MEMS汽車壓力傳感器的長期穩定性測試與失效模式分析

2.The13th Research Instituteof China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang O5ooo0，China）

【Abstract】Aiming at the problemof insuffcient long-term stability of automotive pressure sensors，thisarticle proposes a suspended sealing structure design， adopts the aluminum alloy - ceramic composite packaging process， combined with the temperaturecompensationalgorithm.Through theconstruction of anacceleratedaging testplatform with temperatureandpressrecycles for testing，theresults showthat this designreduces the temperature drift from ± 1.8%FS to ±0.28%FS .The output attenuation after 5Oo hours of pressure cycling isless than 0.5% FS.Failure analysis showsthat interface delaminationisthe main problem，accountingfor 62% .Theshear strengthisincreasedby 37% after optimization with a O.5mm silica gel buffer layer.

【Key words】MEMS pressure sensor;long-term stability；ceramic packaging；temperature compensation algorithm; failure mode analysis

0 引言

在汽車電子控制系統中，壓力傳感器作為發動機管理、制動系統等核心模塊的感知單元，其長期穩定性直接影響行車安全與系統可靠性。現有微機電系統MEMS壓力傳感器在復雜工況下易出現輸出漂移現象，這主要源于溫度循環所導致的材料特性變化，以及機械疲勞引發的結構失效。這類性能退化問題不僅可能造成控制系統的誤判，還會顯著增加維護成本[2]。

針對上述問題，本研究創新性地提出一種懸浮密封結構設計。該設計通過優化應力分布，有效降低局部應力集中，并配合溫度補償算法，抑制環境干擾對傳感器性能的影響。該方案采用鋁合金-陶瓷復合封裝工藝，在確保機械強度的同時，極大地提升了熱匹配性。為全面驗證設計的有效性，本研究搭建了包含溫度循環 -40～125^°C ）與壓力循環（0＼～1000kPa 的加速老化試驗平臺，并結合完善的數據處理流程，實現對特征參數的定量分析。本研究結果有望為車載壓力傳感系統的精度保持與壽命預測提供堅實的技術參考。

1傳感器結構設計

本研究設計的懸浮密封結構微機電系統MEMS壓力傳感器，巧妙運用力學耦合原理，在實現傳感器密封的同時，避免了陶瓷芯體與殼體的剛性接觸，從而有效分散應力集中。其具體結構包括陶瓷芯體、連接器、殼體、0型圈，通過壓環過盈配合方案實現傳感器的懸浮密封，進而形成穩定的力學結構。壓力傳感器結構示意如圖1所示。

封裝工藝采用不銹鋼-陶瓷復合結構，外殼選用316L不銹鋼材料，該材料具有卓越的抗腐蝕性與機械強度。陶瓷基座采用 96% 氧化鋁陶瓷，其熱膨脹系數與硅芯片接近，可顯著減少溫度變化引起的熱應力。兩部分通過壓環過盈配合實現傳感器密封，如圖2所示。壓環組裝完成后，陶瓷芯體未與殼體剛性接觸，而是通過密封圈軟接觸實現密封，達到懸浮密封狀態。這種封裝方式成功解決了傳統封裝應力大的問題，且在機械強度方面優于純陶瓷封裝。

2長期穩定性測試方法

2.1 測試系統搭建

長期穩定性測試系統包含溫度控制單元、壓力控制單元和數據采集單元3部分。溫度控制單元采用可編程溫度試驗箱，能夠在 -40～125^°C 范圍內實現精確控制，溫度波動可控制在 ±0.5^qC 以內。壓力控制單元由高精度壓力控制器構成，可產生 0～1000kPa 范圍內的穩定壓力，控制精度達 0.02%FS 。數據采集單元采用24位模數轉換器，采樣頻率為 100Hz ，能夠敏銳捕捉傳感器的微小輸出變化。系統基于LabVIEW平臺開發控制軟件，實現測試參數的靈活設置和自動化流程控制。

2.2 測試流程

加速老化試驗采用溫度循環與壓力循環相結合的方式進行。溫度循環測試為 -40～125^°C 變化，升降溫速率為 3^°C/min ，高低溫駐留時間為 30min ，壓力循環測試采用 2Hz 正弦波形，壓力范圍為 0～1000kPa 連續運行 500h 。測試數據處理包括小波去噪、溫度補償和特征提取3個步驟，通過零點漂移、靈敏度變化、線性度和重復性4項指標評估傳感器穩定性。

2.3 誤差控制

為確保測試結果可靠性，本研究采用分段線性補償算法處理環境波動引起的測量誤差。算法表達式如下：

V_comp=V_raw-α（T-T₀）

式中： V_comp. （204 補償后輸出電壓； V_raw -原始 輸出電壓； α 溫度系數； T —當前溫度； T₀ 參考溫度。

該算法基于IEEE1451.1標準實現，能有效消除溫度波動的影響。在數據處理過程中，每個測試點采集100個樣本計算平均值，剔除離群值后評估離散程度，并通過艾倫方差分析識別長期漂移趨勢，建立性能退化模型。

3測試結果與分析

3.1 輸出特性

表1數據分析表明，傳感器在 500h 加速老化試驗后，零點漂移從初始的 0.05mV 增加至 0.12mV ，增幅為 0.07mV ，即滿量程的 0.09% 。雖然存在漂移，但數值遠低于行業通常接受的 0.5mV 限值。靈敏度變化率為 -0.3%FS ，表現為輕微下降趨勢，但仍優于設計目標 ±0.5%FS 。通過對比測試數據可知，傳感器性能參數隨時間變化率呈減緩趨勢，預示長期穩定性良好。

3.2 溫度特性

溫度特性測試收集了傳感器在 -40～125^°C 范圍內的輸出數據，其測試結果如表2所示。數據顯示，在未補償狀態下，傳感器在全溫度范圍內的溫漂為±1.8%FS ；應用分段線性補償算法后，溫漂顯著降至 ±0.28%FS ，改善率高達 84.4% 。補償后的溫漂曲線近似線性，極端溫度點的溫漂值相對中間溫度區域稍大，這與硅膠緩沖層在極端溫度下的性能變化有關。500h加速老化試驗后，補償效果無明顯衰減，數據波動小于 0.03%FS ，充分證明了補償機制的長期可靠性。

3.3 機械耐久性

壓力循環測試收集了傳感器在不同循環次數下的機械參數變化，數據如表3所示。在完成360萬次壓力循環后，固有頻率從初始的 5.8kHz 降至 5.75kHz 變化率為 0.86% 。這種微小變化表明壓力傳感器結構保持良好彈性，未出現明顯疲勞現象。線性度從初始的 0.18%FS 增至 0.23%FS ，變化幅度為 0.05%FS 處于測量系統誤差范圍內。性能參數變化率曲線呈現早期快速變化、后期趨于穩定的特點，符合材料力學疲勞規律，預示傳感器具備良好的長期機械穩定性。

4失效模式分析

4.1 主要失效類型

為確定MEMS壓力傳感器可能的失效機理，本研究對加速老化試驗后的樣品進行了解剖分析。表4統計了50個失效樣品的故障分布情況。數據顯示，界面分層是壓力傳感器最主要的失效模式，占比62% 。通過掃描電子顯微鏡檢查發現，分層主要發生在硅芯片與陶瓷基板的連接處，表現為微觀裂紋沿界面擴展。這種失效與溫度循環導致的熱膨脹系數不匹配有關，循環熱應力引起界面處剪切力累積，最終導致粘合層斷裂5。材料老化是另一種失效模式，占比 38% ，主要表現為P型硅壓阻元件電阻率變化，從初始 1.2Ω?cm 增至 1.8Ω?cm ，導致傳感器靈敏度下降和零點漂移增大。

4.2 改進方案

針對界面分層問題，本研究開發了緩沖層優化方案。硅膠緩沖層厚度與剪切強度關系見表5，展示了不同硅膠緩沖層厚度下的剪切強度測試結果。

測試結果表明，緩沖層厚度對界面剪切強度有顯著影響。隨著厚度從0增加至 0.5mm ，剪切強度呈現上升趨勢，最大值達 2.20MPa ，較無緩沖層提升37.5% 。厚度繼續增加時，剪切強度反而下降，這是因為過厚的緩沖層導致內部應力分布不均。通過Excel規劃求解工具優化分析，確定 0.5mm 為最佳緩沖層厚度。

針對材料老化問題，采用表面鈍化處理工藝提高硅壓阻元件穩定性。在硅表面生長 100nm 厚二氧化硅薄膜，有效減少環境因素對硅材料的影響。處理后的壓阻元件在 500h 老化測試中，電阻率變化減小至原來的 40% ，相應的零點漂移和靈敏度變化也明顯改善。

改進后的傳感器結構采用優化后的 0.5mm 硅膠緩沖層和表面鈍化處理的壓阻元件，重新進行 1000h 加速老化試驗。結果顯示，傳感器零點漂移減小45% ，靈敏度變化減小 52% ，且未出現界面分層現象。這些改進措施有效提高了MEMS壓力傳感器的長期穩定性，特別是在極端溫度循環條件下的可靠性，滿足汽車電子系統10年以上使用壽命的要求。

5結論

本研究針對汽車壓力傳感器長期穩定性問題，精心設計了懸浮密封結構的MEMS汽車壓力傳感器，并進行了系統的測試與深入分析。通過優化機械結構、選用合適材料以及應用溫度補償算法，成功將溫漂從 ±1.8% FS降至 ±0.28%FS ，實現了 500h 壓力循環后輸出衰減小于 0.5% FS的穩定性能。失效分析顯示界面分層是主要問題，占比 62% ，通過引入0.5mm 厚硅膠緩沖層使剪切強度提升 37% 。本研究成果對提高整車控制系統的可靠性和使用壽命具有重要意義，有望為汽車壓力傳感器的工程應用提供關鍵技術支撐。

參考文獻

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（編輯林子衿）