基于压阻式压力传感器长期稳定性的研究进展与创新实践

作者及机构
本研究由Åsmund Sandvand博士主导，合作单位包括挪威东南大学学院（University College of Southeast Norway）技术、自然科学与海洋科学学院，以及MEMS制造商Memscap AS。研究得到了挪威研究理事会（Research Council of Norway）的资助（项目编号228755），相关成果发布于2017年的博士论文系列（Doctoral Dissertations at the University College of Southeast Norway No. 25），并衍生多篇期刊论文，发表于《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》《Journal of Microelectromechanical Systems》等期刊。

学术背景

研究领域与动机
该研究隶属于微机电系统（MEMS）中的高精度传感器领域，聚焦压阻式压力传感器（piezoresistive pressure sensors）的长期稳定性优化。这类传感器自1960年代问世以来，已成为航空电子（如高度计、空速计算）、医疗设备（如人工心脏）等关键应用的核心部件。然而，传感器输出信号的长期漂移（long-term drift）和热滞后（thermal hysteresis）限制了其在高精度场景（如航空RVSM标准要求的100 ppm满量程精度）中的应用。

核心问题与目标
Sandvand团队发现，传统传感器设计中以下因素导致稳定性不足：
1. 玻璃料键合（glass frit bonding） 产生的残余应力分布不均；
2. 聚合物贴装材料 吸湿膨胀引发的机械应力变化；
3. 密封腔体内气压波动 对传感器信号的耦合影响。
研究目标是通过多物理场建模与工艺创新，将长期漂移降至100 ppm/年以下，并揭示失效机制。

研究流程与方法

1. 玻璃料键合应力建模与优化
- 对象与样本：分析124个传统设计（SP82传感器）和84个优化设计的绝对压力传感器，结合41个差压传感器作为对照。
- 方法：
- X射线计算机断层扫描（CT）：三维重构键合界面，识别“过量玻璃料”（excess material）和“边缘凹陷”（recessed edge）等缺陷（图16-17）。
- 有限元分析（COMSOL）：建立热-机械耦合模型，量化玻璃料分布对传感器零点（zero point）和温度系数（TCO）的影响（图18-19）。
- 创新工艺：开发高精度丝网印刷技术，减少玻璃料过量沉积，降低键合层残余应力（图20显示优化后TCO降低50%以上）。

2. 聚合物贴装材料的湿热效应研究
- 实验设计：对比热固性聚合物（thermoset polymer）在湿热环境（85°C/85% RH）下的应力松弛行为。
- 关键发现：水分扩散导致局部溶胀（hygroscopic swelling），引发传感器信号漂移；通过改进支撑芯片设计（support die design），应力耦合效应降低至可忽略水平。

3. 密封腔体气压稳定性分析
- 理论建模：推导腔体压力（p_cap）与外界渗漏的动力学关系，提出加速测试方法（高压存储监测信号漂移）。
- 实验验证：残余气体分析（RGA）显示玻璃料键合腔体初始气压为0.8–2.4 hPa，主要成分为有机挥发物。采用非蒸散型吸气剂（NEG）可将气压稳定在1 hPa以下。

主要结果与逻辑链

1. 玻璃料优化：

   • 过量玻璃料导致微裂纹（microcrack）形成，是长期漂移的主因（第4.1节）。通过优化分布，传感器零点偏移从-10 mV降至接近0 mV，TCO从±0.07%FS/°C降至±0.03%FS/°C。
     
   • 结果支持“应力腐蚀开裂（stress corrosion cracking）”理论（第3.3.2.4节），即湿气加速硅氧键（Si-O-Si）断裂。
     

2. 聚合物贴装改进：

   • 热循环实验表明，聚合物物理老化（physical aging）引发热滞后（图9）。新支撑芯片设计通过机械解耦（decoupling）消除了该效应（第4.3节）。
     

3. 密封性标准：

   • 提出基于分子流模型（molecular flow）的泄漏率计算公式，为航空传感器封装定制了严苛的密封性要求（第3.4.2节）。
     

结论与价值

科学价值
- 首次建立玻璃料分布–微裂纹–信号漂移的定量关系，拓展了MEMS封装力学理论。
- 揭示聚合物 hygro-thermo-mechanical 耦合效应对传感器稳定性的影响机制。

应用价值
- Memscap已实施玻璃料印刷工艺优化，新一代SP82传感器长期漂移降至0.01%FS/年，满足航空RVSM标准。
- 研究结果被应用于火星科学实验室（Curiosity Rover）的激光光谱仪压力传感器（第1.1节）。

研究亮点

1. 多尺度分析方法：结合CT成像、有限元模拟与加速老化实验，全链条解析稳定性失效机制。
   
2. 跨学科创新：将半导体物理（第3.2节）、断裂力学（第3.3.2.4节）与封装工艺深度融合。
   
3. 工业转化高效：课题组与Memscap的紧密合作确保成果快速落地，相关专利已整合至生产线。
   

其他贡献
- 开发原位金属性能观测技术（第4.4节），为传感器金属化层（metallization）可靠性评估提供新工具。
- 提出硅-玻璃界面铅析出（lead precipitation）的抑制工艺（第3.3.2.1节），提升键合强度。