名師推薦汽車MEMS壓力傳感器的研究與應(yīng)用肖沛宏

1、汽車用MEMS壓力傳感器的研制及應(yīng)用聯(lián)系人胡先生新磁(上海)電子有限公司www.sensors-icxom郵件jbg2O13手Q1436755683摘要：本文介紹了采用擴(kuò)散硅壓力芯片和MEMS寸裝技術(shù)研制汽車壓力傳感器的過(guò)程。項(xiàng)目研制的重點(diǎn)在丁對(duì)應(yīng)變壓阻芯片的力學(xué)特性，封裝技術(shù)、引線鍵合的特點(diǎn)及難點(diǎn)、信號(hào)調(diào)制等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的分析研究，試驗(yàn)驗(yàn)證等。通過(guò)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)，本項(xiàng)目成果滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求，產(chǎn)品達(dá)到國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平*。關(guān)鍵詞微電機(jī)系統(tǒng)，壓力傳感器，設(shè)計(jì)，封裝，應(yīng)用Keywords:MEMSPressuresensor,Design,Packa

2、ge,Application簡(jiǎn)介汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車傳感器的發(fā)展水平很大程度上決定了汽車電子化和智能化的水平。傳感器作為汽車儀表和電子控制裝置的重要部件，分布在汽車的各個(gè)控制系統(tǒng)中。如：發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)及車身控制系統(tǒng)等，均離不開(kāi)高性能的傳感器。據(jù)賽迪數(shù)據(jù)(CCID)統(tǒng)計(jì)顯示，目前一輛普通汽車上的傳感器大約20多個(gè)，而有些高檔轎車上的傳感器多達(dá)200多個(gè)。預(yù)測(cè)2005年中國(guó)汽車電子產(chǎn)品總產(chǎn)值將達(dá)到1050億元，而未來(lái)的3至5年，電子信息產(chǎn)業(yè)同汽車工業(yè)通過(guò)融合將形成4000億美元的汽車電子

3、市場(chǎng)。隨著中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，傳感器無(wú)疑將成為未來(lái)3-5年內(nèi)增長(zhǎng)速度最快的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的傳感器由丁體積和重量大、精度低，在汽車上的應(yīng)用受到很大的限制。MEMSMICROELECTRONIC&MECHANICALSYSTEM住集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機(jī)電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來(lái)的高新科技，用MEMS術(shù)研制的微型傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、易丁批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢(shì)。它們已經(jīng)開(kāi)始逐步取代基丁傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的傳感器。本項(xiàng)目是根據(jù)東風(fēng)有限公司研發(fā)的柴油電噴發(fā)動(dòng)機(jī)Dci11和T1汽車平臺(tái)的需求提出的。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用狀態(tài)需求的分析，確定本項(xiàng)目采用MEMSfc術(shù)。其

4、型號(hào)產(chǎn)品為：機(jī)油壓力傳感器(D5010437049AN63)制動(dòng)氣壓傳感器(3682610-C0100)項(xiàng)目研制完成后，其應(yīng)用產(chǎn)品不僅可以滿足東風(fēng)有限在機(jī)油壓力監(jiān)測(cè)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)的需求，取代進(jìn)口CK釁；同時(shí)還將運(yùn)用到其他電子控制系統(tǒng)上，如ECASI統(tǒng)、輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)共軌壓力(commonrailpressure)的監(jiān)測(cè)等，具有廣闊的市場(chǎng)前景1汽車MEM味力傳感器的功能設(shè)計(jì)定義1、預(yù)期功能及主要技術(shù)指標(biāo)(1) 產(chǎn)品的主要功能及用途：MEMS壓力傳感器是基于SiO2的多晶硅(低壓環(huán)境)或氮化硅(高壓環(huán)境)壓力傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)汽車各系統(tǒng)的工作壓力(油壓、氣壓等)。本項(xiàng)目

5、的研制主要應(yīng)用于DCI11柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力傳感器、T1車型用制動(dòng)氣壓傳感器，同時(shí)它的系列產(chǎn)品還將應(yīng)用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)主油道軌壓監(jiān)測(cè)、ECAS系統(tǒng)氣囊壓力的監(jiān)測(cè)以及加速度和振動(dòng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)等。測(cè)量壓力范圍從負(fù)壓(-0.1MPa)到160MPa(加速度測(cè)量除外)，溫度范圍從-40C-+125C。(2) 主要技術(shù)指標(biāo)如下:1、項(xiàng)目產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)：測(cè)量范圍：0160MPa(commonrailpressure)01.6MPa(oilpressure)溫度范圍：-40C150C壓力遲滯：0.05%溫度遲滯：0.05%功耗：1mW斷裂壓力：208MPa(30000PSI)-高壓傳感器傳感器

6、經(jīng)過(guò)信號(hào)電路芯片條理后的輸出特性可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。2、機(jī)油壓力傳感器(D5010437049AN63)電源電壓：DC5V電源供給電流：8mA(max)工作溫度：-40-+125C輸出電流：1mA(maX工作壓力范圍：-0.07-0.6MPa輸出電壓范圍：0.585-4.5VDC/0-0.54MPa線性輸出3、制動(dòng)氣壓傳感器(3682610-C0100)電源電壓：DC5V儲(chǔ)存溫度：-40-+95C工作溫度：-40-+85C基準(zhǔn)工作電壓：5VDC最大工作電壓：7VDC標(biāo)稱壓力：0-1.47MPa工作壓力范圍：0-1.6MPa輸出電壓范圍：0.5-4.5VDC/0-1.47MPa線性輸出

7、4、性能應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范QC/T413-2002汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件抗干擾性能通過(guò)ISO7637標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試63EQC-01-2005機(jī)油壓力(電子)傳感器QC/T8-98汽車壓力表CAhffi信規(guī)范符合J1939J1587標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定2、技術(shù)方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)方案的選擇(1) 機(jī)油壓力傳感器采用新的硅工藝傳感器芯片，針對(duì)機(jī)油壓力傳感器的抗高低溫、耐惡劣環(huán)境等特性要求，采用特殊的封裝設(shè)計(jì)與并進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，對(duì)傳感器溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償和防電磁干擾處理，分析失效機(jī)理及其預(yù)防措施，在生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)合批量檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測(cè)試以及工作壽命等的考核，使產(chǎn)品符合汽車環(huán)境可靠性要求，同時(shí)能夠滿足大批

8、量、高成品率的生產(chǎn)要求。(2) 制動(dòng)氣壓傳感器采用新的硅工藝傳感器芯片，針對(duì)氣壓傳感器的抗高低溫特性等要求，采用硅膠進(jìn)行保護(hù)，并對(duì)封裝進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，對(duì)傳感器溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償和防電磁干擾處理，分析失效機(jī)理及其預(yù)防措施，在生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)合批量檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測(cè)試以及工作壽命等的考核，使產(chǎn)品符合汽車環(huán)境可靠性要求，同時(shí)能夠滿足大批量、高成品率的生產(chǎn)要求。2.2關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求，我們將項(xiàng)目產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作分為四個(gè)部分：即壓力敏感芯片的設(shè)計(jì)、壓力敏感芯片的封裝設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)、傳感器調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和傳感器外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中：2.1.1壓力敏感芯片的設(shè)計(jì)本項(xiàng)目采用的是基丁硅壓阻效應(yīng)

9、的MEM/力敏感芯片。該芯片采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)丁一體的擴(kuò)散硅傳感器，截面升壞口并對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度作了估算圖如圖1所示在材料選擇、芯片薄膜大小與膜厚的設(shè)計(jì)、藝、結(jié)構(gòu)尺寸和阻值的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)為：1）芯片材料：以雙面拋光100罪向4英寸N型單晶硅片作襯底，硅片厚度為500土5m采用擴(kuò)散工藝制作P+電阻，用PN結(jié)作終止刻蝕，用化學(xué)方法形成硅杯。2）芯片指標(biāo)：測(cè)量量程：按需要確定，方膜邊長(zhǎng)設(shè)為1000m膜的厚度為

10、25m橋路電阻為5KQ;圖2為所設(shè)計(jì)的壓力傳感芯片版圖。3）壓力傳感器的靈敏度分析當(dāng)壓阻發(fā)生變化時(shí)，其輸出電壓信號(hào)的變化為：'R/Vin土44_,:V°ut=VinlR2由該式可求出傳感器得靈敏度。在包壓工作情況下，壓力傳感器的靈敏度(D（SM定義為每單位壓力變化引起輸出信號(hào)的相對(duì)變化(2)假設(shè)將電阻布置在薄膜邊沿，在350-500叩的區(qū)間，其正交應(yīng)力之差為250MPa應(yīng)用式（2）可求出壓力傳感器的靈敏度為0.1725mV/V-KPa。2.2.2壓力敏感芯片的封裝設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)（1）機(jī)油壓力傳感器根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求，機(jī)油壓力傳感器需要直接暴露在被測(cè)量的機(jī)油中，因此，必須采用既

11、能保護(hù)芯片乂能保證所感受到的壓力能夠正常傳遞到敏感芯片上的封裝方法。因此對(duì)傳感器壓力敏感芯片采用了氣密充油的不銹鋼封裝（圖3所示）。采用這種封裝的產(chǎn)品可以滿足以下幾方面的要求:1）機(jī)械上是堅(jiān)固的，抗振動(dòng)，抗沖擊;2)感芯片封裝外型避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響；3）電氣上芯片與環(huán)境或大地是絕緣的；4）是電磁屏敝的；5）用氣密的方式隔離機(jī)油；6）低的價(jià)格，封裝形式與標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容。機(jī)油壓力傳感器的封裝與工藝設(shè)計(jì)主要包括：隔離膜片的設(shè)計(jì)、傳感器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料設(shè)計(jì)和封裝工藝設(shè)計(jì)。圖4是機(jī)油壓力傳感器的封裝設(shè)計(jì)三維模型圖，圖5是剖面示意圖。aII圖4圖51）不銹鋼隔離膜片的設(shè)計(jì)根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求，不

12、銹鋼隔離膜片應(yīng)在測(cè)量壓力范圍內(nèi)的變形是處在線彈性范圍內(nèi)的。為了提高膜片的變形量，并增加其線性范圍，我們選擇波紋狀作為不銹鋼隔離膜片，如圖6所示。圖6.不銹鋼波紋片這種波狀的薄膜在同樣的載荷下既能產(chǎn)生較大的變形，乂能增加線性范圍。其撓度y與壓力P的關(guān)系表達(dá)式為：其中Bp、f3(3)A2q2q1Ap31-I叫Bp323-、q2_96(q-用q+3)J(4)式中q是薄膜波形特征因子，對(duì)正弦波型其q為:s".L(5)式中，h=膜片的厚度，R=膜片的半徑，s=波形弧長(zhǎng)；H=波形深度；1=波形空間周期。對(duì)平的薄膜q=1,波形的精確程度對(duì)q幾乎沒(méi)有影響，因此矩形波形一般可用正弦波近似。為保證壓力傳

13、感器波紋片上感受到的壓力能正常傳遞到壓力敏感芯片上，需要在波紋片和壓力敏感芯片問(wèn)充注硅油。硅油優(yōu)良的絕緣性能，乂保證了敏感芯片與傳感器外殼間的絕緣程度可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。我們應(yīng)用了小變形理論，導(dǎo)出了充油腔體的體積變化與壓力的關(guān)系如下：3(6)P=CN式中AV為填充油的體積變化，E為不銹鋼膜片的楊氏模量，v為泊松比，h為膜片的厚度，a為膜片的半徑。若硅油體積不發(fā)生變化，即硅油為不可壓縮的液體，那么，外界壓力將通過(guò)硅油無(wú)損耗的直接傳遞到硅膜片上，此時(shí)硅膜片將發(fā)生變形，因此，能準(zhǔn)確的測(cè)出外界的壓力。為了分析壓力通過(guò)隔離薄膜的傳遞規(guī)律，我們對(duì)這種封裝形式的傳感器作如下假設(shè)，即假設(shè)硅油是不可壓縮的，

14、不銹鋼膜片可看成周邊固支的圓形薄膜，則壓力通過(guò)硅油傳遞到硅薄膜將不引起任何附加損耗。簡(jiǎn)化模型如圖7所示。PgPSi圖7.隔離薄膜壓力傳感器彈性簡(jiǎn)化模型當(dāng)外界作用在傳感器上的壓力為P時(shí)，壓力通過(guò)不銹鋼膜片再由硅油傳遞到硅壓力膜片上，若不銹鋼膜片的彈性反作用力為Pm硅的彈性反作用力為PSi,則有(7)P=PsiPm由此，可得:DSiP=-i7WsiCsiaDmCmR4Wm=Psi1+&由危WmCmDsi1如Wsi(8)212(1-vm)，其中hn*隔離膜厚度,Eh3simDm式中Csi、C仍常數(shù)，Drm；硅膠薄膜的剛度系數(shù)，可表示為Eh3SiSiEm楊氏模量，v的泊松比；Dsi為硅薄膜的剛

15、度系數(shù)，可表示為：12(1-Vsi)，其中his為硅薄膜的厚度，ESi為硅的楊氏模量，vSi為硅的泊松比。(8)式表明：不銹鋼隔離薄膜的半徑越大、薄膜厚度越薄，壓力越容易通過(guò)硅油傳遞到硅芯片上，壓力的傳遞損失也越小。但硅油在外界壓力的作用下總是存在一定的體積變化，從式(6)可以看出，沖油腔體的體積變化越小，壓力的變化也越小。因此，應(yīng)盡量減小充油腔體的體積，減少硅油的充注量，進(jìn)而減少硅油對(duì)壓力傳遞的影響。2) 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。其中殼體內(nèi)的陶瓷底座主要是為了減小充油腔體的體積，并且為敏感芯片的貼裝提供基底。傳感器的底層我們選用了用可伐(Kovar)材料制作的TOK座

16、，封裝外殼采用不銹鋼材料制作。其中，敏感芯片、陶瓷和TCfc問(wèn)用貼片膠進(jìn)行粘接；敏感芯片通過(guò)金絲健合,實(shí)現(xiàn)芯片與TC!腿的電連接；T3座與不銹鋼外殼之間用儲(chǔ)能焊機(jī)焊接；不銹鋼波紋片與不銹鋼外殼之間用氯弧焊機(jī)焊接；殼體內(nèi)的硅油采用真空灌油工藝進(jìn)行灌注。3）封裝材料設(shè)計(jì)封裝材料選用的合適與否，直接決定了封裝后傳感器的性能和質(zhì)量。材料設(shè)計(jì)工作涉及到力學(xué)、電學(xué)和傳熱學(xué)等諸多問(wèn)題。我們?cè)诜庋b材料設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用的可伐（Kovar,Fe-Ni-Co）作為TC&屆外殼的底座材料?？煞ゲ牧隙季哂泻芎玫臒釋?dǎo)率和比硅要高的熱脹系數(shù)，而且可伐材料相對(duì)比較便宜?？煞ゲ牧蠠崤蛎浵禂?shù)為5.3X10-6/K（40-

17、250C）,與玻璃焊料的熱膨脹系數(shù)很接近，容易用玻璃焊料在底座上焊接管腿，且氣密性較好。TC®座的實(shí)物圖如圖8所示。選用陶瓷作為貼片底座和填充材料,感芯片底層材料）和可伐材料（TO底座）具有相近的熱膨脹系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)三者之間的熱匹配，進(jìn)而減少溫度變化對(duì)敏感芯片及鍵合金絲的影響，保證產(chǎn)品的可靠性。陶瓷底座的實(shí)物圖如圖9所示。外殼及波紋片選用不銹鋼材料主要是為了增強(qiáng)傳感器的抗腐蝕能力。4）封裝工藝設(shè)計(jì)本項(xiàng)目研制的制動(dòng)氣壓傳感器封裝實(shí)物圖如圖10所示。由丁氣壓傳感器的接觸介質(zhì)是空氣，其抗腐蝕要求相對(duì)較低，因此我們采用的是硅凝膠灌封的方式。敏感芯片直接貼裝在用可伐材料制作的TO底座上。其封裝結(jié)

18、構(gòu)、材料選擇和封裝工藝都較機(jī)油壓力傳感器簡(jiǎn)單，其封裝設(shè)計(jì)內(nèi)容也與機(jī)油壓力傳感器基本相同。針對(duì)機(jī)油壓力傳感器的使用環(huán)境對(duì)敏感芯片的影響，還設(shè)計(jì)了一套的生產(chǎn)工藝。包括：貼片鍵合工藝、焊接工藝、波紋片制造工藝、真空灌油工藝、氣密性檢測(cè)工藝等等。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，這些工藝可以滿足產(chǎn)品批量生產(chǎn)的要求。圖10兩種封裝的主要區(qū)別在丁合理的選用硅凝膠，主要考慮的因素是能夠在汽車使用環(huán)境下保證膠的抗腐蝕性能和具有較低的成本。由丁硅與可伐材料具有相近的熱膨脹系數(shù)，因此，將敏感芯片直接貼裝在TO底座上，對(duì)熱匹配沒(méi)有影響。圖11是氣壓傳感器的封裝結(jié)構(gòu)圖硅股引線硅芯片玻璃基片當(dāng)、蓋帽管座玻璃管腳圖.112.2.3傳感器

19、調(diào)理電路的設(shè)計(jì)傳感器調(diào)理電路的主要作用是對(duì)敏感芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，并且對(duì)由丁傳感器使用環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的傳感器零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)上采用了零點(diǎn)補(bǔ)償與傳感器輸出整體補(bǔ)償相配合的方式，較好的解決了傳感器的在-40度到125度之間溫度補(bǔ)償問(wèn)題，保證了傳感器在這一較寬的溫度范圍內(nèi)能夠滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度要求。圖12是在進(jìn)行溫度校準(zhǔn)前的傳感器輸出曲線，圖11是經(jīng)過(guò)溫度校準(zhǔn)后的傳感器輸出曲線。5圖12V3-校準(zhǔn)曲線-O-1號(hào)樣品2號(hào)樣品世3號(hào)律品圖13其次，我們對(duì)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，用較為簡(jiǎn)單的方式解決了傳感器的EMC問(wèn)題，攻克了汽車用傳感器的這一技術(shù)難關(guān)。圖14是傳感器調(diào)

20、理電路電原理圖。圖.14圖15傳感器外型圖2.2.4傳感器外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖15）2.2.5主要工藝流程（見(jiàn)圖16）機(jī)油床力傳感器I：藝流程圖圖16.機(jī)油壓力傳感器工藝流程圖2.2.6早期失效和性能降低的機(jī)理分析在傳感器的制造中，芯片安裝在玻璃、硅、陶瓷或者金屆基座上，安裝的方法或者基座材料選擇不合適，或者使傳感器不能感知被測(cè)量或者環(huán)境因素十?dāng)_傳感器對(duì)被測(cè)量的傳感。由于機(jī)油壓力傳感器需要和機(jī)油接觸，而機(jī)油具有腐蝕性，所以，機(jī)油壓力傳感器的封裝乂需要采用波紋片來(lái)隔絕機(jī)油，乂不妨礙壓力的傳遞。在傳感器的封裝過(guò)程中，如果處理不當(dāng)，在今后的使用過(guò)程中，勢(shì)必會(huì)造成傳感器的失效或者性能降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起

21、傳感器的報(bào)廢。早期失效或者性能降低的主要原因是由材料、設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、生產(chǎn)工藝、封裝等方面的問(wèn)題所致。1）敏感元件是由硅彈性體以及在硅芯片上利用熱擴(kuò)散注入形成的擴(kuò)散電阻組成的。彈性膜片采用的硅材料單晶拉制、切、磨、拋及隨后的加工過(guò)程中造成的損傷如位錯(cuò)、微裂紋、劃傷等缺陷在熱和機(jī)械載荷的作用下，特別是在機(jī)械應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生一些位錯(cuò)節(jié)的滑移和微裂紋的擴(kuò)展等微小變化，盡管這些變化是很小的，但當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限或發(fā)生累積效應(yīng)時(shí)，就會(huì)引起彈性膜片應(yīng)力關(guān)系的不穩(wěn)定，并逐漸演變成致命性失效。彈性膜片、擴(kuò)散電阻等的失效將會(huì)使參數(shù)發(fā)生漂移，導(dǎo)致失效，膜片的破碎會(huì)導(dǎo)致傳感器完全失去功能；2）體加工的壓力芯片需

22、要與玻璃真空鍵合在一起實(shí)現(xiàn)絕壓測(cè)量。陽(yáng)極鍵合與玻璃密封一樣是不導(dǎo)電的、氣密的、熱穩(wěn)定的和化學(xué)穩(wěn)定的，而且機(jī)械強(qiáng)度高。將硅片與Pyrex陽(yáng)極鍵合時(shí)，無(wú)論是芯片還是圓片，由TPyrex和硅有相接近的膨脹系數(shù)，封接所造成的熱應(yīng)力是很小的。這對(duì)壓阻型壓力傳感器極為有利。不過(guò)，理論上是這樣說(shuō)的，而實(shí)際生產(chǎn)中還時(shí)常出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。表現(xiàn)為：（1）硅片與玻璃片封接后脫落；（2）玻璃片炸裂。造成脫落的原因是材料拋亮平整度不夠，封接前活洗不十凈。開(kāi)裂的原因是原始裂紋和微開(kāi)裂，造成應(yīng)力集中。封接時(shí)的熱循環(huán)乂造成裂紋和開(kāi)裂的傳播，如果這些現(xiàn)象不加以注意，就會(huì)在使用過(guò)程中導(dǎo)致缺陷更加嚴(yán)重，從而使得傳感器性能下降甚至失效；

23、3）壓力傳感器電信號(hào)的傳遞是通過(guò)引線連接的。也就是說(shuō)，引線起著芯片上的電極與焊接在基座上接線柱之間連接的橋梁作用。引線連接的好壞直接影響到芯片是否工作以及性能。引線連接失效的主要原因有以下幾點(diǎn)：a. 引線孔處Al-Si接觸處合金不良，硅或鋁氧化，導(dǎo)致連接不通Al-Au鍵合點(diǎn)斷開(kāi)：主要原因是在刻蝕鋁保護(hù)層時(shí)，鋁電極表面上的低溫鈍化層沒(méi)有完全腐蝕十凈，剩余的低溫SiO2薄層介于金絲和鋁電極之間，減小了金絲的鍵合拉力，在膜片變形造成的對(duì)金絲的反復(fù)拉扯中脫落。在熱壓焊的過(guò)程中，如果熱壓溫度控制得不太好或者鍵合時(shí)壓力不夠，導(dǎo)致在金絲和鋁界面沒(méi)能形成良好的金屆化合物以及鍵合點(diǎn)處的各種沾污是鍵合失效的主要原

24、因。如果沒(méi)有嚴(yán)格的鍵合工藝質(zhì)量的檢查，鍵合帶來(lái)的缺陷可能在樣品裝配前沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，但是，溫度和機(jī)械應(yīng)力的作用，卻會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的劣化，而造成鍵合點(diǎn)開(kāi)裂，導(dǎo)致器件的失效；b. 接觸處硅沉淀引起局接觸電阻，最終失效；c. Kirklndall效應(yīng)和電遷移現(xiàn)象（如圖19）。在400-500C下熱處理合金化時(shí)，因硅在鋁中的溶解度很大，而鋁在硅中的溶解度很小，這一差別便造成過(guò)量的硅溶解到鋁中，因而在硅中形成空洞，空洞乂被鋁來(lái)填充，從而形成可以導(dǎo)電的釘子,對(duì)丁比較淺的PN結(jié)來(lái)說(shuō)容易造成短路或者漏電。*0電子AlSi圖19.電遷移現(xiàn)象示意圖4）傳感器中真空灌注的硅油，硅油表面張力極小，滲透力很強(qiáng)，如果出現(xiàn)焊接

25、缺陷，隨著傳感器使用過(guò)程中各種形式的破壞隨之發(fā)生，微細(xì)的焊接缺陷就會(huì)擴(kuò)大，從而導(dǎo)致硅油的滲漏，降低傳感器性能和壽命；5）壓力傳感器封裝設(shè)計(jì)的主要目的是使這種封裝具有廣泛的適應(yīng)性，并將封裝引起的性能惡化降至最小。在許多隔離膜片封裝的壓力傳感器中，誤差多是由隔離液和隔離膜片引起的。高溫引起的隔離液膨脹會(huì)引入誤差，同時(shí)，在從隔離膜片到隔離液的壓力傳遞過(guò)程中造成壓力損失。這樣就影響了壓力傳感器輸入輸出信號(hào)的良好的線性。2.2.7批量檢測(cè)設(shè)計(jì)機(jī)油壓力傳感器的封裝過(guò)程中導(dǎo)致成品率降低或者使用性能下降的最主要的兩個(gè)因素就是其封裝的氣密性和引線鍵合的可靠性。傳感器若存在微漏現(xiàn)象，則嚴(yán)重影響傳感器的現(xiàn)場(chǎng)使用。為

26、提高產(chǎn)品質(zhì)量，我們加強(qiáng)了對(duì)傳感器的各個(gè)密封處進(jìn)行密封性的檢測(cè)。傳感器的密封環(huán)節(jié)很多，其中包括硅片-玻璃的靜電封接面、波紋片的氧弧焊口以及金屆件和TO底座的焊接處。采用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段，對(duì)傳感器的各個(gè)密封處施以有效的密封性檢測(cè)則是其根本所在。我們借助丁家質(zhì)譜檢漏設(shè)備和家質(zhì)譜檢漏技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的檢測(cè)夾具和采用不同的密封方式來(lái)達(dá)到檢測(cè)各個(gè)密封處的目的。（2）引線鍵合的可靠性低，會(huì)直接影響傳感器的性能。為了及時(shí)檢測(cè)鍵合質(zhì)量，我們安排專門人員對(duì)引線鍵合過(guò)的組件進(jìn)行檢測(cè)，為此還要設(shè)計(jì)專門的測(cè)試夾具，以適應(yīng)批量檢測(cè)，提高檢測(cè)效率。對(duì)丁開(kāi)環(huán)電阻，只需要測(cè)量四個(gè)引腳的電阻阻值，符合規(guī)定的電阻要求，就說(shuō)明引線鍵

27、合良好。對(duì)丁不合格的產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)或者剔除。2.2.8產(chǎn)品抗高溫、振動(dòng)、介質(zhì)等的可靠性測(cè)試與工作壽命考核按照汽車電子壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)試了機(jī)油壓力傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，尤其是其抗高低溫、振動(dòng)、介質(zhì)等嚴(yán)格可靠性測(cè)試和工作壽命的考核。a）可靠性測(cè)試我們嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求對(duì)機(jī)油壓力傳感器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。這些技術(shù)指標(biāo)通過(guò)了檢驗(yàn)合格。下面主要對(duì)以下三項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：i. 抗高低溫測(cè)試在通以5V電壓的情況下，機(jī)油壓力傳感器分別在125°C（高溫）和-400C（低溫）下放置4小時(shí),然后施加壓力，檢測(cè)輸出是否符合基本誤差情況。ii. 抗振動(dòng)測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)接口上安裝好適配的連接件，通電之后

28、，使傳感器按照正弦振動(dòng)，其振幅為土0.3mm加速度為：100Hz時(shí)100m/s2;200Hz時(shí)200m/s2;240Hz時(shí)200m/s2;255Hz時(shí)150m/s2;440Hz時(shí)150m/s2。持續(xù)的時(shí)間和振動(dòng)的方向選擇為：方向按照X,Y,Z三個(gè)軸向，每個(gè)方向22小時(shí)，3個(gè)方向一共66小時(shí)。iii. 抗腐蝕測(cè)試主要是鹽霧試驗(yàn)和防水試驗(yàn)。機(jī)油壓力傳感器安裝好了之后，關(guān)閉壓力口，在標(biāo)準(zhǔn)接口上安裝好適配的連接件，但是不通電。然后按照DIN50021-SS的標(biāo)準(zhǔn)，均勻噴灑144小時(shí)，觀察表面特性，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。2.2.9提高成品率的研究由于機(jī)油壓力傳感器從芯片設(shè)計(jì)制造到封裝成為最終產(chǎn)品的工藝步驟很多，

29、而且每一步的成品率都關(guān)系到最終的成品率。因此，要提高成品率，在盡量使用精確先進(jìn)的設(shè)備和使用熟練的操作工人之外，最主要的就是嚴(yán)格針對(duì)每步工藝容易產(chǎn)生的失效形式來(lái)進(jìn)行操作，以提高每一步工藝的成品率。金絲鍵合、灌充硅油、不銹鋼隔離膜片設(shè)計(jì)加工、To底座和金屆件的焊接是機(jī)油壓力傳感器的非常關(guān)鍵的幾步工藝。這些工藝的不合格是導(dǎo)致機(jī)油壓力傳感器失效或者性能降低的最主要的因素，也是影響傳感器成品率的主要因素。鍵合點(diǎn)開(kāi)裂和金絲斷裂是硅壓力傳感器的主要失效模式。要提高硅壓力傳感器的可靠性和成品率，首要任務(wù)是消除早期失效。硅壓力傳感器的早期失效主要是由于工藝控制不嚴(yán)造成的。因此，我們要嚴(yán)格控制鍵合和密封、安裝工藝

30、。引線鍵合時(shí)要嚴(yán)格按工藝規(guī)程操作，鍵合前要進(jìn)行徹底活洗，防止離子沾污；熱壓焊時(shí)，要控制好溫度，防止金-鋁界面氧化物的形成。硅油的灌注應(yīng)該是在真空環(huán)境下。由于硅油內(nèi)含水分，影響了硅油正常的傳遞壓力的能力；另外硅油的選擇應(yīng)該嚴(yán)格，并在真空環(huán)境下將硅油沖入壓力傳感器封裝腔體里。由于硅油具有不可避免的可壓縮性，我們還要盡量減少封裝中灌注硅油的量；此外，在焊接過(guò)程中，會(huì)引起硅油的分解或改變硅油的性能，這一問(wèn)題在封裝工藝的過(guò)程中應(yīng)盡量避免。隔離膜片應(yīng)具有抗腐蝕、厚度小、韌性好等特點(diǎn)，因此膜片的設(shè)計(jì)和加工是實(shí)現(xiàn)傳感器小型化固態(tài)隔離封裝的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)中我們?yōu)樘岣吣て膹?qiáng)度和等壓傳遞特性，對(duì)膜片的波紋及數(shù)量進(jìn)

31、行了特殊的設(shè)計(jì)，波紋數(shù)量越多，承受的壓力越大。在實(shí)踐中，還發(fā)現(xiàn)對(duì)膜片進(jìn)行進(jìn)一步軟化處理可以提高膜片的傳壓性能。如對(duì)不銹鋼膜片經(jīng)過(guò)特定條件退火后，其顯微硬度可以降到HK150。膜片被焊接在中環(huán)和上環(huán)之間，并與殼體焊接在一起。為了避免焊接高溫對(duì)芯片的熱沖擊造成芯片特性劣化或失效，同時(shí)盡量減少高溫對(duì)波紋片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以保證波紋片的導(dǎo)壓性能，我們采用了高溫熔壓很小的等離子體氯弧焊接技術(shù)，這樣在氧氣的保護(hù)下，可以減少金屆件和波紋片的氧化。在TO底座和金屆件在焊接時(shí)，由夾具在壓緊焊接件的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，沖擊力通過(guò)硅油傳遞給波紋片，這樣會(huì)造成波紋片的預(yù)變形。我們?cè)诤附訒r(shí)采用波紋片下面通一定氣壓

32、來(lái)抵消沖擊力，消除了波紋片的預(yù)變形帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力。產(chǎn)品的各組件的封裝或者安裝必須在活潔環(huán)境中進(jìn)行，而且具體操作之前必須進(jìn)行活洗以保證沒(méi)有不必要的塵埃顆粒，減少了塵埃顆粒等造成能夠的短路、膜的破壞等；封裝中必須注意封裝過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)，而且為了保證生產(chǎn)效率，最好使用快速檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備，并及時(shí)剔除不合格產(chǎn)品，或者對(duì)可修復(fù)的不合格產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)。特別是在焊接完成每道焊縫后，充灌硅油前必須進(jìn)行家質(zhì)譜儀檢漏2.3技術(shù)難點(diǎn)(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化使之適合批量生產(chǎn)；(2) 汽車傳感器批生產(chǎn)封裝工藝；(3) 汽車傳感器抗高低溫、耐惡劣環(huán)境的封裝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證；(4) 批量檢測(cè)設(shè)計(jì)；(5) 快速溫度測(cè)量批量補(bǔ)償；(6)

33、 EMI防護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證；材料分析試驗(yàn)及模具設(shè)計(jì)等批生產(chǎn)設(shè)計(jì)研究；(7) 成品率的提高；(8) 抗高低溫、振動(dòng)、介質(zhì)等嚴(yán)格可靠性測(cè)試和工作壽命考核。2. 4技術(shù)創(chuàng)新本項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下5點(diǎn)：(1) 基于多晶硅的壓力傳感器芯片的設(shè)計(jì)和制作工藝；(2) 芯片的封裝技術(shù)；(3) 信號(hào)調(diào)理電路芯片的設(shè)計(jì)和制造；(4) 封裝的可靠性分析技術(shù)；(5) 車用機(jī)油壓力傳感器和氣壓傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)與分析；本項(xiàng)目現(xiàn)采用的技術(shù)具有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并申請(qǐng)了多項(xiàng)中國(guó)和美國(guó)專利。項(xiàng)目所采用的工藝技術(shù)，具有成本優(yōu)勢(shì)，在開(kāi)拓國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的同時(shí)，將有機(jī)會(huì)參與國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。3 MEMS壓力傳感器的應(yīng)用情況A、MEMSE

34、力傳感器已完成兩個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)：(1) 機(jī)油壓力傳感器(D5010437049AN63)該產(chǎn)品應(yīng)用于東風(fēng)有限D(zhuǎn)CI11柴油電控發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力的監(jiān)控，目前已完成各項(xiàng)性能和系統(tǒng)匹配試驗(yàn)，正在進(jìn)行SOP(2) 制動(dòng)氣壓傳感器(3682610-C0100)該產(chǎn)品應(yīng)用于東風(fēng)有限D(zhuǎn)310(T1系列)車型制動(dòng)系統(tǒng)壓力的監(jiān)控，目前已完成各項(xiàng)性能和系統(tǒng)匹配試驗(yàn)，正在進(jìn)行SOPB、MEM時(shí)力傳感器正在開(kāi)發(fā)的型號(hào)產(chǎn)品：(1) 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS-Tyrepressuremonitorsystem)用于汽車輪胎壓力和溫度的監(jiān)測(cè)，預(yù)防輪胎故障引起的汽車安全事故的發(fā)生，保證車輛和人員的行車安全。(2) 空氣懸架系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)傳感器(ECAS監(jiān)測(cè)懸架系統(tǒng)氣囊壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)懸架高度，