MEMS机油压力传感器可靠性研究

MEMS机油压力传感器可靠性研究

高安平

广东省深圳市国电科技通信有限公司  518048

摘要：本文主要探讨了封装技术对传感性能的影响。通过理论分析和试验研究，得出了MEMS机油压力传感器的密封材料及其工艺过程对其性能和可靠性的影响。补丁胶粘剂的性能达不到可靠性的要求，会导致传感信号的漂移和温度的不稳定性；引线键合强度不高，在使用过程中容易发生断裂；硅油的化学稳定性和温度稳定性差，会导致传感器在高温时输出信号不稳定，硅油中的气体和杂质会导致传感器的零点输出偏差，从而影响传感系统的准确度。

关键词：MEMS；机油压力传感器；可靠性

引言：MEMS是一种以集成电路制造技术为基础的高新技术，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、易于批量生产、成本低廉等优点，正逐渐替代传统的机械压力传感器。汽车电子系统的压力传感器包括共轨压力、机油压力、进气歧管压力、胎压等。MEMS机油压力传感器是一种非常重要的传感器，它的工作性能对车辆和人员的安全都有很大的影响。本论文采用MEMS压力芯片，研究了汽车发动机机油压力传感器的封装技术及可靠性。在传感器开发过程中。本文针对汽车电子产品的特点，对其封装和装配进行了系统的分析与试验，并对其进行了工艺优化，使其可靠性得到了很大的改善。

1概念界定及应用现状

微机械压力传感器是一种在受压时会发生变形的薄膜元件。该变形可以由应变计（压阻式传感）来测定，而两个表面间的间距的变化也可以由电容检测。这两种方法都是常用的，而轮胎压力监控系统采用的是更坚固地压阻法[1]。

（1）在汽车工业中的应用。微机械压力传感器是一种新的汽车应用，。德国公司已经开发出一种 MEMS解决办法，它能在70bar的高压下使用润滑油来保护硅膜。德国公司在数年前也对 MEMS的压力传感器进行了重大变革，它采用了多孔硅，从而产生了一种非常稳定的 MEMS设备，而这种设备已经被广泛地应用于当前的侧气囊等领域。（2）在医药市场中的应用。压力传感器在外科手术中起到了很大的作用。但是，他们也被用在高成本的仪器中，例如在持续的气道正压通气（CPAC）中检测压力和差流量。（3）在工业中的应用。MEMS压力传感器在供暖、通风、空气调节、水平面测量、工业过程和控制等方面有着广泛的应用。比如，飞机除了对大气进行准确的测量外，还利用传感器监测发动机、襟翼等其他组件。

MEMS压阻式压力传感器（见图1）是一种基于压阻效应的集成技术，通过掺杂、扩散等方法，沿单晶硅片的晶向形成应变电阻器。一般的感应器芯片上都有4个多晶硅电阻器[2]从而形成惠斯通电桥。

图1MEMS压阻式压力传感器

由于在膜的边缘处，由于应力作用，应力导致的电阻变化最大，所以在硅膜的边缘上做了电阻。由4个压阻R1、 R2、R3、R4构成惠斯通电桥，以形成一个压力传感电路，在电桥中输入一个电压是Vin，并且在隔板上设置4个压阻相等（也就是 R1= R2=R3=R4=R），在膜受到力的作用下，两个电阻增大，两个电阻减小，并且△R1=△R2=△R3=-△R4=△R，那么它的输出电压 Vout可以用来表达。

公式中的Vout是传感器在无应力、无应变情况下的输出。当前主流的 MEMS压力传感器封装方式是由充油的不锈钢制成，即充油压敏核心，其生产工艺主要包括贴片、引线、封装外壳、充油和二次装配（工艺流程见图2）。

图3工艺流程

2可靠性试验

2.1胶粘剂对传感零点的影响

在低温条件下，采用硬胶粘剂的感应器的零点比采用软胶法和无胶法的感应器要大，而且随温度的增加，感应器的零点逐渐减小。造成这种情况的原因有三：①贴片胶的弹性模量随温度的升高而变小；②在温度较低时，补片胶粘剂在温度较低时会出现收缩残余应力,尤其要注意的是，在85℃以后，硬胶水的作用会突然减弱，几乎和没有胶水时一样。这是由于在85℃下的玻璃化温度（Tg），在Tg点以上，杨氏模量减小，从而降低了传感器零点温度漂移的影响。所以，在选择胶粘剂时，应使胶粘剂的黏度Tg比感应器的工作温度高，从而保证传感零点的稳定和工作的可靠性。

2.2引线键合技术

引线键合主要采用 Al、 Au两种焊丝，因 Au焊丝的性能较好，因此采用 Au焊丝作为压力传感器的焊接工艺。在粘接过程中，应注意保持粘接表面的干净，以免影响粘接强度[3]。

这是因为经常的震动会使有缺陷的金线部位出现疲劳断裂，或者在最易疲劳的部位，例如在第二焊接处的颈部部位出现裂纹，所以需要提高焊接质量。在某厂进行了MEMS机油压力传感器的台架实验，通过6x10次的加压、卸压实验，发现其中两个试件出现了故障，故障原因是：一种是信号处理线路上的一个电阻器；另外一种试件的破坏形式是金丝线的断裂。在此条件下，应采取双金丝键接，并尽可能选择高纯度、低瑕疵的金线，并在接线之前做好所有封装元件的清洗。经过对金丝焊接技术的改进，在可靠性测试中，没有发生金线断裂的问题。

2.3硅油的选用与处置

因为晶片对特定的环境有特定的要求，因此硅油必须具有优良的介电性能、低热胀系数、化学稳定性和优良的耐热性和抗冻性[4]。硅油的净化是膜绝缘压力传感器的关键工序，如果不彻底的清洗，将会在硅油或传感器的加压部位的油腔中混入大量的空气，湿度等易挥发的物质，在整个温度范围内，其体积的改变就会失去规律，导致外部的压力无法精确、有序地传输到晶片上，导致温度漂移的问题更加严重。这一现象在零点温度漂移中得到了体现，可以用来衡量包装质量。一般地，压力传感器的零点略微降低，因为恒压源激发时的温度敏感系数是负的；而在硅油净化不足的情况下，零点处的温漂较大，温度越高。

可见，在温度较高的环境中放置200小时后，无保护层的感应器的零点突然改变，随后出现了不稳定的信号；经过超过600个小时的保护，压力传感器的零点保持不变。

结论

通过理论分析和试验研究，得出了MEMS机油压力传感器的密封材料及其工艺过程对其性能和可靠性的影响。补丁胶粘剂的性能达不到预期的要求，将导致传感信号的漂移和温度的不稳定性；导线的焊接强度不高，在使用过程中容易发生断裂；由于硅油的化学稳定性、温度等因素的影响，导致传感器的温度信号不稳定，硅油中的气体和杂质会导致传感器的零点输出偏差。

参考文献

[1] 张鹏涛,王培起,程冬梅,等. 发动机压力传感器技术方案应用研究[J]. 内燃机与配件,2022(4):5-7.

[2] 汪超,段红军,李开明,等. 基于自主芯片的车用MEMS压力传感器[Z]. 上海文襄汽车传感器有限公司. 2020.

[3] 滕飞,孙海鑫,顾常飞,等. 面向物联网应用的MEMS技术压力传感器[Z]. 江苏奥力威传感高科股份有限公司. 2018.