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基于硅压阻式MEMS压力传感器的结构和工作原理

时间:2018-05-12 10:35  来源:www.vsncg.com  作者:财亦源压力变送器  

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  随着科学技术的飞速发展,IC产品的尺寸设计越来越小,性能越来越高,涵盖范围越来越广。微电子技术的微型研究带来了各行业的巨变,不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新,而且在许多领域引发了一场微小型化的革命。机械制造领域的微小型化诞生了微机电系统即MEMS(Microelectro Mechanical Systems)。它将电子功能与机械、光学、热学、磁学等其他功能结合在一起,形成综合集成系统。经过四十多年的发展,MEMS已成为世界瞩目的重大领域之一。许多世界大国都将MEMS技术作为战略性的研究领域之一,投入巨资进行专项研究。

  MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。随着MEMS技术产业的日益成熟,MEMS传感器种类越来越多,性能也越来越强大,产品已广泛应用于汽车、医疗、军事等领域。而相对于工艺的迅速发展,MEMS可靠性的研究落后了很多。目前MEMS可靠性的评估方法在行业内还没有标准化,工厂针对MEMS产品也仅有PCM参数测量。没有可行的可靠性测试方法,就无法验证和监控MEMS工艺的可靠性。因此,标准化可靠性评估方法的建立已迫在眉睫。

  基于微电子行业器件失效机理研究和可靠性评价体系的完备,这些可靠性评价经验在预测MEMS产品的使用可靠性方面是有借鉴作用的。但是MEMS压力传感器对环境的依赖度较高,必须考虑在严酷的使用环境下传感器独特的失效模式。

  本文基于硅压阻式MEMS压力传感器的结构和工作原理等信息,反推至芯片相关工艺参数,并设计针对关键工艺参数的可靠性测试方法。

  与传统的压力传感器相比,MEMS压力传感器不仅体积小,而且具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。绝大多数的MEMS压力传感器的感压元件是硅膜片,根据敏感机理的不同,可将MEMS压力传感器分为3种:压阻式、电容式和谐振式 。其中,硅压阻式MEMS压力传感器采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥,利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性来进行力电变换。

  华润上华(CSMC)制备的硅压阻式MEMS压力传感器的标准流程如下:首先在抛光的硅衬底上经光刻注入生成四根电阻应变片,电阻应变片被设计在硅膜表面应力最大处,组成惠斯顿电桥。然后在圆片背面,从硅片中部刻蚀出一个应力杯。最后键合圆片背面。根据产品应用,即可以在应力杯中抽真空制成绝压MEMS器件,也可以维持应力杯和大气相通制成表压MEMS器件。其结构如图1所示。

  产品封装后,当硅膜两边的压力差发生变化时,应力硅膜会发生弹性形变,破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡,产生电桥输出与压力成正比的电压信号。

  MEMS压力传感器的特性参数包含有零位输出、电压输出、线性度、回滞特性等。这些特性参数与惠斯顿电桥强相关。因此,惠斯顿电桥的可靠性一定程度上反映了MEMS压力传感器的可靠性。我们在圆片上设计一个典型的惠斯顿电桥结构,用来监控MEMS器件的特性参数。如图2所示:R1、R2、R3及R4是4根等电阻的压阻应变条,它们在硅膜上组成惠斯顿电桥,无外力作用时,电桥平衡,输出电压为零。当膜片受到外界压力作用时,电桥失去平衡,若对电桥加激励电源,便可得到与被测压力成正比的输出电压,从而达到测量压力的目的。

  结合器件的实际使用,综合考虑器件的工作条件和环境,从高温存储、高温高湿、温度冲击、过电压、压力过载、温湿循环等方面全面建立MEMS压力传感器圆片级和封装级的可靠性考核方法。

  目前工厂中MEMS圆片级产品的工艺监控基本上是依赖PCM参数测量。在这里,我们结合MEMS产品的实际使用条件,通过监控零位输出电压的高温存储、高温高湿特性,考核圆片级(应力杯未释放状态)惠斯顿电桥的环境可靠性。

  在125℃高温下,将MEMS圆片分别老化12h、48h和168h后,测试零位输出电压(Voff) 。通过与初始零位输出电压的对比,考核电阻应变片的工艺可靠性。

  从老化数据可见,经过125℃的高温存储,各时间段的零位输出电压变化量都很小。即使经过168h的高温存储,未释放状态下的压阻应变片电阻仍然比较稳定,可靠性风险较低。

  在85℃和85%RH高温高湿条件下,将MEMS圆片分别老化24h、72h和168h后,测试零位输出电压(Voff)。通过与初始零位输出电压的对比,考核电阻应变片的工艺可靠性。

  对比不同时间段的Voff值,发现经过85℃和85%RH的老化,各时间段的零位输出电压变化量都很小。即使经过168h的高温高湿存储,未释放状态下的压阻应变片电阻仍然很稳定,可靠性风险较低。

  圆片级的测试结构由于未释放应力杯,主要考核的是电阻应变片在高温、高温高湿老化后的工艺稳定性。除非工艺非常不稳定,一般情况下,电阻经过温度老化和湿度老化的可靠性风险都较低。

  对于释放应力杯并完成封装的MEMS器件来说,高温或高湿老化可能会影响硅膜的弹性形变,而长时间的压力负载也可能导致硅膜疲劳。这些损害会造成MEMS特性参数的漂移,严重的话会引发器件开路和短路,从而影响产品最终的可靠性。因此,封装级MEMS器件的环境负载考核更加重要。

  将封装的绝压MEMS器件在125℃高温下老化72h后,分别测试器件在40kPa~100kPa下的输出电压、线性度、回滞特性参数。

  由图5可见,封装器件进行72h高温存储老化后,线性度和回滞特性良好; 不同压力下的输出电压与初始值相比shift

  将封装的绝压MEMS器件在-50℃和150℃高温下,进行10次循环冲击,然后测试器件在40kPa~100kPa下的输出电压、线性度、回滞特性参数。

  由图6可见,温度冲击对线性度和回滞特性影响较低,曲线线性度和重合度良好; 不同压力下的输出电压在与初始值相比shift

  将封装的绝压MEMS器件置于40℃~65℃高温,90%RH~95%RH环境下,以24h为一个循环周期,连续循环6次,然后测试器件在40kPa~100kPa下的输出电压、线性度、回滞特性参数。

  由图7可见,温湿循环老化对线性度和回滞特性影响也较低,曲线线性度和重合度良好; 不同压力下的输出电压与初始值相比shift<1%。根据工艺给出的输出电压判定SPEC:shift10%,可靠性风险较低。

  MEMS产品一般都是电子产品,基本都需要接电源使用,所以考核产品的电压过载可靠性也是非常必要的。将封装的绝压MEMS器件在32倍的工作电压下持续过电压1min,然后测试器件在40kPa~100kPa下的输出电压、线性度、回滞特性参数。

  由图8可见,短时电压过载对线性度和回滞特性影响较小,曲线线性度和重合度良好; 不同压力下的输出电压与初始值相比shift<0.6%。根据工艺给出的输出电压判定SPEC: shift10%,可靠性风险低。

  由图9可见,压力过载老化对线性度和回滞特性影响也较小,曲线线性度和重合度良好; 不同压力下的输出电压与初始值相比shift<5%。根据工艺给出的输出电压判定SPEC:shift10%,可靠性风险较低。

  对比论文中所有的测试发现,压力MEMS器件对压力过载试验最敏感。压力过载考核是判断压力MEMS器件可靠性的重要测试方法。

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