的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車和人的安全。選擇MEMS壓力芯片，成功研發(fā)汽車發(fā)動機油壓力傳感器，研究油壓力傳感器的封裝工藝和可靠性。在傳感器開發(fā)過程中，嚴格按照汽車電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求，分析和測試傳感器的包裝和安裝過程，大大提高了傳感器的可靠性。

二是工作原理和制造技術(shù)。

MEMS壓力傳感器利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)混合擴散，沿單晶硅片上的特定晶方向形成應(yīng)變電阻，形成惠斯通電橋，利用硅片材料的彈性力學特性，在同一硅片材料上進行各向異性微加工，形成集力敏和力電轉(zhuǎn)換檢測為一體的擴散硅片傳感器。一般來說，傳感器芯片產(chǎn)生4個多晶硅電阻，電阻制作在硅膜的邊緣，是因為在膜的邊緣，當膜受到作用力時，應(yīng)變引起的電阻變化最大。4個電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成惠斯通電橋構(gòu)成壓力檢測電路，當電橋輸入的電壓為Vin時，膜上的4個電阻相等(即R1=R3=R3=R4)，當膜受力變形時，2個電阻變大，2個電阻變小，

Voffset是傳感器零應(yīng)力和零應(yīng)變時的輸出。從式(1)可以看出，壓阻壓力傳感器有兩種工作方式，一種是恒壓工作，另一種是恒流工作。

MEMS壓力傳感器的重要包裝形式之一是采用充油不銹鋼結(jié)構(gòu)，稱為充油的基本制造技術(shù)包括芯片、導線、包裝箱、充油和二次組裝。

三是可靠的實驗。

3.1芯片貼片技術(shù)。

傳感器的芯片技術(shù)對傳感器的性能有很大影響，一般要求足夠的芯片強度，盡可能小的芯片應(yīng)力，滿足傳感器的工作溫度等。對壓力芯片使用的貼片材料主要有焊料和膠料，不同的貼片材料對傳感器的性能有很大影響。焊接芯片時需要金屬化處理芯片背面，技術(shù)復雜，用膠片芯片，技術(shù)簡單，成本低，本壓力傳感器選擇芯片技術(shù)芯片。固化后粘合劑的硬度對傳感器的性能有很大影響，因此粘合劑對壓力傳感器零點輸出的影響進行了試驗，對于同一芯片，分別采用無粘合劑、軟粘合劑(楊氏模量約為1~10MPa量級，玻璃化溫度低于-40℃)，硬粘合劑(楊氏模量為3.56GPa，玻璃化溫度為85℃)等3種情況，在-30~125℃進行了試驗。

粘合劑對傳感器零點的影響隨溫度的變化而變化，在低溫下，使用硬粘合劑的傳感器零點明顯高于使用軟粘合劑和無粘合劑，這種差異隨溫度的上升而變小。這主要有三個原因：①膠水的彈性模量隨溫度升高而變??；②膠水的高溫硬化，低溫時會引起收縮的殘余應(yīng)力；③膠水與芯片材料的熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。特別需要注意的是，85℃后，硬膠的影響突然變小，幾乎與無膠的情況相同。這是因為硬橡膠的玻璃化溫度(Tg)為85℃，高于Tg時橡膠的楊氏模量變小，對傳感器零點溫度的影響變小。因此，在選擇膠水時，膠水的Tg大于傳感器的工作溫度，確保傳感器零點的穩(wěn)定性和工作可靠性。

3.2引線連接技術(shù)。

引線鍵有Al線和Au線兩種，Au線性能好，壓力傳感器的鍵技術(shù)選擇Au線。在鍵合過程中，要保持鍵合面清，否則會影響鍵合強度，等離子清洗是有效提高鍵合強度的方法。油壓傳感器工作環(huán)境惡劣，特別是頻繁振動會導致金絲有缺陷的地方疲勞斷裂，或者最容易疲勞的地方，例如第二焊點附近的頸部位置斷裂，因此需要較高的鍵合質(zhì)量。曾經(jīng)對開發(fā)的油壓傳感器進行過臺架試驗，在一組樣品中經(jīng)過6×105次加壓和卸壓試驗后，發(fā)現(xiàn)兩個樣品發(fā)生故障，故障分析結(jié)果顯示，一個樣品的故障模式是信號處理電路的電阻損壞，另一個樣品的故障模式是金線斷裂。在這種情況下，可采用雙金絲鍵合工藝，盡量選擇高純度、低缺陷的金絲，在引線鍵合過程中進行可靠性試驗。

3.3硅油的選擇和處理。

由于芯片對環(huán)境的要求特殊，接觸硅芯片的硅油需要具備以下特點：良好的介電性能，盡可能小的熱膨脹系數(shù)，良好的化學穩(wěn)定性，良好的耐熱性和耐寒性。硅油的凈化處理是薄膜隔離壓力傳感器封裝的重要技術(shù)步驟，如果凈化不干凈，硅油和傳感器的壓力部分的油腔混合氣體、水分等容易揮發(fā)的物質(zhì)，溫度區(qū)整體的體積變化不規(guī)則，外部的待測壓力不能正確地傳遞給芯片，壓力傳感器的溫度變化更加嚴重。這種現(xiàn)象反映在零點的溫度漂移上，可用于評估包裝質(zhì)量。通常，由于恒壓源激勵下壓力傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負值，壓力傳感器的零點稍下降，如圖5、6、7、8所示硅油凈化不足的壓力傳感器零點的溫度漂移很大，但隨著溫度漂移量的增加，這種溫度漂移量很難保證硅油的高度。

硅油在高溫下長時間工作會發(fā)生變化。如果新分解的化學成分中含有小顆粒的導電性物質(zhì)，可能會通過芯片鈍化層破壞芯片或介入擴散阻力條的中間，形成短路或污染。如圖6所示，隔離包裝的壓力傳感器長時間放置在125℃的高溫下。

1#、2#、3#涂抹保護層，4#、5#未涂抹保護層。沒有保護層的傳感器在高溫下保存約200小時后，其零點突然發(fā)生變化，之后數(shù)據(jù)不穩(wěn)定涂有保護層的壓力傳感器零點在600小時以上后也穩(wěn)定。因此，為了防止硅油污染引起的壓力傳感器故障，采取了必要的措施。首先，在高溫下盡量選擇穩(wěn)定的硅油，其次，盡量選擇鈍化層好的芯片，最后，在不影響敏感度的情況下，在封裝過程中也可以對芯片和導線進行鈍化層處理。

四是結(jié)論。

分析和實驗結(jié)果表明，油壓傳感器的包裝材料和各工藝步驟都會影響傳感器的性能和可靠性。貼片橡膠的性能不能滿足要求，傳感器信號的漂移和高溫不穩(wěn)定的導線連接強度不足，工作中斷裂的硅化學穩(wěn)定性和耐溫性不足，傳感器的高溫輸出信號不穩(wěn)定，硅油中的空氣和雜質(zhì)傳感器的零點輸出過大等。這些問題的存在會影響傳感器的長期可靠性。

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