摘 要：靜電損傷對電子產品的危害日益凸顯，其中對質量與可靠性方面的影響尤為顯著。硅壓阻壓力傳感器屬于靜電敏感器件，在生產制造和使用中對靜電防護應給予高度重視。針對某型號傳感器使用中出現(xiàn)的零點輸出超差，通過排查及定位分析，確定了該故障是由傳感器內部敏感芯片受靜電損傷造成的；對靜電產生的機理進行了分析和試驗驗證，并提出了糾正措施，為在生產制造過程中提高傳感器質量和可靠性提供了參考。

關鍵詞：壓力傳感器；靜電損傷；故障分析

中圖分類號：TP212" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0068-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.017

0" " 引言

硅壓阻壓力傳感器廣泛應用于各領域，其優(yōu)點為：靈敏度高、響應速度快、準確性高、批產成品率高等。近來，用戶對硅壓阻壓力傳感器的需求迅速增長，該類型傳感器尺寸小、信號弱且內部存在薄氧化層，因而屬于靜電敏感器件，對靜電防護需要給予高度重視[1]。本文通過對壓力傳感器使用中出現(xiàn)的常溫和低溫零點輸出超差進行排查及定位分析，確定了該故障是由傳感器內部敏感芯片受靜電損傷造成的，并對該缺陷產生失效模式的機理進行分析和試驗驗證，提出了糾正措施。

1" " 故障情況和排查分析

1.1" " 故障情況

某型號壓力傳感器用于測量發(fā)動機進氣口壓力，發(fā)動機在工作中出現(xiàn)異常，判斷為傳感器故障。

故障壓力傳感器在返廠測試時，高低溫的零點輸出和出廠測試的數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移，并且在低溫環(huán)境下偏移較大，測試對比數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2" " 壓力傳感器結構原理

該壓力傳感器采用硅壓阻原理，利用充灌隔離介質結構，通過隔離膜片感知外部壓力，再通過充灌保護液體（硅油）傳遞到敏感芯片，敏感芯片與金屬燒結管座引線內部鍵合引出，結構如圖1所示。

1.3" " 故障樹分析及故障原因排查

根據(jù)壓力傳感器的故障樹分析（圖2），對造成壓力傳感器零點偏移的原因逐個進行探究。

1.3.1" " 傳感器絕緣子漏油X1

硅壓阻壓力傳感器的敏感芯片與金屬燒結管座的引線通過鍵合的方式引出電信號[2]，燒結管座的玻璃絕緣子是可伐合金與玻璃燒結而成，如果絕緣子泄漏會導致傳感器輸出故障。將故障傳感器的保護膠摳掉，觀察燒結管座絕緣子，未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象；然后將故障傳感器裝到測試工裝中，對其進行加壓試驗，觀察燒結管座的玻璃絕緣子，也未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

根據(jù)硅壓阻傳感器結構原理可知，如果絕緣子漏油，傳感器的滿量程輸出會有明顯降低[3]，對比出廠和返廠測試數(shù)據(jù)，故障傳感器的滿量程輸出沒有明顯降低，證明傳感器沒有漏油現(xiàn)象。

排除傳感器絕緣子漏油故障X1。

1.3.2" " 傳感器膜片漏油X2

硅壓阻壓力傳感器通過金屬膜片感受被測壓力，通過硅油傳遞給敏感芯片，如果傳感器的膜片有損傷，傳感器輸出會出現(xiàn)異常。觀察故障傳感器金屬膜片，無形變，也無漏油現(xiàn)象。

根據(jù)硅壓阻壓力傳感器的結構原理可知，如果膜片有漏油現(xiàn)象，在給傳感器施加滿量程壓力的時候，油就會從膜片處冒出，同時傳感器的輸出也會出現(xiàn)明顯降低，故障傳感器經(jīng)過用戶反復使用后，再復測，滿量程輸出未見明顯降低，所以判斷膜片沒有漏油。

排除傳感器膜片漏油故障X2。

1.3.3" " 傳感器鍵合引線故障X3

硅壓阻壓力傳感器的敏感芯片是通過鍵合引線絲與金屬燒結管座的金屬管腳相連，如鍵合引線受到損傷或鍵合工藝不穩(wěn)定導致鍵合引線絲虛連等，則會導致傳感器輸出異常。繼續(xù)對故障傳感器進行解剖，將傳感器金屬膜片剔除，硅油放空，清洗后用高倍放大鏡觀察內部敏感芯片和金屬管腳的鍵合引線，發(fā)現(xiàn)鍵合引線完好無損，無脫落現(xiàn)象。

用專用推拉力機測試引線的鍵合拉力，鍵合拉力均大于0.07 N，滿足GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》中規(guī)定的鍵合拉力≥0.04 N的要求，證明零點輸出偏移不是由鍵合引線故障所致。

排除傳感器鍵合引線故障X3。

1.3.4" " 傳感器應力釋放X4

硅壓阻壓力傳感器是由不同材料通過多種工藝組裝在一起，材料與材料之間必然會產生不同的應力，例如：敏感芯片通過硅膠粘到金屬管座、金屬膜片通過激光焊接到金屬管座等等，如果工藝不穩(wěn)定會在傳感器內部產生很大的應力，也會導致傳感器輸出故障。根據(jù)以往經(jīng)驗，如果傳感器是內部應力釋放導致零點輸出偏移，應該是不同溫度下零點輸出整體平移[4]，而故障傳感器的現(xiàn)象是隨溫度變化輸出變化不一致，故障現(xiàn)象與應力釋放引起的零點整體平移不符。

排除傳感器應力釋放故障X4。

1.3.5" " 傳感器靜電損傷X5

硅壓阻壓力傳感器尺寸小、信號弱且內部存在薄氧化層，因此屬于靜電敏感器件，如果在裝配和測試過程中引入靜電，會造成傳感器輸出故障。繼續(xù)解剖故障傳感器，將傳感器的敏感芯片取下，用100倍和500倍顯微鏡分別觀察敏感芯片，未發(fā)現(xiàn)任何異常。

用探針臺測試敏感芯片的橋路電阻，如表2所示，橋路電阻相比出廠數(shù)據(jù)有不同程度的變化。

如果敏感芯片受到硬擊穿的靜電損傷，外觀會有明顯的燒傷和燒蝕點；但如果是軟擊穿的靜電損傷，芯片外觀不會有明顯損傷，但芯片的電阻會有變化的現(xiàn)象，所以該故障不排除是靜電損傷所致。

1.3.6" " 傳感器過壓損傷X6

硅壓阻壓力傳感器如果受到大壓力沖擊，會發(fā)生膜片變形、輸出故障。對現(xiàn)有的同類型傳感器進行過壓試驗，2倍、4倍過壓恢復后，傳感器零點無變化；繼續(xù)加大壓力，7倍過壓后，膜片變形，傳感器芯片碎裂，無輸出，與故障傳感器零點偏移現(xiàn)象不符。

根據(jù)以上試驗得出結論，傳感器零點偏移的故障不是由過壓導致的，排除傳感器過壓損傷故障X6。

綜上所述，該故障傳感器不排除是靜電損傷傳感器的敏感芯片，導致傳感器的零點輸出發(fā)生了偏移。

2" " 故障機理分析

2.1" " 靜電敏感等級劃分

根據(jù)GJB 1649—1993《電子產品防靜電放電控制大綱》，靜電敏感器件按表3所示分成三個等級。

靜電敏感電壓在16 000 V以下的產品都為靜電敏感產品[5]，硅壓阻壓力傳感器由于其尺寸小、信號弱且內部存在薄氧化層，靜電敏感電壓一般為3 000 V左右，因此屬于靜電敏感器件，需要對靜電防護方面給予高度重視。

2.2" " 故障機理

造成傳感器靜電損傷有兩種不同的物理過程：

1）當傳感器受到靜電損傷后，靜電在敏感芯片的高阻區(qū)產生一個功率足夠大的電流，在一定時間內這個電流所產生的熱量不能有效散出，從而導致高阻區(qū)溫度升高，柵氧化層（絕緣體）被擊穿，敏感芯片上會留下?lián)舸┗驘g點，高倍顯微鏡下可見熔坑，屬于致命失效（硬擊穿）。

2）當靜電能量不足以在高阻區(qū)或柵氧化層（絕緣體）形成熔融通道，只引起局部破壞時，會使柵極（金屬）電壓發(fā)生變化，它下方硅材料的摻雜濃度也會相應地變化，甚至可能出現(xiàn)反向摻雜的情況，就會導致橋路電阻的變化或絕緣膜微損傷等，造成局部參數(shù)劣化，這一類屬于參數(shù)退化失效（軟擊穿）。

根據(jù)以上機理分析，故障壓力傳感器應該是在現(xiàn)場使用過程中受到靜電損傷，造成傳感器敏感芯片的軟擊穿，導致傳感器零點輸出發(fā)生偏移。

3" " 問題復現(xiàn)和糾正措施

3.1" " 問題復現(xiàn)

低靜電能量放電造成的微結構損傷屬于偶發(fā)事件，會導致壓力傳感器部分參數(shù)退化，難以準確復現(xiàn)。

對同類型壓力傳感器進行靜電放電試驗，按照GB/T 17626.2—2018《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》要求，由傳感器引腳引入靜電，每個電壓檔加5次，依次將靜電電壓加大，測試傳感器零點輸出，有部分傳感器出現(xiàn)了零點偏移的現(xiàn)象。

對零點偏移的傳感器進行溫度性能測試，傳感器的溫度性能有一定的變化，故障得以部分復現(xiàn)。

3.2" " 糾正措施

針對靜電對壓力傳感器造成的損傷，一是要通過優(yōu)化設計和改善工藝提高傳感器自身的抗靜電能力，另一方面在生產過程中還需要采取一系列的靜電防護措施，避免產品在封裝、調試、運輸、使用過程中發(fā)生靜電損傷事件。

在傳感器生產制造過程中應采取的防靜電措施有：1）車間要鋪設防靜電地板；2）防靜電工作臺要充分接地；3）相對濕度控制在40%以上。

對操作者應采取的防靜電措施有[6]：1）凡是與傳感器接觸的，都必須佩戴自動報警防靜電腕帶；2）凡是與傳感器接觸的，都必須穿防靜電工作服，戴防靜電帽。

壓力傳感器包裝、運輸和儲存過程中防靜電措施有：1）包裝：應將傳感器放入防靜電包裝盒或包裝袋中，拆下包裝盒后應立即將傳感器放入導電盒中。2）運輸：盡量將傳感器裝滿盒子，以免引起碰撞摩擦。3）儲存：庫房相對濕度應保持在30%RH～40%RH。

4" " 結束語

本文對硅壓阻壓力傳感器零點輸出異常的故障現(xiàn)象進行了分析，確定了是靜電損傷傳感器內部敏感芯片，使傳感器敏感芯片受到軟擊穿，導致敏感芯片阻值變化，傳感器零點輸出發(fā)生偏移。針對靜電損傷提出了在傳感器的生產過程中應加強靜電防護，同時提出了靜電防護措施，有利于提高傳感器的質量和可靠性。

[參考文獻]

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[4] 馬金強，王雅南，郝學信.MEMS壓力傳感器壓力漂移故障研究與改進[J].內燃機與配件，2023（19）：46-48.

[5] 何冰.元器件抗靜電工程技術研究[J].電子制作，2020（13）：85-87.

[6] 范迎新，何峰，藍鎮(zhèn)立.基于故障樹分析的薄膜壓力傳感器可靠性[J].電子技術與軟件工程，2020（7）：73-74.

收稿日期：2024-11-19

作者簡介：金琦（1978—），男，遼寧沈陽人，高級工程師，研究方向：硅壓阻式壓力傳感器及測控儀表。