李 闖,涂孝軍,溫學(xué)林

(1.航空工業(yè)蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司,江蘇蘇州 215151;2.蘇州大學(xué),江蘇蘇州 215131)

0 引言

近年來(lái),微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system,MEMS)發(fā)展日趨成熟,MEMS集微型傳感器、致動(dòng)器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體,具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并被專門(mén)定義為“AeroMEMS”[1]。隨著國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制要求的不斷提升,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、壓力高精度測(cè)試、長(zhǎng)壽命和長(zhǎng)期穩(wěn)定性提出了更高的要求,與之相應(yīng)配套的高精度、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命溫度、壓力傳感器需求也隨之增加[2]。

在航空測(cè)試領(lǐng)域,壓力傳感器主要配套給飛機(jī)控制系統(tǒng)、輔助動(dòng)力裝置、環(huán)境控制系統(tǒng)、健康管理系統(tǒng)等,用于測(cè)量包括發(fā)動(dòng)機(jī)各截面、燃滑油管路、壓氣機(jī)進(jìn)出口、飛機(jī)液壓傳動(dòng)、推進(jìn)器、座艙氣壓等位置的壓力。通過(guò)監(jiān)測(cè)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的壓力參數(shù)及其變化,將信號(hào)輸送給控制系統(tǒng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)和診斷[3]。

目前廣泛使用的單晶硅壓阻式壓力傳感器,采用PN結(jié)隔離應(yīng)變電橋與應(yīng)變膜,其工藝成熟且易于量產(chǎn)[4]。但是PN結(jié)漏電隨著溫度升高而急劇增大,當(dāng)溫度超過(guò)125 ℃時(shí),傳感器的性能會(huì)嚴(yán)重下降甚至失效[5]。因此,開(kāi)發(fā)用于高溫環(huán)境下使用的壓力傳感器越來(lái)越受到重視。

SOI(silicon on insulator,絕緣體上硅)材料通過(guò)埋入絕緣層保證了敏感電阻與襯底隔離,避免了高溫時(shí)普通硅片擴(kuò)散電阻PN結(jié)失效而導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象,從而具有更穩(wěn)定的高溫性質(zhì)[6]。SOI中的絕緣層包括SiO2、藍(lán)寶石和金剛石等,其中以SiO2為絕緣層的SOI材料因其制造工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本低,成為高溫壓力傳感器的優(yōu)選材料[7-8]。同時(shí),SOI材料不僅保持原有單晶硅的壓阻效應(yīng),利用MEMS工藝加工成的芯片的噪聲也遠(yuǎn)小于其他材料[9]。另外,隨著器件特征尺寸的縮小和電路集成度的提高,SOI材料的高速、低功耗優(yōu)點(diǎn)變得更加明顯,這些優(yōu)點(diǎn)為SOI材料在航空航天機(jī)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中應(yīng)用提供了可行性[10]。因此,以SOI材料制作的高溫壓力傳感器相對(duì)于其他材料有著較大的材料優(yōu)勢(shì)。

借助MEMS工藝制造的高溫硅壓阻式壓力傳感器因具有體積小、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等特點(diǎn),在航空測(cè)試領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。航發(fā)控制系統(tǒng)用壓力傳感器除了耐溫要求高(長(zhǎng)期工作溫度150 ℃),對(duì)滿量程輸出、精度、溫度漂移等均提出了很高的要求[11]。為設(shè)計(jì)高精度、低溫漂和高穩(wěn)定性壓力芯片,需要從芯片結(jié)構(gòu)、膜片尺寸、壓敏電阻條幾何形狀、注入位置等方面綜合考量。同時(shí),為提升壓力芯片工作的穩(wěn)定性,本文采用了薄膜隔離充油封裝工藝。根據(jù)以往航空壓力傳感器壓力芯片封裝失效特點(diǎn),金絲鍵合成為芯片封裝過(guò)程中最薄弱的環(huán)節(jié),尤其在高沖擊、大過(guò)載工況下,金絲斷裂故障失效頻率較高[12-13]。因此,本文針對(duì)這一難點(diǎn),設(shè)計(jì)創(chuàng)新金絲焊接路徑、工藝及方法,提升金絲鍵合強(qiáng)度,提高壓力傳感器整體可靠性和穩(wěn)定性。

本文以航空用高溫硅壓阻式壓力芯片為研究對(duì)象,對(duì)壓力芯片可動(dòng)膜片和壓敏電阻形狀、尺寸等參數(shù)分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),利用COMSOL Multiphysics 5.2多物理場(chǎng)耦合分析軟件對(duì)敏感元件創(chuàng)建幾何模型并進(jìn)行有限元分析,分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器輸出特性的影響,提高傳感器的靈敏度,減小非線性誤差。借助MEMS技術(shù),實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)壓力芯片的制造。通過(guò)薄膜隔離充油封裝工藝,實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性壓力芯片封裝,滿足航空領(lǐng)域高溫、高穩(wěn)定性壓力芯片使用需求。

1 工作原理與芯片結(jié)構(gòu)

高溫硅壓阻式壓力傳感器芯片采用N型、<100>晶向、4英寸(1英寸=2.54 cm)雙拋的SOI 晶片作為加工材料,其晶片厚度為330 μm,絕緣層SiO2厚度為2 μm。SOI壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。在可動(dòng)膜片上摻雜形成4個(gè)等值的壓敏電阻,并連成惠斯登電橋,作為力-電轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)被測(cè)壓力介質(zhì)作用于可動(dòng)膜片時(shí),電橋失去平衡,輸出電壓[14]。

圖1為SOI壓力芯片的三維結(jié)構(gòu)圖及惠斯登電橋連接示意圖[15]。當(dāng)無(wú)壓力時(shí),4個(gè)壓敏電阻阻值相同,即R1=R2=R3=R4=R,此時(shí)電橋無(wú)輸出。當(dāng)壓力作用于敏感芯片時(shí),壓敏電阻阻值發(fā)生變化,電阻R1、R3增大,電阻R2、R4減小。假設(shè)阻值變化量ΔR1=ΔR3=ΔR,ΔR2=ΔR4=-ΔR,則電橋輸出V0表示為

(1)

式中Vin為供電電壓。

當(dāng)外界壓力一定、激勵(lì)源恒定時(shí),壓敏電阻的變化率越大,輸出電壓越大。

圖1 SOI壓力芯片三維結(jié)構(gòu)圖及惠斯登電橋示意圖[15]

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可動(dòng)膜片的輪廓可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成正方形、長(zhǎng)方形及圓形,由于正方形可動(dòng)膜片有利于提高傳感器的輸出靈敏度[16],因此本文將可動(dòng)膜片設(shè)計(jì)成正方形,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓力芯片結(jié)構(gòu)示意圖

2 芯片設(shè)計(jì)與仿真

利用有限元分析軟件對(duì)壓力芯片敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真,根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)可動(dòng)膜片及壓敏電阻的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,從而提高傳感器的輸出靈敏度和線性度。通過(guò)非線性靜態(tài)分析及模塊分析,可以計(jì)算壓力芯片的性能,有限元分析過(guò)程如圖3所示。原材料SOI的主要物理性能參數(shù)如表1所示。

(a)劃分網(wǎng)格及邊界條件設(shè)定

(b)壓力模型仿真示意圖

表1 原材料SOI的主要物理性能參數(shù)

2.1 膜片設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器量程為0～1 MPa,絕壓,工作溫度范圍-55～150 ℃,直流供電電壓10 V,滿量程輸出大于90 mV,線性度優(yōu)于±0.1%FS,重復(fù)性優(yōu)于±0.01%FS。在-55～150 ℃溫度范圍內(nèi),高低溫漂移均優(yōu)于±0.01%FS/℃。根據(jù)以往研制經(jīng)驗(yàn),本文設(shè)計(jì)了5組可動(dòng)膜片尺寸,如表2所示。

表2 可動(dòng)膜片邊長(zhǎng)及膜厚設(shè)計(jì)

本文對(duì)表2中5組尺寸進(jìn)行仿真分析,由于傳感器結(jié)構(gòu)中除可動(dòng)薄膜以外的部分,均為固定部件,則可以簡(jiǎn)化仿真模型,重點(diǎn)關(guān)注可動(dòng)膜片部分的形變和力學(xué)分布。在利用仿真軟件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)建立有限元模型時(shí),只對(duì)可動(dòng)薄膜部分建模,在約束條件設(shè)置中對(duì)其進(jìn)行四邊理想固定的設(shè)置來(lái)定義,用于簡(jiǎn)化模型,提高計(jì)算效率。

圖4為在1 MPa壓力下,可動(dòng)膜片的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)趚軸上從中心原點(diǎn)到膜片邊緣的變化示意圖。

(a)等效應(yīng)力隨膜厚比的變化

(b)等效應(yīng)變隨膜厚比的變化

由圖4可知,可動(dòng)膜片的應(yīng)力、應(yīng)變隨著膜片膜厚比呈規(guī)律性變化。根據(jù)應(yīng)力分布云圖可知,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在可動(dòng)膜片邊沿中心,并且呈現(xiàn)有規(guī)律的波峰分布,說(shuō)明可動(dòng)膜片應(yīng)力集中情況較好。隨著膜片膜厚比的增加,膜片的最大等效應(yīng)力逐漸增加,膜片中心最大應(yīng)變逐漸減小,這說(shuō)明高膜厚比有利于膜片的應(yīng)力集中,對(duì)提升傳感器的靈敏度有明顯的促進(jìn)作用。相反,隨著膜片膜厚比的增加,傳感器的線性度卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這是由于膜片中心最大撓度隨著膜厚的減小快速增加,導(dǎo)致非線性誤差增加,降低了傳感器的線性度。為了平衡傳感器靈敏度和非線性誤差的“矛盾”,最終確定可動(dòng)膜片的邊長(zhǎng)為1 000 μm,膜厚為40 μm。此時(shí),可動(dòng)膜片的應(yīng)力集中區(qū)域(σl-σt)為75.5 MPa,中心最大撓度為1.8 μm,滿足傳感器的靈敏度和非線性誤差的理論設(shè)計(jì)值。

2.2 壓敏電阻設(shè)計(jì)

壓敏電阻值應(yīng)與電橋輸出端負(fù)載相匹配,當(dāng)負(fù)載有較大變化時(shí),電橋的輸出電流不應(yīng)有大的變化。由于硅壓阻式壓力傳感器對(duì)溫度敏感,應(yīng)盡量降低自加熱產(chǎn)生的熱量,橋臂電流一般不宜過(guò)大,本文設(shè)計(jì)的壓力芯片激勵(lì)為直流供電電壓10 V,壓敏電阻值為6.5 kΩ。根據(jù)有限元應(yīng)力分布圖,可動(dòng)膜片邊長(zhǎng)中心處為應(yīng)力集中區(qū)域,因此為提高傳感器靈敏度,將壓敏電阻條置于此處。

在壓力測(cè)試過(guò)程中,由于噪聲的存在,影響輸出信號(hào)的質(zhì)量,因?yàn)閭鞲衅鞯淖钚》直媛视善骷脑肼曀經(jīng)Q定。因此,信噪比SNR是壓力傳感器一個(gè)重要的參數(shù)。對(duì)于MEMS壓力傳感器,噪聲主要源于本征噪聲,即來(lái)自于器件本身的噪聲。本征噪聲主要包括熱噪聲Vj和1/f噪聲Vf,而Vj和Vf均和壓敏電阻條的幾何外形相關(guān)。等效噪聲RMSnoise與Vj和Vf的關(guān)系可表達(dá)為[17-18]

(2)

Vj普遍存在于器件中,它是器件絕對(duì)溫度T的函數(shù),在1 Hz帶寬內(nèi)熱噪聲Vj可表示為[19]

(3)

式中:k為Boltzmann常數(shù);R為壓敏電阻值;B為帶寬;n為載流子濃度;q為電荷量;ν為空穴遷移率;a、b和d分別為壓敏電阻的長(zhǎng)度、寬度和厚度。

1/f噪聲源于Hooge提出的電阻體效應(yīng),是由壓敏電阻的電導(dǎo)率波動(dòng)引起的,實(shí)驗(yàn)表明1/f噪聲主要和偏置電流、載流子數(shù)量、Hooge系數(shù)及壓敏電阻形狀有關(guān),其表達(dá)式為[20]

(4)

式中:I為偏置電流;N為載流子數(shù)量;α為Hooge系數(shù)(單晶硅3.2×10-6～5.7×10-6);f為頻率;h為可動(dòng)膜片膜厚。

根據(jù)噪聲起源的理論公式推導(dǎo),通過(guò)對(duì)壓敏電壓條尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)降低噪聲和提高信噪比SNR的目標(biāo)。根據(jù)Vj和Vf的表達(dá)式,其降低噪聲措施主要包括改變壓阻條的幾何尺寸。為方便分析,將壓敏電阻厚度設(shè)定為1 μm,帶寬在106MHz以內(nèi),根據(jù)式(2)～式(4),等效噪聲RMSnoise與壓敏電阻條的長(zhǎng)度和寬度之間的變化關(guān)系如圖5所示。

(a)壓敏電阻條長(zhǎng)度對(duì)RMSnoise的影響

(b)壓敏電阻條寬度對(duì)RMSnoise的影響

結(jié)果表明,RMSnoise隨著壓敏電阻條長(zhǎng)度的增加而增加,RMSnoise隨著壓敏電阻條的寬度的增加而減小。為平衡壓敏電阻條尺寸對(duì)于噪聲的影響,并綜合考慮加工工藝,最后確定壓敏電阻條的長(zhǎng)度為160 μm,寬度為5 μm。為減小因壓敏電阻放置位置帶來(lái)的誤差影響,將R1和R3設(shè)計(jì)成“一”字形,R2和R4設(shè)計(jì)成“M”形,如圖6所示。

根據(jù)上述壓力芯片結(jié)構(gòu)及壓敏電阻優(yōu)化結(jié)果,最終確定SOI壓阻式壓力傳感器敏感芯片核心結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),如表3所示。

表3 SOI壓力芯片主要結(jié)構(gòu)尺寸 μm

(a)“一”字形壓敏電阻

(b)“M”形壓敏電阻

2.3 仿真與分析

利用 COMSOL Multiphysics 5.2多物理場(chǎng)耦合分析軟件對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真,根據(jù)壓力芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果設(shè)置模型,在可動(dòng)膜片上施加1 MPa壓力載荷,得到薄膜上等效應(yīng)力分布云圖及中心等效應(yīng)變分布云圖,如圖7所示。

(a)膜片等效應(yīng)力分布云圖

(b)膜片中心等效應(yīng)變分布云圖

從有限元分析結(jié)果可知,應(yīng)力集中處于可動(dòng)膜片邊沿中心位置,敏感電阻處于該位置可以獲得最高輸出靈敏度。同時(shí),可動(dòng)膜片最大撓度發(fā)生在膜片中心位置,考慮到傳感器線性度的提升,膜片中心最大位移應(yīng)小于膜片厚度的1/5。

在壓力作用下對(duì)可動(dòng)膜片上頂層硅壓敏電阻進(jìn)行路徑分析,得到每條路徑橫縱向應(yīng)力值。相對(duì)于壓敏電阻條長(zhǎng)度,寬度值很小,可認(rèn)為橫縱向應(yīng)力只在長(zhǎng)度方向上變化,不在寬度方向上變化,所以在1 MPa壓力下,壓敏電阻的阻值變化[21-22]:

(5)

式中:σl、σt分別為橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力;π11、π12、π44為壓阻系數(shù)。

由于π44遠(yuǎn)大于π11和π12,因此式(5)可以簡(jiǎn)化為

(6)

壓力傳感器的輸出可以表示為

(7)

將仿真結(jié)果應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值帶入到式(7)中,可以計(jì)算出壓力傳感器的輸出。分別取0.25、0.5、0.75、1 MPa壓力作用下進(jìn)行仿真,傳感器壓力芯片在直流供電電壓10 V下輸出電壓測(cè)試結(jié)果,如表4所示。

表4 不同壓力下傳感器仿真輸出電壓

已知傳感器靈敏度表達(dá)式為[23]

(8)

式中:pM為滿量程壓力;p0為零點(diǎn)壓力;U(pM)為滿量程輸出電壓。

U(pM)越大,靈敏度越高。將仿真結(jié)果帶入式(8)的靈敏度計(jì)算結(jié)果為9.958 mV·V-1·MPa-1。

3 芯片流片與封裝

3.1 芯片流片

本文選用SOI作為壓力芯體基底材料,參照?qǐng)D8所示,壓力芯片的制備包括如下步驟:

(1)選用SOI(從上到下分別為單層Si、中間層SiO2和基底Si)硅片作為芯片材料,使用H2SO4∶H2O2(4∶1)清洗硅片表面后,置于1 000 ℃高溫爐中,時(shí)間30 min,形成(300±20)nm SiO2絕緣層,如圖8(a)所示;

(2)利用低壓力化學(xué)氣相沉積工藝,在硅片正面沉積(200±20)nm Si3N4保護(hù)層,如圖8(b)所示;

(3)通過(guò)離子注入工藝,制備P型壓敏電阻,離子注入濃度為4.86×1014ions/cm2,離子注入能量為70 keV,經(jīng)1 000 ℃、30 min退火后,壓敏電阻方阻阻值為(210±10)Ω/□,如圖8(c)所示;

(4)硅片背面采用濕法刻蝕工藝刻蝕真空腔體,刻蝕深度為290 μm,如圖8(d)所示;

(5)制備惠斯登電橋,需要在硅片正面磁控濺射Cr-Au層,之后通過(guò)光刻工藝制備金屬導(dǎo)線并同時(shí)制備焊盤(pán),Cr層厚度為50 nm,Au層厚度為200 nm,如圖8(e)所示;

(6)利用真空鍵合工藝,將硅片基底與SOI硅片進(jìn)行硅-硅真空鍵合,形成密封真空腔體,如圖8(f)所示。

圖8 芯片關(guān)鍵工藝流程圖

由于采用硅隔離(SOI)芯片制造技術(shù),SOI襯底材料中的SiO2絕緣層將力敏電阻條與硅基底隔離開(kāi),避免了高溫下檢測(cè)電路與基底之間產(chǎn)生漏電現(xiàn)象,總體上解決了芯片高溫穩(wěn)定性問(wèn)題。同時(shí),通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)將SOI硅壓阻力敏芯片與基底硅在真空環(huán)境下封裝鍵合,形成壓力傳感器的彈性敏感單元,傳感器的彈性敏感元件采用單晶硅進(jìn)行制造,單晶硅的良好機(jī)械特性和抗蠕變特性,顯著降低了壓力傳感器在測(cè)量過(guò)程中的遲滯、重復(fù)性誤差,從而提高傳感器的測(cè)量精度。最終壓力芯片實(shí)物如圖9所示。

圖9 壓力芯片總體版圖及實(shí)物圖

3.2 芯片封裝

對(duì)于壓力芯片的封裝和測(cè)試,一方面需要考慮如何保護(hù)精密的微結(jié)構(gòu)不被損壞和腐蝕;另一方面,需要考慮如何將微結(jié)構(gòu)盡量暴露在環(huán)境中以獲取不失真的物理和化學(xué)等特征值[24]。本文在壓力芯片封裝結(jié)構(gòu)上采用薄膜隔離充油封裝工藝,在油腔與波紋片所形成的密閉容腔里填充高溫硅油,利用硅油的不可壓縮性能與膜片良好的線性位移特性,外界壓力直接作用于波紋膜片,并通過(guò)膜片傳遞到硅油,最后由硅油將壓力傳遞給壓力芯片。通過(guò)采用隔離式結(jié)構(gòu),可避免被測(cè)介質(zhì)與敏感元件直接接觸,在提高傳感器穩(wěn)定性的同時(shí)提升其適應(yīng)能力[25]。在充油壓力芯體內(nèi)部,芯片與Pin針之間的電氣連接主要通過(guò)金絲鍵合工藝實(shí)現(xiàn),金絲鍵合的效果圖如圖10所示。

圖10 金絲鍵合示意圖

為提升壓力芯體金絲鍵合抗拉強(qiáng)度,本文設(shè)計(jì)了一種金絲鍵合焊接路徑和工藝方法。常規(guī)金絲鍵合工序?yàn)?①劈刀先降落至芯片焊盤(pán),在劈刀尾部打火形成金球,然后接觸芯片焊盤(pán)并釋放超聲,完成第1個(gè)點(diǎn)的球焊鍵合;②劈刀上抬至設(shè)定高度,根據(jù)設(shè)定的路徑完成弧形軌跡并到達(dá)Pin針位置;③劈刀繼續(xù)降落至Pin針焊點(diǎn)并釋放超聲,通過(guò)控制鍵合壓力完成楔焊,劈刀上抬,切斷金絲,完成第2個(gè)點(diǎn)的楔焊鍵合,如圖11(a)所示。本文在常規(guī)金絲鍵合完成第3步楔焊后,在楔焊焊點(diǎn)處增加第2次球焊過(guò)程,即增加步驟④重復(fù)第1次球焊鍵合工藝,完成燒球、成球、超聲、鍵合等過(guò)程,在楔焊焊點(diǎn)位置形成二次球焊;⑤第2次球焊完成后,劈刀按尾絲參數(shù)垂直抬起到指定高度,線夾關(guān)閉,切斷金絲,劈刀回到工作位置,準(zhǔn)備下一個(gè)周期的鍵合,如圖11(b)所示。

(a)常規(guī)金絲鍵合工藝流程圖

(b)文中金絲鍵合工藝流程圖

壓力芯片金絲鍵合后實(shí)物如圖12(a)所示,薄膜隔離充油封裝后的壓力芯體如圖12(b)所示,為測(cè)試壓力傳感器的輸出性能,將壓力芯體裝配到不銹鋼殼體內(nèi),傳感器實(shí)物圖如圖12(c)所示。

圖12 壓力芯片封裝過(guò)程示意圖

4 測(cè)試與分析

4.1 鍵合強(qiáng)度

壓力芯片金絲鍵合完成后,利用推拉力測(cè)試儀測(cè)試金絲抗拉強(qiáng)度。本文選用的鍵合金絲具有高電導(dǎo)率、高電流負(fù)載能力、高抗張強(qiáng)度、抗塌陷、抗熱疲勞、抗蠕變等特點(diǎn),金絲直徑為1 mil(0.025 mm),含金純度為99.99%。鍵合完成后,利用推拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)金絲鍵合抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證新工藝金絲鍵合抗拉強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn),常規(guī)方法,金絲的抗拉強(qiáng)度一般為6 g,采用新工藝方法后,金絲的抗拉強(qiáng)度提升至12 g,抗拉強(qiáng)度提升了1倍,如圖13所示。本文采用的新方法使得金絲鍵合強(qiáng)度更高,有效提升了鍵合的可靠性和穩(wěn)定性。

圖13 抗拉強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)圖

4.2 功能性能

壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)主要由壓力源、壓力控制系統(tǒng)、烘箱、電源及數(shù)字多用表組成,為保證測(cè)試的精度和準(zhǔn)確性,加壓和降壓過(guò)程必須等壓力顯示穩(wěn)定后(壓力波動(dòng)范圍在±0.1%),再進(jìn)行輸出電壓的讀取。在0～1 MPa范圍內(nèi)選取6個(gè)測(cè)試點(diǎn),進(jìn)行正行程(加壓)和反行程(降壓)測(cè)試,對(duì)于高低溫性能測(cè)試,將烘箱溫度設(shè)置為-55 ℃和150 ℃,溫度恒定后保溫30 min,確保樣件受熱均勻后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,測(cè)試結(jié)果如表5～表7所示。

表5 不同壓力下的輸出電壓(25 ℃) mV

表6 不同壓力下的輸出電壓(-55 ℃) mV

表7 不同壓力下的輸出電壓(150 ℃) mV

對(duì)傳感器開(kāi)展壓力交變?cè)囼?yàn),上限壓力1 MPa,下限壓力0.05 MPa,增壓/減壓時(shí)間2.5 s,交變次數(shù)100 000次。試驗(yàn)完成后測(cè)試傳感器常溫輸出特性,結(jié)果如表8所示,并計(jì)算零點(diǎn)漂移和滿量程漂移。

表8 100 000次交變?cè)囼?yàn)后輸出電壓(25 ℃) mV

對(duì)傳感器的線性度、重復(fù)度、精度和溫漂進(jìn)行計(jì)算,傳感器線性度-0.07%FS,重復(fù)度0.008%FS,常溫精度-0.19%FS,高溫溫漂0.004%FS,低溫溫漂-0.004%FS。傳感器經(jīng)過(guò)100 000次高低壓交變?cè)囼?yàn)后,零點(diǎn)漂移0.023%FS,滿量程漂移-0.082%FS。綜上,壓力芯體金絲鍵合強(qiáng)度提升了1倍,傳感器性能指標(biāo)滿足測(cè)試需求。

5 結(jié)論

本文研制了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的壓阻式絕緣體上硅高溫壓力傳感器芯片,通過(guò)有限元分析及噪聲分析,確定了可動(dòng)膜片及壓敏電阻條的主要結(jié)構(gòu)及尺寸。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝及薄膜隔離充油封裝工藝,完成芯片的加工及封裝。設(shè)計(jì)創(chuàng)新金絲焊接路徑、工藝及方法,有效提升了金絲鍵合抗拉強(qiáng)度。經(jīng)測(cè)試,壓力傳感器展現(xiàn)出較好的線性度、重復(fù)性和精度,高低溫條件具有較低的溫漂指標(biāo),高低壓交變?cè)囼?yàn)后也具備良好的穩(wěn)定性。