MEMS机油压力传感器可靠性研究

在集成电路生产工艺和专用微机电加工方法的基础上，MEMS是一项蓬勃发展的高新技术，采用MEMS技术开发的压力传感器具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、批量生产容易、成本低等优点，逐渐取代了基于传统机电技术的压力传感器。目前，许多MEMS压力传感器应用于汽车电子系统，如发动机共轨压力、油压力、歧管空气进气压力、轮胎压力等。其中，油压传感器是测量汽车发动机油压的重要传感器，其可靠性直接关系到汽车和人的安全。选择MEMS压力芯片，成功研发汽车发动机油压力传感器，研究油压力传感器的封装工艺和可靠性。在传感器开发过程中，严格按照汽车电子产品的质量要求，分析和测试传感器的包装和安装过程，大大提高了传感器的可靠性。

二是工作原理和制造技术。

MEMS压力传感器利用压阻效应原理，采用集成工艺技术混合扩散，沿单晶硅片上的特定晶方向形成应变电阻，形成惠斯通电桥，利用硅片材料的弹性力学特性，在同一硅片材料上进行各向异性微加工，形成集力敏和力电转换检测为一体的扩散硅片传感器。一般来说，传感器芯片产生4个多晶硅电阻，电阻制作在硅膜的边缘，是因为在膜的边缘，当膜受到作用力时，应变引起的电阻变化最大。4个电阻R1、R2、R3、R4构成惠斯通电桥构成压力检测电路，当电桥输入的电压为Vin时，膜上的4个电阻相等(即R1=R3=R3=R4)，当膜受力变形时，2个电阻变大，2个电阻变小，

Voffset是传感器零应力和零应变时的输出。从式(1)可以看出，压阻压力传感器有两种工作方式，一种是恒压工作，另一种是恒流工作。

MEMS压力传感器的重要包装形式之一是采用充油不锈钢结构，称为充油的基本制造技术包括芯片、导线、包装箱、充油和二次组装。

三是可靠的实验。

3.1芯片贴片技术。

传感器的芯片技术对传感器的性能有很大影响，一般要求足够的芯片强度，尽可能小的芯片应力，满足传感器的工作温度等。对压力芯片使用的贴片材料主要有焊料和胶料，不同的贴片材料对传感器的性能有很大影响。焊接芯片时需要金属化处理芯片背面，技术复杂，用胶片芯片，技术简单，成本低，本压力传感器选择芯片技术芯片。固化后粘合剂的硬度对传感器的性能有很大影响，因此粘合剂对压力传感器零点输出的影响进行了试验，对于同一芯片，分别采用无粘合剂、软粘合剂(杨氏模量约为1~10MPa量级，玻璃化温度低于-40℃)，硬粘合剂(杨氏模量为3.56GPa，玻璃化温度为85℃)等3种情况，在-30~125℃进行了试验。

粘合剂对传感器零点的影响随温度的变化而变化，在低温下，使用硬粘合剂的传感器零点明显高于使用软粘合剂和无粘合剂，这种差异随温度的上升而变小。这主要有三个原因：①胶水的弹性模量随温度升高而变小；②胶水的高温硬化，低温时会引起收缩的残余应力；③胶水与芯片材料的热膨胀系数不同产生的热应力。特别需要注意的是，85℃后，硬胶的影响突然变小，几乎与无胶的情况相同。这是因为硬橡胶的玻璃化温度(Tg)为85℃，高于Tg时橡胶的杨氏模量变小，对传感器零点温度的影响变小。因此，在选择胶水时，胶水的Tg大于传感器的工作温度，确保传感器零点的稳定性和工作可靠性。

3.2引线连接技术。

引线键有Al线和Au线两种，Au线性能好，压力传感器的键技术选择Au线。在键合过程中，要保持键合面清，否则会影响键合强度，等离子清洗是有效提高键合强度的方法。油压传感器工作环境恶劣，特别是频繁振动会导致金丝有缺陷的地方疲劳断裂，或者最容易疲劳的地方，例如第二焊点附近的颈部位置断裂，因此需要较高的键合质量。曾经对开发的油压传感器进行过台架试验，在一组样品中经过6×105次加压和卸压试验后，发现两个样品发生故障，故障分析结果显示，一个样品的故障模式是信号处理电路的电阻损坏，另一个样品的故障模式是金线断裂。在这种情况下，可采用双金丝键合工艺，尽量选择高纯度、低缺陷的金丝，在引线键合过程中进行可靠性试验。

3.3硅油的选择和处理。

由于芯片对环境的要求特殊，接触硅芯片的硅油需要具备以下特点：良好的介电性能，尽可能小的热膨胀系数，良好的化学稳定性，良好的耐热性和耐寒性。硅油的净化处理是薄膜隔离压力传感器封装的重要技术步骤，如果净化不干净，硅油和传感器的压力部分的油腔混合气体、水分等容易挥发的物质，温度区整体的体积变化不规则，外部的待测压力不能正确地传递给芯片，压力传感器的温度变化更加严重。这种现象反映在零点的温度漂移上，可用于评估包装质量。通常，由于恒压源激励下压力传感器的灵敏度温度系数为负值，压力传感器的零点稍下降，如图5、6、7、8所示硅油净化不足的压力传感器零点的温度漂移很大，但随着温度漂移量的增加，这种温度漂移量很难保证硅油的高度。

硅油在高温下长时间工作会发生变化。如果新分解的化学成分中含有小颗粒的导电性物质，可能会通过芯片钝化层破坏芯片或介入扩散阻力条的中间，形成短路或污染。如图6所示，隔离包装的压力传感器长时间放置在125℃的高温下。

1#、2#、3#涂抹保护层，4#、5#未涂抹保护层。没有保护层的传感器在高温下保存约200小时后，其零点突然发生变化，之后数据不稳定涂有保护层的压力传感器零点在600小时以上后也稳定。因此，为了防止硅油污染引起的压力传感器故障，采取了必要的措施。首先，在高温下尽量选择稳定的硅油，其次，尽量选择钝化层好的芯片，最后，在不影响敏感度的情况下，在封装过程中也可以对芯片和导线进行钝化层处理。

四是结论。

分析和实验结果表明，油压传感器的包装材料和各工艺步骤都会影响传感器的性能和可靠性。贴片橡胶的性能不能满足要求，传感器信号的漂移和高温不稳定的导线连接强度不足，工作中断裂的硅化学稳定性和耐温性不足，传感器的高温输出信号不稳定，硅油中的空气和杂质传感器的零点输出过大等。这些问题的存在会影响传感器的长期可靠性。

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