汽车用扩散硅压力传感器的设计与封装研究

汽车用扩散硅压力传感器的设计与封装研究 华中科技大学 硕士学位论文汽车用扩散硅压力传感器的设计与封装研究 姓名:付 兴铭 申请学位级别:硕士 专业:精微制造工程 指导教师:刘胜 20070125 摘 要 扩 散硅压力传感器发展到现在已经有 30 年的历史了，在此期间，人们对它的理论研 究越来越深入，应用领域也越来越广泛，其中最重要的领域之一就是汽车电子。但 是，国外的压力传感器尤其隔离封装的压力传感器以其低成本和高可靠性等优势占 据了国内的大部分市场。考虑到技术难度大、投资大、市场竞争激烈和风险较大等 各种因素，国内很少有研究机构涉足于此。本文的研究工作就是得到了国家 863 计 划的支持下开展的。 本论文在充分研究了芯片的工作原理和制作工艺的前提下，通 过理论计算、有限元分析与实验等方法，对传感器的封装结构和封装工艺进行了深 入研究，并对封装后压力传感器的温度特性进行了分析和补偿，实验证明了这种补 偿方法可以起到比较明显的效果。本文主要从三个方面展开了研究: 首先，在压力 传感器的设计方面:对压力传感器的工作原理进行了深入研究，包括小挠度和大挠 度理论、惠斯通电桥理论;此外，对于常见的两种芯片结构的制作工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 进行了 研究，并对压力芯片的灵敏度进行了有限元计算。 其次，在压力传感器的封装方面: 采用工艺力学的部分理论，对封装过程中的贴片、引线键合、结构设计和优化进行 了有限元计算和实验验证;然后测试出了封装后压力传感器的静态参数;最后对压 力传感器的可靠性进行了比较详细的研究。 最后，在压力传感器的温度补偿方面: 分析了压力传感器的输出随温度变化的原因;采用了桥臂串、并联恒定电阻的方法， 对压力传感器的零点温度补偿和灵敏度温度补偿进行了详细地推导;这种补偿方法 通过实验得到验证，最终得到了符合技术指标的压力传感器。 关键词: 汽车电子 扩散硅压力传感器 隔离式封装 有限元分析 温度补偿 II Abstract The diffused pressure sensor has been developed for more than 30 years. During thistime its theories are becoming more and more ameliorative and more and broaderapplications have been found in different fields. Automotive electronics as one of its mostimportant applications has almost been dominated by oversea products due to itscharacteristics of both low cost and high reliability. In consideration of great technicaldifficulties high investments involved and high risks of developing isolated packagedpressure sensors there have been only several research organizations active in this field. Therelated research works initiated here in this research has been supported by an 863 programthat is carried out at this historic moment and they contribute to the main contents of thisdissertation. On the bases of overall research on the working principle and fabrication process ofdiffused pressure sensors packaging configurations and processes are designed and optimizedby the combination of finite elements analysis and experiments. Then temperature propertiesare analyzed and compensated. At last samples are fabricated for testing of parameters andverification of theories. The major research is summarized below. First on designing of pressure sensor: fundamental working principle is thoroughlyinvestigated with consideration of small deflection theory large deflection theory andWheatstone bridge theory in addition the fabrication processes of two regular types ofpressure sensors are studied and their sensitivities are calculated by finite elements analysis Second on packaging of pressure sensor: theories of process mechanics are applied to themodeling and simulation of packaging processes such as die attachment wire bonding andconfiguration design/optimization etc. Then isolated packaging pressure sensors are wellpackaged and their static parameters are experimentally obtained. At last the reliabilities ofpressure sensor are research in detail. Finally on temperature compensation of pressure sensor: the reason why outputs vary astemperature changes is analyzed the method of series or parallel connection resistors isconducted in compensation in order to minimize its temperature coefficient of zero output andsensitivity finally experiments provide the needed verifications for the above compensationmethod.Keywords: Automobile Electronics Diffused Pressure Sensor Isolated Packaging Finite Elements Analysis Temperature Compensation III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:付兴铭 日期: 2007 年 1 月 30 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密? ，在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 ? 不保密?。 (请在以上方框内打“?”)学位论文作者签名: 付兴铭 指导教师签名:刘 胜日期: 2007 年 1 月 30 日 日期: 2007 年 1 月 30 日 I 1 绪 论1.1 概述 MEMSMicro electric- mechanical Systems即微机电系统，是指在微米量级内设计、融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术制造、集成了多种元件，并适于低成本、大批量生产的系统。MEMS通常由传感器、信息单元、执行器和通讯,接口单元等组成。各类传感器从需要观测和控制的对象中获取光、电、声、压力、温度等信息，转换成电信号并按照 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 进行处理，提取信息，通过执行器对目标实施控制和显示1。 MEMS类传感器是MEMS产品中应用最为广泛的一种类型。与传统的各类传感器相比，MEMS类传感器本身具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、适于批量生产、附加值高等优点，使其在生物医学、航空航天、军事和工农业各方面有广阔的应用前景。因此MEMS自上世纪80年代中后期崛起以来，引起世界各国科学家的极大兴趣，并在各国政府的巨额经费投入的推动下得到迅猛发展，一些发达国家已经把传感器作为了,,世纪的核心技术，优先研究、开发和应用。 在传感器的各应用领域中，温度、流量、压力、位置是最常见的测试参数，其中压力传感器技术是MEMS传感器中最成熟的技术，就市场销售额来说，居传感器之首。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位置、密度等)的生产和销售进行的统计，压力类传感器占整个过程传感器的三分之一强，而且其比例还在继续加大，以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。可以说，压力传感器在计量部门、汽车工业、航空、航天、航海、石油开采、化工生产、家电产品以及医疗仪器上都将得到广泛的应用。 根据工作原理的不同，压力传感器可以分为机械膜片电容型、硅膜片电容性型、压电型、应变型、光纤、霍尔效应、硅压阻式压力传感器等2，压阻式压力传感器又有扩散硅型和应变片型传感器之分，其中，扩散硅压力传感器因其低成本、高可靠性而在压阻式压力传感器中占据了越来越重要的位置，我们现在所说的压阻式压力传感器通常是指扩散硅型的压力传感器。汽车电子控制系统一直被认为是 MEMS 压力传感器的主要应用领域之一，表 ,(, 列出了压力传感器在汽车中的最主要的一些用途34。最流行的汽车 MEMS 压力传感器就采用了压阻式力敏原理，这种类型的传 感器因其灵敏度高、线性度好、稳定性好、结构简单、容易实现批量生产、易于利用标准的 ICIntegrated Circuit工艺技术实现集成化等成为目前应用最广泛的 MEMS 产品之一56，也因此成为现有几种力敏传感器中用量最大的一种，已开发出几代产品。 1 表 1.1 压力传感器在汽车中的主要用途 测量对象 量程(MPa) 具体应用 进气歧管压力 0.1-0.5 进气歧管压力传感器 制动压力 1 电动气动控制器 空气弹簧压力 1.6 汽车空气悬架 轮胎压力 0.5 轮胎监测或调节 液压系统油箱 20 ABS、动力方向盘 减震器的压力 20 底盘和悬挂控制系统 制冷压力 3.5 空调系统 调制压力 3.5 自动换档 制动压力 20 刹车总泵或分泵、偏航力矩自动补偿、 电控制动 燃料箱的正负压力 0.05 在线诊断的燃料箱 燃烧室压力 10 燃烧室中的失火或暴震检测 燃料喷射泵端压力 100 柴油机中的电控燃油喷射 共轨压力 150-180 柴油发动机的共轨压力 1.2 国内外研究概况 硅的压阻效应，1954年由美国贝尔实验室的查理?史密斯(Charley Smith)首先发现7。1958年贝尔实验室研制出半导体应变片制成的粘贴型压阻传感 年代以后，研制出周边固支的力敏电阻与硅膜片器，此后压阻传感器开始问世。70 一体化的扩散型压阻传感器，这种传感器易于批量生产，而且能够方便地微型化、集成化和智能化，因而它成为人们普遍重视的并重点开发的具有代表性的新型传感器。80年代后期以来，人们已使千帕以下量程的微压传感器高性能化与市场化成为现实:集压力、压差、温度多种敏感功能及信号处理电路于一体的复合型、智能型压阻式压力、流量传感器已经商品化。 1.2.1 国外研究概况 国外的压力传感器已经系列化和标准化。在欧美生产半导体硅压阻式压力传感器的厂家中，比较有代表性的与汽车工业相关的有 Freescale、Ti、Honeywell、GE、Delphi、Bosch 等。 Freescale 公司的研制了包括医用级别、普通级别各种用途的压阻式压力传感器。该公司最具代表性的压力传感器是 2.7×2.7mm2 单片集成压力传感器，与传统的压力传感器版图不同，该芯片采用 x 型压阻条，如图 ,(, 所示。小外形封装的传感器在 085? C范围内的精度不低于 1.5FSFull Scale，可以实现在-40? 到 125? 的范围内的精确补 C C 2偿89。 图 ,(, ,,,,,;,,, 单片集成压力传感器芯片 TI(德州仪器)公司生产的压阻式压力传感器通过封装可以应用于液压和气压、农业与建筑设备、运输和非规道路行驶车辆、引擎控制和监视、HVACHeating Ventilatingand Air Conditioning和制冷、加工控制和自动化等各种测试环境中，测量范围可以高达 C140? 范围内的精确温度补偿，精度不低于 2.5FS，并有非40000PSi，可以实现-40? C常高的可靠性10。 Honeywell 公司于 1971 年就完成了研究工作。目前该公司从廉价简装的低精度汽车用的到高精度大气测量用的传感器，都已和计算机配套生产，该公司子公司研制的 DSJT扩散硅压力传感器经八个月的试验 ，证明其性能稳定，零 漂 在 0.1 以内，精度为?0.2FS，其温度特性在 55? 范围内最大偏差为?0.25。 C GE 基础设施集团传感与测量部门集中了 Duck、Eastern、Kaye、Nova sensor 等诸多高水平传感器研制单位。GE 有一系列量程和封装形式的高可靠性、高稳定性的压阻式 压 力 传 感 器 ， 其 中 采 用 了 新 型 硅, 硅 低 温 键 合 工 艺 的 芯 片 尺 寸 可 小 到1mm×1mm×0.6mm，非线性优于 0.2FS，量程可以高达 35MPa，工作温度范围可实现 C125?-40? C。 目前，各研究机构也在不断的推出各种新颖的结构和不同制造工艺的压力传感器，只是还没有量产。总的来说，国外的压力传感器已经标准化和系列化。而且，压阻式 压力传感器的计算机辅助设计、辅助制造、优化线性、提高稳定性以及进一步减小温漂等都得到了广泛深入的研究。压阻式压力传感器的研究与发展热潮仍在继续。 1.2.2 国内研究概况 自70年代初，国内就有少数单位开展了压阻式传感器的研制工作，经过了几十年的发展，从事压力传感器研究和生产的单位越来越多。其中，具有自主设计并批量生产芯片能力的单位有沈阳仪表科学研究院、昆山双桥传感器公司、北大青鸟元芯公司、湖南 3赛西传感技术公司等，其他具有设计能力或者较高封装水平的科研单位或者厂家有复旦大学、上海微系统所、华中科技大学， 石家庄电子,,所、哈尔滨电子,,所、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、上海飞恩微电子有限公司、宝鸡麦克公司、北京昆仑海岸公司等数百家。下面仅介绍几家较早从事压力传感器的研究开发而且比较有影响的单位。 沈阳仪表科学研究院具有自主设计和批量生产能力，该院研制的压阻式芯片种类较多，包括普通扩散硅型、SOISilicon-On-Insulator、温度压力单片集成等传感器，性能稳定，稳定性可达0.2FS/年，量程最高可达100MPa，其中20KPa以下量程非线性低于1.4FS， 宝鸡传感器研究所1977年研制成功了中国第一个商品化的压其它量优于0.5FS。 阻式压力传感器系列CYG2-6。中美合资的麦克传感器有限公司压制的各种封装类型的传感器最高量程可达100MPa，精度等级分为0.1FS、0.25FS、0.5FS，根据用户需求可以选用不同的精度。 北京航空航天大学研制的GGKY-1型固态压阻传感器，其量程为0.1kg/cm2 ，精度?0.2,0.5FS，已于1978年定型，提供风洞测试使用。该院还为西北工业大学和六?六所研制出探针式压阻传感器，已用于发动机失速喘振的测试工作，取得了较好的效果。 从总体来看， 我国压阻式压力传感器的研究，在科研方面，很少有新型的工艺和设备出现，基本都是在重复国外的比较成熟的技术;在产业化方面，产量和批量封装等还存 在 不 足 ， 可 靠 性 尚 待 提 高( 因 此 离 市 场 需 求 及 国 际 水 平 还有 较 大 差 距; 此 外 ，JB/T9481-1999中要求压力传感器具有至少,,万次压力循环的寿命，国军标则是,,万次的疲劳寿命，而汽车发动机对传感器的要求则是在125? C 的高温下经受得起,,,万次的循环，远远高于机械工业部的标准。上述这些因素导致了国内应用于汽车电子的压力传感器的研究和生产相对落后。据称，与国外传感器相比，我国传感器科研水平落后,,,,年，生产技术落后10-20年，而且产量低、品种不全，尚未形成系列化、标准化，不能满足国内市场需求。目前MEMS器件一般都是定制、小批量生产的，大多被用在军事中，封装和测试的大批量化往往成本很高。因此，我们要解决上述存在的问题，就要致力于压力传感器的一致性、可靠性、重复性和耐久性的研究。 1.3 市场应用前景 市场的需求是科研的驱动力。本论文主要研究面向汽车工业的压力传感器，因此我们有必要对扩散硅MEMS压力传感器在汽车行业的市场应用前景做一下研究。 汽车电子控制系统一直被认为是MEMS压力传感器的主要应用领域之一。根据“全 4球信息公司”的 调查报告 行政管理关于调查报告关于XX公司的财务调查报告关于学校食堂的调查报告关于大米市场调查报告关于水资源调查报告 ，全球轻型汽车传感器OEMOriginal Equipment Manufacturer市场年均增长率7.4，到2010年将达到140亿美元的规模，其增长幅度远远超出汽车本身的年均增长率。与之相对应的，国内“赛迪数据库”对全球和中国汽车传感器市场的销售量发布了一项统计和预测结果，如 图1.2所示。在发达国家，随着汽车电子系统日益完善，电子传感新技术快速发展，但已经成熟的传感器产品的增长将趋缓甚至可能下降;在发展中国家，基本的汽车传感器主要用于汽车发动机、安全、防盗、排放控制系统，增长量十分可观。 图 1.2. 2000-2010 年全球和中国汽车传感器市场销售量及预测 (数据来源:赛迪数据资源有限公司，ISI emerging market) Intechno 报导 1998 年全球传感器市值为 325 亿美元，汽车传感器占 20，为 64 亿美元，其年增长率为 7.6，到 2008 年市值可达 133 亿美元，10 年内汽车传感器市值将翻一番。图 1.3 给出了 2005-2010 年全球 MEMS 市场中压力传感器的市值所占的比例。另据市场分析家认为11，与汽车产业相关的压力传感器将是市场增长的第二波热点，其市值在 10 亿美元以上。 目前，中国传统汽车传感器大部分仍依附于汽车仪表企业，还没有形成独立的产业，只能基本满足国内小批量、低水平车型的配套需求;对于未来发展趋势的汽车MEMS传感器，国内就更欠缺开发和批量配套生产的能力，高水平汽车MEMS传感器产品比国外同类产品落后十多年，国内每年需要进口50万套以上的高性能汽车传感器，因此开发和应用各类先进的汽车传感器，尤其是综合各类学科技术的MEMS传感器，实现汽车MEMS传感器国产化势在必行。 5 图 1.3 全球 MEMS 市场 2005-2010 年评估(基于硅和石英基体材料) (数据来源: Yole ” 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 内容可以看出，自主创新将是未来几年的Développement) 从国家“十一五 工业发展的主要目标之一。因此，我国的汽车工业将会得快速发展。据预测，国产汽车在 2010 年将达到,,, 万辆的生产能力，以每辆车需 20,40 只 MEMS 传感器来计算，国内汽车行业 2010年对于 MEMS 传感器将有 1.2 亿,2.4 亿只需用量，也就是说将有 60 亿元的市场，单从汽车发动机用 MEMS 传感器来看，就有 10.8 亿元的市场，其发展前景非常诱人。只要压力传感器能够占 MEMS 传感器需求量的 10，就有 6 亿元规模的巨大市场。 1.4 课题来源、研究内容和论文安排1.4.1 课题来源 本课题主要来源于国家“863”MEMS 重大专项科研攻关项目:汽车用 MEMS 传感器实用化研究(编号:2002AA404270)。本项目旨在提高汽车的电子化、智能化以及实现汽车行业关键技术的国产化。 1.4.2 研究内容和论文安排 本论文以汽车用扩散硅压力传感器的研究和封装的设计为主题展开。首先介绍了压阻式压力传感器的工作原理以及常见压力传感器的结构和制造工艺，然后以机油压力传 6感器的封装形式——不锈钢隔离封装为主，通过理论计算、有限元模拟和实验等方法对本论文所作的工作，包括传感器的.