MEMS汽車壓力傳感器的長期穩(wěn)定性測試與失效模式分析

2.The13th Research Instituteof China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang O5ooo0，China）

【Abstract】Aiming at the problemof insuffcient long-term stability of automotive pressure sensors，thisarticle proposes a suspended sealing structure design， adopts the aluminum alloy - ceramic composite packaging process， combined with the temperaturecompensationalgorithm.Through theconstruction of anacceleratedaging testplatform with temperatureandpressrecycles for testing，theresults showthat this designreduces the temperature drift from ± 1.8%FS to ±0.28%FS .The output attenuation after 5Oo hours of pressure cycling isless than 0.5% FS.Failure analysis showsthat interface delaminationisthe main problem，accountingfor 62% .Theshear strengthisincreasedby 37% after optimization with a O.5mm silica gel buffer layer.

【Key words】MEMS pressure sensor;long-term stability；ceramic packaging；temperature compensation algorithm; failure mode analysis

0 引言

在汽車電子控制系統(tǒng)中，壓力傳感器作為發(fā)動(dòng)機(jī)管理、制動(dòng)系統(tǒng)等核心模塊的感知單元，其長期穩(wěn)定性直接影響行車安全與系統(tǒng)可靠性。現(xiàn)有微機(jī)電系統(tǒng)MEMS壓力傳感器在復(fù)雜工況下易出現(xiàn)輸出漂移現(xiàn)象，這主要源于溫度循環(huán)所導(dǎo)致的材料特性變化，以及機(jī)械疲勞引發(fā)的結(jié)構(gòu)失效。這類性能退化問題不僅可能造成控制系統(tǒng)的誤判，還會(huì)顯著增加維護(hù)成本[2]。

針對上述問題，本研究創(chuàng)新性地提出一種懸浮密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過優(yōu)化應(yīng)力分布，有效降低局部應(yīng)力集中，并配合溫度補(bǔ)償算法，抑制環(huán)境干擾對傳感器性能的影響。該方案采用鋁合金-陶瓷復(fù)合封裝工藝，在確保機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，極大地提升了熱匹配性。為全面驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，本研究搭建了包含溫度循環(huán) -40～125^°C ）與壓力循環(huán)（0＼～1000kPa 的加速老化試驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合完善的數(shù)據(jù)處理流程，實(shí)現(xiàn)對特征參數(shù)的定量分析。本研究結(jié)果有望為車載壓力傳感系統(tǒng)的精度保持與壽命預(yù)測提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)參考。

1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的懸浮密封結(jié)構(gòu)微機(jī)電系統(tǒng)MEMS壓力傳感器，巧妙運(yùn)用力學(xué)耦合原理，在實(shí)現(xiàn)傳感器密封的同時(shí)，避免了陶瓷芯體與殼體的剛性接觸，從而有效分散應(yīng)力集中。其具體結(jié)構(gòu)包括陶瓷芯體、連接器、殼體、0型圈，通過壓環(huán)過盈配合方案實(shí)現(xiàn)傳感器的懸浮密封，進(jìn)而形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)。壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

封裝工藝采用不銹鋼-陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，外殼選用316L不銹鋼材料，該材料具有卓越的抗腐蝕性與機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷基座采用 96% 氧化鋁陶瓷，其熱膨脹系數(shù)與硅芯片接近，可顯著減少溫度變化引起的熱應(yīng)力。兩部分通過壓環(huán)過盈配合實(shí)現(xiàn)傳感器密封，如圖2所示。壓環(huán)組裝完成后，陶瓷芯體未與殼體剛性接觸，而是通過密封圈軟接觸實(shí)現(xiàn)密封，達(dá)到懸浮密封狀態(tài)。這種封裝方式成功解決了傳統(tǒng)封裝應(yīng)力大的問題，且在機(jī)械強(qiáng)度方面優(yōu)于純陶瓷封裝。

2長期穩(wěn)定性測試方法

2.1 測試系統(tǒng)搭建

長期穩(wěn)定性測試系統(tǒng)包含溫度控制單元、壓力控制單元和數(shù)據(jù)采集單元3部分。溫度控制單元采用可編程溫度試驗(yàn)箱，能夠在 -40～125^°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確控制，溫度波動(dòng)可控制在 ±0.5^qC 以內(nèi)。壓力控制單元由高精度壓力控制器構(gòu)成，可產(chǎn)生 0～1000kPa 范圍內(nèi)的穩(wěn)定壓力，控制精度達(dá) 0.02%FS 。數(shù)據(jù)采集單元采用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為 100Hz ，能夠敏銳捕捉傳感器的微小輸出變化。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)控制軟件，實(shí)現(xiàn)測試參數(shù)的靈活設(shè)置和自動(dòng)化流程控制。

2.2 測試流程

加速老化試驗(yàn)采用溫度循環(huán)與壓力循環(huán)相結(jié)合的方式進(jìn)行。溫度循環(huán)測試為 -40～125^°C 變化，升降溫速率為 3^°C/min ，高低溫駐留時(shí)間為 30min ，壓力循環(huán)測試采用 2Hz 正弦波形，壓力范圍為 0～1000kPa 連續(xù)運(yùn)行 500h 。測試數(shù)據(jù)處理包括小波去噪、溫度補(bǔ)償和特征提取3個(gè)步驟，通過零點(diǎn)漂移、靈敏度變化、線性度和重復(fù)性4項(xiàng)指標(biāo)評估傳感器穩(wěn)定性。

2.3 誤差控制

為確保測試結(jié)果可靠性，本研究采用分段線性補(bǔ)償算法處理環(huán)境波動(dòng)引起的測量誤差。算法表達(dá)式如下：

V_comp=V_raw-α（T-T₀）

式中： V_comp. （204 補(bǔ)償后輸出電壓； V_raw -原始 輸出電壓； α 溫度系數(shù)； T —當(dāng)前溫度； T₀ 參考溫度。

該算法基于IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，能有效消除溫度波動(dòng)的影響。在數(shù)據(jù)處理過程中，每個(gè)測試點(diǎn)采集100個(gè)樣本計(jì)算平均值，剔除離群值后評估離散程度，并通過艾倫方差分析識別長期漂移趨勢，建立性能退化模型。

3測試結(jié)果與分析

3.1 輸出特性

表1數(shù)據(jù)分析表明，傳感器在 500h 加速老化試驗(yàn)后，零點(diǎn)漂移從初始的 0.05mV 增加至 0.12mV ，增幅為 0.07mV ，即滿量程的 0.09% 。雖然存在漂移，但數(shù)值遠(yuǎn)低于行業(yè)通常接受的 0.5mV 限值。靈敏度變化率為 -0.3%FS ，表現(xiàn)為輕微下降趨勢，但仍優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo) ±0.5%FS 。通過對比測試數(shù)據(jù)可知，傳感器性能參數(shù)隨時(shí)間變化率呈減緩趨勢，預(yù)示長期穩(wěn)定性良好。

3.2 溫度特性

溫度特性測試收集了傳感器在 -40～125^°C 范圍內(nèi)的輸出數(shù)據(jù)，其測試結(jié)果如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，在未補(bǔ)償狀態(tài)下，傳感器在全溫度范圍內(nèi)的溫漂為±1.8%FS ；應(yīng)用分段線性補(bǔ)償算法后，溫漂顯著降至 ±0.28%FS ，改善率高達(dá) 84.4% 。補(bǔ)償后的溫漂曲線近似線性，極端溫度點(diǎn)的溫漂值相對中間溫度區(qū)域稍大，這與硅膠緩沖層在極端溫度下的性能變化有關(guān)。500h加速老化試驗(yàn)后，補(bǔ)償效果無明顯衰減，數(shù)據(jù)波動(dòng)小于 0.03%FS ，充分證明了補(bǔ)償機(jī)制的長期可靠性。

3.3 機(jī)械耐久性

壓力循環(huán)測試收集了傳感器在不同循環(huán)次數(shù)下的機(jī)械參數(shù)變化，數(shù)據(jù)如表3所示。在完成360萬次壓力循環(huán)后，固有頻率從初始的 5.8kHz 降至 5.75kHz 變化率為 0.86% 。這種微小變化表明壓力傳感器結(jié)構(gòu)保持良好彈性，未出現(xiàn)明顯疲勞現(xiàn)象。線性度從初始的 0.18%FS 增至 0.23%FS ，變化幅度為 0.05%FS 處于測量系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。性能參數(shù)變化率曲線呈現(xiàn)早期快速變化、后期趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，符合材料力學(xué)疲勞規(guī)律，預(yù)示傳感器具備良好的長期機(jī)械穩(wěn)定性。

4失效模式分析

4.1 主要失效類型

為確定MEMS壓力傳感器可能的失效機(jī)理，本研究對加速老化試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行了解剖分析。表4統(tǒng)計(jì)了50個(gè)失效樣品的故障分布情況。數(shù)據(jù)顯示，界面分層是壓力傳感器最主要的失效模式，占比62% 。通過掃描電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)，分層主要發(fā)生在硅芯片與陶瓷基板的連接處，表現(xiàn)為微觀裂紋沿界面擴(kuò)展。這種失效與溫度循環(huán)導(dǎo)致的熱膨脹系數(shù)不匹配有關(guān)，循環(huán)熱應(yīng)力引起界面處剪切力累積，最終導(dǎo)致粘合層斷裂5。材料老化是另一種失效模式，占比 38% ，主要表現(xiàn)為P型硅壓阻元件電阻率變化，從初始 1.2Ω?cm 增至 1.8Ω?cm ，導(dǎo)致傳感器靈敏度下降和零點(diǎn)漂移增大。

4.2 改進(jìn)方案

針對界面分層問題，本研究開發(fā)了緩沖層優(yōu)化方案。硅膠緩沖層厚度與剪切強(qiáng)度關(guān)系見表5，展示了不同硅膠緩沖層厚度下的剪切強(qiáng)度測試結(jié)果。

測試結(jié)果表明，緩沖層厚度對界面剪切強(qiáng)度有顯著影響。隨著厚度從0增加至 0.5mm ，剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢，最大值達(dá) 2.20MPa ，較無緩沖層提升37.5% 。厚度繼續(xù)增加時(shí)，剪切強(qiáng)度反而下降，這是因?yàn)檫^厚的緩沖層導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力分布不均。通過Excel規(guī)劃求解工具優(yōu)化分析，確定 0.5mm 為最佳緩沖層厚度。

針對材料老化問題，采用表面鈍化處理工藝提高硅壓阻元件穩(wěn)定性。在硅表面生長 100nm 厚二氧化硅薄膜，有效減少環(huán)境因素對硅材料的影響。處理后的壓阻元件在 500h 老化測試中，電阻率變化減小至原來的 40% ，相應(yīng)的零點(diǎn)漂移和靈敏度變化也明顯改善。

改進(jìn)后的傳感器結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化后的 0.5mm 硅膠緩沖層和表面鈍化處理的壓阻元件，重新進(jìn)行 1000h 加速老化試驗(yàn)。結(jié)果顯示，傳感器零點(diǎn)漂移減小45% ，靈敏度變化減小 52% ，且未出現(xiàn)界面分層現(xiàn)象。這些改進(jìn)措施有效提高了MEMS壓力傳感器的長期穩(wěn)定性，特別是在極端溫度循環(huán)條件下的可靠性，滿足汽車電子系統(tǒng)10年以上使用壽命的要求。

5結(jié)論

本研究針對汽車壓力傳感器長期穩(wěn)定性問題，精心設(shè)計(jì)了懸浮密封結(jié)構(gòu)的MEMS汽車壓力傳感器，并進(jìn)行了系統(tǒng)的測試與深入分析。通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、選用合適材料以及應(yīng)用溫度補(bǔ)償算法，成功將溫漂從 ±1.8% FS降至 ±0.28%FS ，實(shí)現(xiàn)了 500h 壓力循環(huán)后輸出衰減小于 0.5% FS的穩(wěn)定性能。失效分析顯示界面分層是主要問題，占比 62% ，通過引入0.5mm 厚硅膠緩沖層使剪切強(qiáng)度提升 37% 。本研究成果對提高整車控制系統(tǒng)的可靠性和使用壽命具有重要意義，有望為汽車壓力傳感器的工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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（編輯林子衿）