壓力敏感器件智能測試系統的設計

劉妍　孫志平　王鵬　張娜　何曉菁

關鍵詞：壓力敏感器件；傳感器；測試系統

中圖分類號：TP274；TP212 文獻標識碼：A

0 引言

壓力敏感器件是應用最廣泛的傳感器之一，常見的壓力敏感器件按其原理分類，包括力平衡式、應變式、壓阻式、壓電式、電容式、電感式、振弦式等[1]，其中壓阻式壓力敏感器件是最為常用的壓力敏感器件。壓阻式壓力敏感器件的核心元器件為半導體硅材料，通過平面工藝和微機械加工（MEMS）工藝制成，廣泛應用于電力、醫療、冶金、石油化、航空航天、武器裝備、汽車制造、交通運輸等多個領域。

MEMS 傳感器是利用微機械加工技術與電路集成技術發展起來的一種微型傳感器，與傳統傳感器相比，MEMS 傳感器尺寸小、質量輕、能耗小。MEMS傳感器卓越的性能及其能適應嚴酷工作環境的優勢，使其在傳感器市場上漸漸成為一種重要的產品[2]。

1 壓阻式壓力敏感器件特點

壓阻式壓力敏感器件又稱擴散硅壓力敏感器件，是利用單晶硅材料的壓阻效應設計制造的力敏器件。單晶硅材料受到壓力后，惠斯登電橋的電阻率發生變化，通過放大調理電路就可輸出電信號。

壓阻式壓力敏感器件是在硅膜片上擴散出4 個阻值相匹配的電阻，用導線連接構成惠斯登電橋。膜片兩邊有2 個壓力腔，分為高壓腔和低壓腔。高壓腔與被測系統相連接，低壓腔一般與大氣相通。傳感器上、下兩端所受壓力不同時，膜片產生形變，在輸入端施加電壓或電流時，電橋輸出電壓信號[2]。壓阻式壓力敏感器件測量原理如圖1 所示，其中V+ 和V- 分別為供電電源正和負；Vout+ 和Vout- 分別為輸出正和負；Diode+ 和Diode- 分別為補償二極管正和負。

壓阻式敏感器件普遍存在一致性、溫度漂移和非線性等問題。一致性是指不同的硅片在平面工藝制作過程中，工藝上微小的差異導致其在相同的壓力下靈敏度輸出不同。溫度漂移是指在工作溫度變化時，傳感器的零點和靈敏度輸出發生變化[3]。因此，在壓力敏感器件的生產過程中，需要對傳感器的各項指標進行準確的測試，從而掌握壓力敏感器件的基本性能，并對傳感器進行溫度補償。非線性是硅壓阻傳感器的物理特性。根據用戶的使用要求和相關規定，還需要進行一系列的環境試驗。尤其是在寬溫區情況下的性能測試，需要保證壓力敏感器件在不同標準溫度環境中測試數據的準確性和可靠性。同時，為了保證傳感器的長期穩定性，還要對傳感器進行機械沖擊疲勞試驗、溫度循環、老練處理、穩定性測試、傳感器篩選、靜態特性測試、溫度補償和過載試驗等。

傳統壓力敏感器件的測試多為手工操作，所需設備主要包括分立設備和各種測試計量儀表。在壓力敏感器件測試過程中，需要人工對高低溫試驗箱、壓力控制器、激勵電源、采集儀等設備同時操作，并通過連接線纜進行固定連接，效率低下，程序煩瑣，且容易導致各種系統誤差，造成測試結果偏差較大。

傳統壓力敏感器件生產線存在的問題主要包括以下幾個方面：①被測敏感器件采用單路電流源供電，手動控制高低溫試驗箱和壓力控制器，手動測量絕緣電阻和漏電流等參數，測試效率低；②采用手動方式控制高低溫試驗箱，測試效率低；③采用手動方式控制壓力控制器，測試效率低；④采用手動方式測試傳感器的絕緣電阻及漏電流等參數，影響測試效率；⑤通過手動方式采集傳感器測試數據，自動化程度低；⑥傳感器測試數據沒有自動整理、分析、處理的功能，所有工作只能人工進行，容易出現錯誤；⑦測試結果不能形成測試報告，數據還需測試人員手工整理，測試工作量大；⑧無測試結果的統計分析，不能為產品質量的提升提供有力的幫助；⑨測試數據無法傳輸至生產線管理系統，給數據的存儲和分析帶來不便。

針對以上問題，研發一種新型的壓力敏感器件智能測試系統，解決測試中存在的效率低、可靠性差、誤差大、使用不便等問題，具有十分重要的意義。

2 壓力敏感器件智能測試系統組成及原理

壓力敏感器件芯體封裝測試的工藝非常復雜，其主要工藝流程包括溫度老練、電老練、穩定性篩選、溫漂篩選、靜態性能篩選、電子束焊接、環境應力篩選、穩定性測試、溫漂補償、出廠測試、環境試驗、外觀檢查等多個環節（圖2）。

根據壓力敏感器件智能測試系統的工藝流程，在測試完成后，還需要對測試數據進行整理、分析、處理，最終形成測試報告，以實現芯體測試的自動化。壓力敏感器件智能測試系統組成如圖3所示。

如圖3 所示，壓力敏感器件智能測試系統由測控主機、采集控制器、高低溫試驗箱、壓力源、壓力控制器、恒流源、高精度數字萬用表、電阻測試儀、漏電流測試儀、絕緣電阻測試儀、繼電器組、待測芯體、打印機等部分組成。

測試人員通過操作測控主機，設置測試時間、測試次數、測試流程等參數進行測試，根據測試的數據，形成測試報告，利用打印機打印報告；測控主機與采集控制器用以太網通信方式相連接，將測控主機的測控命令發送給采集控制器，同時，采集控制器將采集到的壓力敏感器件芯體的電阻阻值、漏電流、絕緣強度等信息傳送給測控主機，測試人員通過操作測控主機查詢當前及歷史測試數據。

采集控制器接收到測控主機的測控命令后，分別控制高低溫試驗箱的溫度、升溫和降溫的速率、溫度循環的次數、控制繼電器組觸點的開啟與閉合，切換測試通道，控制恒流源輸出的電流值、壓力控制器輸出的壓力值，以及數字萬用表、電阻測試儀、漏電流測試儀、絕緣電阻測試儀的測試等操作，測試結束后，將測試結果傳送至測控主機。

3 壓力敏感器件智能測試系統測試方法

壓力敏感器件智能測試系統的測試項目包括溫度沖擊老練測試、靜態特性測試、溫度補償測試、穩定性測試等部分。

3.1 溫度沖擊老練測試

壓力敏感器件芯體通過溫度沖擊老練，可以釋放器件在封裝過程中產生的應力，提升傳感器的各項性能，是芯體生產中重要的工序。芯體溫度沖擊老練測試的流程如下。

（1）通過測控主機設置高低溫試驗箱溫度升降速率、高低溫測試溫度點、溫度恒定時間等參數。① 高低溫試驗箱升降速率設置為5℃/min；②高低溫測試溫度點、溫度恒定時間設置為：10 V供電，20 次高低溫循環，25℃ 恒溫2 h，溫度循環老化工藝總時長28 h；③循環程序為：25℃ 降溫至-55℃， 升溫20 min 至150℃， 再降溫30 min至-55℃，再升溫至25℃。測控主機控制高低溫試驗箱，使其以設定的參數運行，控制數字萬用表實時監測壓力敏感器件芯體的常壓輸出。

（2）采集控制器控制相應的繼電器實現壓力芯體通道的切換、芯體輸出信號測量、絕緣電阻測量、漏流測量、絕緣強度測量的切換等。

（3）采集控制器通過控制電阻測試儀、絕緣電阻測試儀、漏電流測試儀，實現對芯體橋臂電阻、絕緣電阻、漏電流的自動測試。

（4）測試數據上傳至測控主機。

3.2 靜態特性測試

將高低溫試驗箱的溫度控制在25℃，控制壓力控制器依次輸出0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa 的壓力，控制高精度數字萬用表實時測量壓力芯體的零點輸出、滿量程輸出，計算芯體的非線性、熱遲滯、重復性等參數，然后將測試數據上傳至測控主機。

3.3 溫度補償測試

本系統通過控制壓力控制器提供高精度標準壓力，將對應管路供給被測壓力芯體用作校準和檢測壓力源；通過控制高低溫試驗箱至預設溫度，模擬壓力芯體的工作環境溫度；通過控制高精度數字萬用表，測量壓力芯體在不同壓力及溫度下的輸出信號，然后將測試數據上傳至測控主機。

測控主機計算壓力芯體的補償數據，顯示并打印補償數據。生產人員根據系統輸出的補償數據，調整補償電阻，實現芯體的溫度補償。

3.4 穩定性測試

將高低溫試驗箱溫度分別控制在-55℃、-25℃、25℃、75℃、125℃、150℃， 各溫度恒定1 h 后，壓力控制器可分別產生零點及滿量程壓力，此時可利用數字萬用表采集傳感器輸出信號，并計算穩定性指標。

4 結語

壓力敏感器件智能測試系統可以實現對壓力敏感器件芯體不同工序的多參數自動測量，具有對相關性能參數進行總結、匯總與分析的功能，可以提升產品測試的穩定性及可靠性，以及產品測試和校驗的合格率，極大提高了壓力敏感器件的測試效率。