MEMS压力传感器压力漂移故障研究与改进.pdf

1、 年 第 期M E M S压 力 传 感 器 压 力 漂 移 故 障 研 究 与 改 进马 金 强,王 雅 南,郝 学 信(宁 波 吉 利 罗 佑 发 动 机 零 部 件 有 限 公 司,浙 江 宁 波)摘要:压 力 传 感 器 是 汽 油 机 电 子 控 制 系 统 的 重 要 部 件,为 汽 油 机 电 子 控 制 单 元 提 供 关 键 的 压 力 信 号,如 果 压力 信 号 出 现 漂 移,将 会 影 响 汽 油 机 测 量 精 度 和 故 障 诊 断.本 文 针 对 某 汽 油 机M E M S压 力 传 感 器 出 现 批 量 压 力 信号 漂 移 的 故 障,将 压 力 传 感

2、 器 进 行 拆 解 分 析,分 别 从 结 构 型 式、工 作 原 理 和 生 产 工 艺 三 个 方 面 进 行 研 究,对 压 力 信号 漂 移 原 因 进 行 逐 一 排 查,最 终 找 到 根 本 原 因:由 于 晶 圆 在 热 氧 化 过 程 中 温 度 控 制 缺 陷 导 致 压 敏 电 阻 氮 化 绝 缘 层厚 度 不 足,造 成 电 流 泄 漏.提 出 改 进 方 案,通 过 减 小 晶 圆 烤 炉 温 度 公 差,有 效 解 决 了 压 力 漂 移 故 障.关 键 词:M E M S;漂 移;压 敏 电 阻;晶 圆;烤 炉 中 图 分 类 号:T K 文 献 标 识 码:A

3、 文 章 编 号:X()R e s e a r c h a n d I mpr o v e m e n t o f M E M S P r e s s u r e S e n s o r P r e s s u r e D r i f t F a u l tM a J i n q i a n g,W a n g Y a n a n,H a o X u e x i n(N i n g b o G e e l y R o y a l E n g i n e C o m p o n e n t s C o,L t d,Z h e j i a n g N i n g b o)A b s t r a c

4、 t:P r e s s u r e s e n s o r i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m o f g a s o l i n e e n g i n e,w h i c h p r o v i d e s t h e k e y p r e s s u r e s i g n a l f o r t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l u n i t o f g a s o l i n e e n g i

5、 n e I f t h e p r e s s u r e s i g n a l d r i f t s,i t w i l la f f e c t t h e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y a n d f a u l t d i a g n o s i s o f g a s o l i n e e n g i n e A i m i n g a t t h e f a i l u r e o f b a t c h p r e s s u r es i g n a l d r i f t o f a M E M S p r e s s u

6、 r e s e n s o r o f a g a s o l i n e e n g i n e,t h i s p a p e r d i s a s s e m b l e d a n d a n a l y z e d t h e p r e s s u r es e n s o r,s t u d i e d f r o m t h r e e a s p e c t s:s t r u c t u r e t y p e,w o r k i n g p r i n c i p l e a n d p r o d u c t i o n p r o c e s s,i n v e

7、s t i g a t e d t h ec a u s e s o f p r e s s u r e s i g n a l d r i f t o n e b y o n e,a n d f i n a l l y f o u n d t h e r o o t c a u s e:d u e t o t h e d e f e c t o f t e m p e r a t u r e c o n t r o l i n t h e t h e r m a l o x i d a t i o n p r o c e s s o f w a f e r,t h e t h i c k n

8、 e s s o f v a r i s t o r n i t r i d i n g i n s u l a t i o n l a y e r i s i n s u f f i c i e n t,r e s u l t i n g i n c u r r e n t l e a k a g e A n i m p r o v e d s c h e m e i s p r o p o s e d t o e f f e c t i v e l y s o l v e t h e p r e s s u r e d r i f t f a u l t b y r e d u c i n

9、 g t h e t e m p e r a t u r e t o l e r a n c e o f t h ew a f e r o v e n K e y w o r d s:M E M S;D r i f t;V a r i s t o r;W a f e r;O v e n作 者 简 介:马 金 强(),男,工 程 师,本 科,主 要 研 究 方 向 为 汽 车 发 动 机 前 瞻 技 术.分 析 背 景M E M S技 术 是 以 传 统 的 半 导 体 工 艺 和 材 料 为 基 础,利用 微 米 技 术 制 造 的 一 种 先 进 的 微 型 电 子 机 械 系 统,它 凭

10、借其 微 型 化、智 能 化、集 成 化、成 本 低、可 批 量 生 产 等 优 势,在航 空、汽 车、医 疗、军 事 等 几 乎 所 有 领 域 都 有 非 常 广 泛 的 应用.随 着 科 技 发 展,M E M S传 感 器 市 场 需 求 量 逐 年 增 长,压 力 传 感 器 作 为M E M S技 术 的 主 导 产 品,尤 其 在 汽 车 行业,占 有 巨 大 份 额,能 够 实 时 精 准 输 出 被 测 介 质 的 压 力 信号,是 汽 油 机 性 能 监 控 和 故 障 诊 断 的 重 要 部 件.终 端 客 户对M E M S压 力 传 感 器 的 精 度、灵 敏 度、响

11、 应 速 度 等 要 求 也越 来 越 高,但 其 制 造 工 艺 极 其 复 杂,这 就 意 味 着 每 一 道 制 造工 序 需 要 严 格 控 制,当 前M E M S压 力 传 感 器 依 然 存 在 零 点误 差、非 线 性、压 力 漂 移 等 问 题.本 文 针 对 某 汽 油 机M E M S压 力 传 感 器 压 力 漂 移 故 障,对 其 结 构、工 作 原 理 和生 产 工 艺 进 行 研 究,最 终 锁 定 故 障 原 因,并 提 出 解 决 方 案.故 障 件 性 能 输 出某 汽 油 机 出 现 零 公 里 故 障,故 障 灯 常 亮,经 检 查 故 障码,发 现 压

12、 力 传 感 器 信 号 输 出 漂 移,且 已 超 出 预 设 阈 值,更换 新 的 压 力 传 感 器 后 故 障 排 除,锁 定 主 因 件 是 压 力 传 感 器.将 故 障 压 力 传 感 器 拆 卸 后 通 电 检 测 输 出 曲 线,测 试 环 境 温度 设 定,测 试 压 力 设 定 b a r,依 据 压 力 传 感 器 的 精 度,设 计 标 准 公 差 范 围 为()b a r,测 量 时 间 设 定 h,压 力输 出 曲 线 见 图,数 据 显 示:(a)压 力 输 出 值 在 短 运 行 时 间内 快 速 上 升,在 起 初 m s左 右,压 力 值 就 超 出 上

13、限 值 b a r,经 过 大 约 m s,压 力 值 增 大 到 b a r左 右;(b)经 过 大 约 s,压 力 输 出 值 趋 于 稳 定,到 达 s左 右,压 力 值 增大 到 b a r左 右;(c)输 出 信 号 在 长 时 间 运 行 下,持 续 保 持高 的 偏 移,没 有 发 生 明 显 变 化,经 过 h,压 力 值 增 大 到 b a r左 右,偏 移 量 从 起 初 的 b a r升 高 到 b a r.(a)m s 压 力 曲 线 图(b)s 压 力 曲 线 图 内 燃 机 与 配 件 w w w n r j p j c n(c)h 压 力 曲 线 图图 故 障 件

14、 压 力 输 出 曲 线 图 故 障 件 结 构 分 析 M E M S压 力 传 感 器 结 构故 障 压 力 传 感 器 采 用M E M S压 阻 式 结 构,主 要 由 连接 器、多 晶 片 模 组(以 下 简 称“M C M”)、壳 体 和 螺 纹 接 口 组成,见 图.连 接 器 内 部 注 塑 一 体 式 引 脚,为 传 感 器 提 供电 源 并 将 压 力 信 号 输 出 给 电 子 控 制 单 元;M C M感 应 被 测介 质 的 压 力,将 机 械 形 变 转 换 成 电 信 号,并 对 电 信 号 进 行补 偿 和 调 理;壳 体 通 过 高 强 度 塑 料 注 塑 成

15、 型,保 护 和 支 撑内 部 零 件,同 时 与 连 接 器 和 螺 纹 接 口 一 起 形 成 测 量 腔 体;螺 纹 接 口 与 被 测 部 件 紧 密 连 接,起 到 密 封 作 用.图 M E M S压 力 传 感 器 结 构 M C M结 构M C M是M E M S压 力 传 感 器 的 核 心 部 件,主 要 包 含压 敏 元 件、专 用 集 成 电 路(以 下 简 称“A S I C”)和 键 合 线,见图.压 敏 元 件 感 应 压 力 变 化 而 输 出 不 同 的 电 压 信 号;A S I C用 于 信 号 放 大、校 正 和 补 偿;压 敏 元 件 和A S I C

16、之 间通 过 键 合 线 连 接,键 合 线 采 用 直 径 u m的 金 线,相 比 普通 铝 线 设 计,提 升 其 抗 氧 化 性 能 和 耐 腐 蚀 性 能,键 合 线 两端 分 别 焊 接 在 对 应 的 焊 盘 上,实 现 电 信 号 的 传 输.图 M C M结 构 压 敏 元 件 结 构 及 工 作 原 理压 敏 元 件 主 要 用 于 感 应 压 力,由 真 空 腔、压 敏 电 阻、硅薄 膜 片 和 压 力 入 口 组 成,见 图.采 用M E M S技 术 将个高 精 密 半 导 体 压 敏 电 阻 刻 制 在 硅 薄 膜 片 表 面 应 力 最 大 处,这个 压 敏 电

17、阻 作 为 应 变 元 件 组 成 一 个 惠 斯 通 电 桥,见 图.当 被 测 介 质 经 过 压 力 入 口 接 触 硅 薄 膜 片 一 侧,此 时 硅薄 膜 片 受 外 力 作 用 发 生 弹 性 变 形,个 压 敏 电 阻 发 生 阻 值变 化,破 坏 原 先 的 惠 斯 通 电 桥 电 路 平 衡,此 时 的 惠 斯 通 电桥 输 出 与 压 力 成 正 比 的 电 压 信 号.图 压 敏 元 件 结 构 图图 惠 斯 通 电 桥 原 理 图 A S I C结 构 及 工 作 原 理专 用 集 成 电 路A S I C主 要 包 含 放 大 器、微 控 制 器、数/模 转 换 器、

18、振 荡 器、温 度 传 感 器、滤 波 电 容 等 元 件.C M O S集 成 电 路 用 于 传 感 器 特 定 惠 斯 通 电 桥 信 号 的 高 精 度 放 大和 校 正,通 过 位 的 微 控 制 器 运 行 校 正 算 法,实 现 压 力 信号 偏 移 量、灵 敏 度、温 度 漂 移 和 非 线 性 的 数 字 补 偿,同 时,特 殊 的 保 护 电 路 和 优 异 的 电 磁 兼 容 性 保 证 了A S I C具 有良 好 的 环 境 适 应 能 力.故 障 件 拆 解 分 析对 故 障 压 力 传 感 器 进 行 拆 解,确 认 连 接 器、壳 体 和 螺纹 接 口 没 有

19、问 题,单 独 对M C M进 行 功 能 测 试,结 果 显 示M C M存 在 信 号 漂 移 的 情 况,经 分 析M C M故 障 可 能 的 原因 主 要 有个 方 面:键 合 线 连 接 故 障、A S I C功 能 故 障 和 压敏 元 件 功 能 故 障,对 以 上 三 个 可 能 的 因 素 进 行 逐 一 排 查.键 合 线 拉 脱 力 和 剪 切 力 测 试M C M壳 体 解 封 装 后,显 微 镜 检 查 电 子 元 件 和 键 合 线状 况,未 发 现 元 器 件 外 观 损 伤 和 键 合 线 异 常 情 况,见 图.依 次 对 根 键 合 线 进 行 拉 脱 力

20、 和 剪 切 力 测 试,拉 脱 力 设计 允 许 最 小 值 为 g,实 测 结 果 分 别 为:g、g、g、g、g、g、g、g、g、g,范 围 在 g g之 间;剪 切 力 设 计 允 许 最 小 值 为 g,实 测 结果 分 别 为:g、g、g、g、g、g、g、g、g、g,范 围 在 g g之 间.拉 脱 力 和 剪 切 力 均 符 合 设 计 要 求,排 除 键 合 线 焊 接 异 常因 素.图 M C M解 封 装 实 物 图 A S I C功 能 测 试将A S I C从M C M中 解 封 出 来,单 独 对A S I C进 行 功能 检 测.测 量 时 将 压 敏 元 件 模

21、拟 成 一 个 可 调 电 阻,测 量A S I C的 输 出 电 压 值,结 果 表 明 压 力 稳 定 在 b a r和 b a r之 间,没 有 出 现 压 力 漂 移,证 明A S I C功 能 正 常,同 时 也 排 除 了 由 于 外 界 电 气 过 载 导 致A S I C击 穿 的 可 能.压 敏 元 件 功 能 测 试对 压 敏 元 件 进 行 目 视 检 查,压 敏 电 阻 及 半 导 体 结 构 均未 发 现 异 常,直 接 测 量 压 敏 元 件 两 端 的 电 压 差,发 现 电 压 年 第 期差 在 短 时 间 内 存 在 约 m V的 电 压 漂 移,对 应 的

22、压 力 漂 移大 约 为 b a r,与 故 障 件 的 性 能 输 出 曲 线 漂 移 现 象 相 符,证 明 故 障 传 感 器 的 压 力 漂 移 是 由 于 压 敏 元 件 造 成 的.压 敏 电 阻 功 能 测 试单 独 对 压 敏 元 件 上 的 压 敏 电 阻 进 行 分 析,压 敏 电 阻 的结 构 见 图,导 电 柱 与 保 护 层 之 间 有 一 层 氮 化 绝 缘 层,正常 情 况 下,两 者 之 间 是 绝 缘 的,没 有 电 流 通 过,电 压 应 为.测 量 故 障 件 保 护 层 和 导 电 柱 之 间 的 电 压 差,并 与 正 常件 对 比,发 现 故 障 件

23、 两 者 之 间 存 在 约 m V的 电 压 差,见 图.基 于 此 分 析 得 出 结 论,故 障 件 压 敏 电 阻 的 氮 化 绝 缘 层没 有 完 全 绝 缘,存 在 漏 电 流 现 象.图 压 敏 电 阻 剖 面 图图 导 电 柱 与 保 护 层 之 间 的 电 压 差 曲 线 图 根 本 原 因 分 析 及 设 计 改 进 漏 电 流 原 因 分 析晶 圆 是 制 造 压 敏 元 件 的 基 本 材 料,生 产 过 程 中 晶 圆 需要 经 过 热 氧 化 和 沉 积 处 理,然 后 通 过 多 次 蚀 刻 等 步 骤 在 晶圆 上 完 成 电 路 的 加 工 和 制 造.晶 圆

24、 的 热 氧 化 工 艺 需 要 在烤 炉 中 烘 烤:先 在 基 层 上 通 过 热 氧 化 法 生 成S i O 缓 冲 层,然 后 通 过 热 化 学 低 压 沉 积 法 沉 积 一 层 氮 化 物,见 图.此过 程 对 烤 炉 内 温 度 分 布 和 控 制 要 求 非 常 严 格,温 度 变 化 差异 会 影 响 氮 化 绝 缘 层 的 涂 层 厚 度,当 烤 炉 温 度 超 出 设 计 要求 时,会 导 致 氮 化 绝 缘 层 的 涂 层 厚 度 不 足,无 法 起 到 完 全绝 缘 作 用,继 而 引 起 导 电 柱 和 保 护 层 之 间 漏 电 流.排 查 晶圆 热 氧 化

25、烤 炉 的 工 作 温 度 控 制,设 计 规 格 要 求 为:(),实 际 测 量 烤 炉 内 温 度 为,位 于 规 格 上 限 值.由 于 测 量 设 备 存 在 一 定 的 误 差,推 断 烤 炉 内 实 际 温 度 已 经超 出 设 计 要 求.图 晶 圆 在 烤 炉 中 的 烘 烤 过 程通 过 一 组 对 比 试 验 验 证 烤 炉 温 度 波 动 是 造 成 漏 电 流的 根 本 原 因:参 考 组 的 烤 炉 温 度 控 制 在(),试验 组 的 烤 炉 温 度 控 制 在()之 间,生 产 完 成 之后,分 别 测 量 试 验 组 和 参 考 组 样 本 中 每 个 晶 粒

26、 导 电 柱 和 保护 层 之 间 的 电 压 差,试 验 结 果 发 现,参 考 组 样 本 的 两 者 电压 差 均 为 m V,试 验 组 样 件 平 均 每 个 晶 圆 有 个 晶 粒发 生 失 效,一 个 晶 圆 可 以 切 割 成 个 单 晶 粒,漏 电 流 率约.由 此 可 证 明 晶 圆 热 氧 化 烤 炉 温 度 控 制 公 差 设计 不 合 理,温 度 波 动 大 是 造 成 压 敏 电 阻 漏 电 流 的 根 本原 因.设 计 改 进基 于 以 上 分 析,优 化 晶 圆 热 氧 化 烤 炉 内 的 温 度 监 控 分布、减 小 烤 炉 温 度 波 动 是 最 有 效 的

27、 改 进 方 向.经 过 多 次 测试 研 究,最 终 的 改 进 方 案 是 将 烤 炉 温 度 监 控 设 计 公 差 从 缩 小 到,并 增 加 温 度 监 控 点,保 证 烤 炉 内 温 度分 布 均 匀.改 进 后 压 力 传 感 器 批 量 生 产,未 出 现 类 似 压 力漂 移 故 障,证 明 改 进 有 效.结 论本 文 通 过 对 某 汽 油 机M E M S压 力 传 感 器 出 现 压 力 漂移 故 障 进 行 分 析 排 查,得 出 结 论:)晶 圆 热 氧 化 工 序 中 烤 炉 温 度 波 动 大,引 起 晶 圆 氮 化绝 缘 层 涂 层 厚 度 不 足,没 有

28、完 全 绝 缘,造 成 压 敏 电 阻 漏 电流 现 象,导 致 传 感 器 压 力 信 号 随 工 作 时 间 增 加 而 产 生漂 移;)温 度 公 差 从 加 严 到,并 增 加 温 度 监 控点,可 以 减 小 烤 炉 温 度 波 动 和 保 证 温 度 分 布 均 匀,提 高 氮化 绝 缘 层 镀 层 的 均 匀 性,有 效 避 免 由 于 绝 缘 层 厚 度 不 足 产生 漏 电 现 象,解 决 压 力 漂 移 故 障;)在 后 续M E M S压 力 传 感 器 开 发 过 程 中,需 要 重 点关 注 晶 圆 烤 炉 温 度 的 波 动 幅 度,严 格 控 制 烤 炉 温 度

29、公 差 和温 度 均 匀 性.参 考 文 献:卢 鹏,张 顺 星,于 慧 君,彭 倍,周 吴 M E M S压 力 传 感 器新 型 膜 结 构 设 计 与 优 化 J机 械 设 计,():侯 丽 娟,秦 会 斌,胡 炜 薇,秦 晋基 于 微 纳 结 构 的 柔 性 压力 传 感 器 设 计 与 制 备 J传 感 器 与 微 系 统,():陆 学 斌,孙 伟,于 斌基 于 电 学 修 正 多 晶 硅 纳 米 薄 膜 的压 力 传 感 器 J传 感 技 术 学 报,():马 鑫,张 琪,郭 鹏,同 笑 珊,赵 玉 龙,汪 爱 英基 于 非 晶 碳膜 压 阻 效 应 的M E M S压 力 传 感

30、 器 研 究 J表 面 技 术,():王 雅 南,马 金 强,许 晶,萨 图 格 日 乐车 辆 空 气 流 量 计 进异 物 故 障 分 析 J机 械 制 造,():张 鹏 涛,王 培 起,程 冬 梅,贾 小 丽,卢 元 辉发 动 机 压 力传 感 器 技 术 方 案 应 用 研 究 J内 燃 机 与 配 件,():饶 成 明,杜 伟 略,蒋 松 昊新 型M E M S压 力 传 感 器 的 设计 与 制 造 J传 感 器 与 微 系 统,():许 晶,王 雅 南,魏 庆 山,姚 君 韦进 气 压 力 温 度 传 感 器 锡晶 须 的 分 析 J机 械 制 造,():李 珊 珊,高 峰,王 雅 南 等 L I N总 线 技 术 在 汽 车 发 电 机电 压 调 节 系 统 中 的 应 用 J内 燃 机,():