机油压力传感器的封装工艺和可靠性研究

MEMS是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新技术，用MEMS技术研制的压力传感器具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、易于批量生产、成本低的优势，它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的压力传感器。目前已有多种MEMS压力传感器应用到了汽车电子系统中，如发动机共轨压力、机油压力、歧管空气进气压力、汽车胎压压力等。其中机油压力传感器是用于测量汽车发动机油压力的重要传感器，其可靠性直接关系到汽车和人的安全性。本文选用MEMS压力芯片，成功开发出汽车发动机机油压力传感器，研究了机油压力传感器的封装工艺和可靠性。在传感器的开发过程中，严格按汽车电子产品质量要求，对传感器的封装及组装过程进行了系统的分析和测试，并通过工艺优化极大地提高了传感器的可靠性能。

 工作原理和制造工艺

MEMS压力传感器是利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻，构成惠斯通电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一硅材料上进行各向异性微加工，制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。通常传感器芯片上制作有4个多晶硅电阻，电阻制作在硅薄膜的边沿位置，这是因为在薄膜的边沿处，当薄膜受到作用力时，应变引起的电阻变化最大。4个压阻R1，R2，R3，R4组成惠斯通电桥构成压力检测电路，当电桥中输入电压为Vin，并设膜片上的4个压阻相等(即R1=R3=R3=R4=R)，当薄膜受力变形时，两个电阻变大，两个电阻变小，且△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R，则其输出电压Vout可表示为

式中Voffset是在零应力和零应变时传感器的输出。由式(1)可知压阻压力传感器有两种工作方式，一种是恒电压工作方式，另一种为恒流工作方式。

MEMS压力传感器的一一种重要封装形式是采用充油的不锈钢结构，称为充油压敏芯体，其基本制造工艺过程包括贴片、引线、封装壳体、充油及二次组装等。图1是充油压敏芯体结构示意图，图2是压力传感器二次封装样品。

可靠性实验

3.1 芯片贴片工艺

传感器的贴片工艺对传感器的性能影响很大，一般要求有足够的贴片强度、尽可能小的贴片应力和能满足传感器的工作温度等。用于压力芯片的贴片材料主要有焊料和胶，不同的贴片材料对传感器性能影响有很大不同。由于焊料贴片时要求对芯片背面进行金属化处理，工艺相对较复杂，而用胶进行贴片，其工艺更简单，且成本较低，所以本压力传感器选用贴片胶工艺进行贴片。由于固化后胶的软硬对传感器的性能有很大影响，通过实验测试了软硬胶对压力传感器零点输出的影响，针对同一芯片，分别采用无贴片胶、软贴片胶(杨氏模量约为1～100 MPa量级，玻璃化温度低于-40 ℃)、硬贴片胶(杨氏模量为3.56 GPa，玻璃化温度为85℃)等三种情况，在-30～125℃下对传感器的零点输出进行了测试，测试结果如图3所示，图中给了两个传感器样品的测试结果。

从图3可以看出，贴片胶对传感器零点的影响随温度变化而变化，在低温时，使用了硬胶贴片的传感器的零点明显高于使用软胶与无胶的，这种差别随着温度的升高变得越来越小。这主要有三个原因：①贴片胶的弹性模量随温度的升高而变小；②贴片胶高温固化，在低温时会引起收缩残余应力；③贴片胶和芯片材料热膨胀系数不同产生的热应力。特别需要注意的是，在85℃之后，硬胶的影响突然变小，小到几乎与无胶的情况相同。这是因为硬胶的玻璃化温度(Tg)为85℃，高于Tg点时胶的杨氏模量变小，因而对传感器的零点温漂影响变小。因此，在选用贴片胶时，要求胶的Tg大于传感器的工作温度，以确保传感器零点的稳定性和工作的可靠性。