高压灭菌器测试也叫高压锅测试，是恶劣情况所用的器件平日都请求进行的一种质量测试。 直到比来，汽车安然行业才开端提出高压灭菌器测试请求，以考验用于气囊传感器的MEMS加快计。为了进行此测试，器件在情况实验箱不带电存储96/168小时，情况实验箱的气压为15psig、温度为120℃，相对湿度为100%。高压灭菌器经由必定的裸露时光后，器件在室温下从新测试。

尽管传感器的传感构造在密封情况下封装，以防止水分入侵，但MEMS加快计仍要遭受高压灭菌压力，因为塑料包装材料可在过压和过湿前提下接收水分。要测试加快计对高压灭菌器压力的易感性，我们将80个MEMS加快计置于高压灭菌器测试前提下。如图1所示，加快计由MEMS传感单位和控制ASIC构成，采取堆叠芯片构造组装在一个QFN 封装中。传感单位由飞思卡尔二聚外面微流构成，应用玻璃熔块经由过程晶片键合技巧密封在密封腔里。

高压灭菌器测试结不雅显示，25℃时，9个部件无法达到偏移规范，请求9位输出的偏移变更少于+/- 26个计数。掉效部件的最大年夜偏移变更是-48/+39个计数。当部件进行168小时测试时，发清楚明了更多器件掉效（与偏移变更的掉效行动雷同）。还发明这些部件在-40℃和125℃下具有较小的偏移变更和较紧凑的分布。掉效器件还显示在空气中裸露一段时光后，出现迟缓回归规范的“自愈”行动。在正常大年夜气前提下进行120℃焙烧，可以加快恢复过程。掉效和恢复流程是可反复和可逆的。

为了肯定高压灭菌器掉效的根源，我们创建了一个掉效分析鱼骨图，周全查看高压灭菌器测试前提下（湿度、压力和温度）偏移变更的所有可能原因。大年夜以下四个重要方面审查了设计和制造工艺：封装、ASIC、传感器和测试。是以发清楚明了微机械传感独有的三种掉效机理。这三种机理是：导致偏移变更的封装应力，电阻漏电，寄生电容变更。

封装应力影响

环氧树脂塑封（EMC）材料能接收水分，且吸热会膨胀。扫描声学显微镜（C-SAM）检测还揭示，复合募具和引线框架之间出现过多分层。这些变更会改变封装和传感单位的应力状况，大年夜而引起偏移变更。FEA封装建模（图2）用于模仿这种应力变更的影响。这个模型推敲了EMC和引线框架之间的非对称分层。根据达到均衡时水分摄取大年夜于0.54%这一道理，实验还假设吸湿应力为0.15%。

个中l是键合线的长度，r 是键合线的半径，d是两条键合线之间的距离，εr是EMC的介电常数（干燥时和高压灭菌测试之后）。

FEA模仿结不雅显示，传感器的惯性质量位移相当对称，然则因为分层和吸湿膨胀，封装的位移场纰谬称。模仿显示，吸湿膨胀引起的位移与125℃时热应变引起的位移数量级雷同。 封装应力引起的最大年夜偏移变更猜测只有4个计数８魑坏情况）。
用激光蚀刻去除传感单位四周的重要EMC部分，进一步分析掉效器件。这一做法思路是，封装的应力场将大年夜幅改变，如不雅器件对封装应力敏感，这可能导致偏移变更。但测试结不雅显示，大年夜部分EMC移除之后，器件只有异常小的偏移变更。这一结不雅相符本来的FEA猜测，EMC的吸湿膨胀只会对偏移变更产生异常小的影响，封装应力作为高压灭菌器掉效的根源被清除。

尽管研究显示封装应力不是高压灭菌器掉效的根源，值得一提的是，这归因于应力不敏感传感器/封装设计。封装吸湿应力异常大年夜，如不雅传感器设计不精确，可能成为导致高压灭菌器掉效的重要原因。

漏片子响

环氧材料的介电机能也可以经由过程水分摄取来改变。如图3所示，摄取水分之后，环氧/玻璃/云母复合伙料的体积电阻率削减10倍以上（高达1%）。此外，尽管高压灭菌器实验箱中应用了去荡子水，高压灭菌器大年夜气的水凝集可以把封装材料内的荡子污染集合在一路，形成不合潜力的传感器之间的漏电通道。

MEMS传感器的加工步调也有助于形成潜在的漏电通道。一方面，就义性氧化蚀刻步调中应用的氢氟酸可能留下氟荡子。并且，密封材料（玻璃熔块）中富含氧化铅，特定前提下可以沉淀成导电铅结。图4中的SEM图显示了玻璃熔块键合区出现的结节或团块异常明显（但Auger分析不克不及差别它们是铅照样氧化铅）。

应当指出的是，如不雅“火”线和地线之存放在电阻漏电，则会出现偏移变更。Σ△调制器前端对保存在差分电容器中的电荷（即传感单位）进行采样。幻想情况是，当传感单位带有Vr ef电荷时，电荷传送到集成电容器，不会跟着时光推移而改变。然则如不雅充电电极（或前哨）与地线之存放在漏电通道，就不会将所有电荷传送到集成电容器，电荷可能漏电到地线，导致集成的值较小，当差分电容器具有不合程度的漏电时，会出现净偏移变更。

很难直接测量漏电（ 大年夜于1Gohm）。用曲线跟踪测量高压灭菌器测试前后引脚之间的I-V，不显示引脚之间有明显的电阻变更。于是采取借居漏电测量办法。这种办法重要测量调制器的扫频。调制器时钟频率为8-1MHz不等，在每个时钟频率点取偏移值。图5显示了扫频测量的结不雅。测量发明，掉效器件（器件1718和器件1079）的偏移跟着调制器时钟频率而不合，但正常器件（器件533和1121）则保持大年夜致雷同的偏移。这种现象的原因是固定直流电漏电，较长集成时光（较低时钟频率）会导致集成的电荷值较小。

扫频结不雅似乎解释偏移掉效与漏电有关，因为要集成的电荷量跟着集成时光而变更。问题是，漏电产生地位在哪里？为沃森WSEN了找出漏登基置，履行了FA操作，经由过程激光蚀刻和化学蚀刻，选择性地去除某些区域的EMC材料。将EMC材料大年夜传感单位键合“存放”区域去除（图6）发明，漏电行动（偏移与调制器时钟频率有关）消掉。这证实焊盘存放区域内存在漏电通道。由此断定，高压灭菌器大年夜气的水凝集集合了荡子，大年夜而促进了漏电。多晶硅转子或传感单位导电帽之间可能有漏电。

为了清除直流电漏电，是以大年夜设计上建议在多晶硅转子上覆盖氮化硅钝化层，作为修复办法。 钝化层设计的临盆和高压灭菌测试作为下一步实施。

寄生电容


尽管前面的FA操作已经显示掉效部件和漏电行动之间具有某种接洽，但不克不及认为漏电是高压灭菌掉效的独一（或重要）根源。实际上是不克不及清除因高压灭菌压力而引起寄生电容变更。根据下列公式，寄生电容（大年夜键合线到键合线）估计大年夜约为50fF。
与体积电阻率一样，EMC材料的介电常数也可以经由过程摄取水分来改变（图3）。干燥前提和吸水前提下的介电常数变更可能高达两个数量级。在低频率范围（小于1Hz），这种影响更明显。在较高频率范围，差别平日小很多。测试MEMS加快计的QEN封装所用的特定EMC材料与MEMS器件采取雷同的高压灭菌器测试前提。表1显示了EMC材料的介电常数在高压灭菌器压力前后可能增长2.8%。

EMC介电常数出现2.8%的变更，可能产生1.4fF的电容变更。如斯小的电容变更要应用LCR仪表测量出来是弗成能的，但它足以在9位输出上产生15个计数的偏移变更。高压灭菌器压力产生的寄生电容变更很难控制，因为它是EMC材料特点的一部分。但有几种设计对策可以缓解此问题。一种办法是进步传感器灵敏度，大年夜而只须要较低的调制器增益。我们的不雅察也支撑这种办法，发明用不合的MEMS加快计设计（具有2倍灵敏度）在高压灭菌器测试中有更好的表示。另一种办法是采取不合前端/架构设计，将樊篱节点大年夜中心节点分别出来，如许敏感节点和樊篱节点之间的寄生电容不会产生偏移。

结论

本文共评论辩论了MEMS加快计的几种高压灭菌器掉效机理。分别说清楚明了每一种掉效机理的FA办法（经由过程建模和测量）和设计改进。清除了封装应力作为高压灭菌器掉效的根源。传感单位内的漏电经由过程调制器扫频测量获得了确认。根据EMC材料的介电机能测量研究了寄生电容。我们认为漏电和寄生电容变更都存在于高压灭菌掉效器件中。最后还为所肯定的每个根源建议了设计对策。当测试结不雅一出来，就会按照申报的测试结不雅进行这些改进。(end)