MEMS加速计的三种高压灭菌器失效机理

应该指出的是，如果"火"线和地线之间存在电阻漏电，则会出现偏移变化。∑△ 调制器前端对保存在差分电容器中的电荷（即传感单元）进行采样。理想情况是，当传感单元带有Vref电荷时，电荷传送到集成电容器，不会随着时间推移而改变。但是如果充电电极（或火线）与地线之间存在漏电通道，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同程度的漏电时，会出现净偏移变化。

很难直接测量漏电（大于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化。于是采用间接漏电测量方法。这种方法主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6显示了扫频测量的结果。测量发现，失效器件（器件1718和器件1079）的偏移随着调制器时钟频率而不同，但正常器件（器件533和1121）则保持大致相同的偏移。这种现象的原因是固定直流电漏电，较长集成时间（较低时钟频率）会导致集成的电荷值较小。

扫频结果似乎说明偏移失效与漏电有关，因为要集成的电荷量随着集成时间而变化。问题是，漏电发生位置在哪里？为了找出漏电位置，执行了FA操作，通过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材料从传感单元键合"存放"区域去除（图7）发现，漏电行为（偏移与调制器时钟频率有关）消失。这证明焊盘存放区域内存在漏电通道。由此断定，高压灭菌器大气的水凝结聚集了离子，从而促进了漏电。多晶硅转子或传感单元导电帽之间可能有漏电。

图7 查出泄露位置的剥层分析

为了消除直流电漏电，因此从设计上建议在多晶硅转子上覆盖氮化硅钝化层，作为修复方法。 钝化层设计的生产和高压灭菌测试作为下一步实施。

IV. 寄生电容

尽管前面的 FA 操作已经显示失效部件和漏电行为之间具有某种联系，但不能认为漏电是高压灭菌失效的唯一（或首要）根源。实际上是不能排除因高压灭菌压力而引起寄生电容变化。根据下列公式（图5），寄生电容（从键合线到键合线）估计大约为50fF。

其中 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）。

象体积电阻率一样，EMC材料的介电常数也可以通过摄取水分来改变（图4）。干燥条件和吸水条件下的介电常数变化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，差别通常小很多。测试 MEMS 加速计的 QEN封装所用的特定EMC材料与 MEMS器件采用相同的高压灭菌器测试条件。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加2.8%。

表1 EMC的介电性能： 96小时的高压灭菌器测试之后

EMC 介电常数出现2.8%的变化可能产生1.4fF的电容变化。如此小的电容变化要使用 LCR 仪表测量出来是不可能的，但它足以在9位输出上产生15个计数的偏移变化。高压灭菌器压力产生的寄生电容变化很难控制，因为它是EMC材料特征的一部分。但有几种设计对策可以缓解此问题。一种方法是提高传感器灵敏度，从而只需要较低的调制器增益。我们的观察也支持这种方法，发现用不同的MEMS加速计设计（具有2倍灵敏度）在高压灭菌器测试中有更好的表现。另一种方法是采用不同前端/架构设计，将屏蔽节点从中间节点分离出来，这样敏感节点和屏蔽节点之间的寄生电容不会产生偏移。

V. 结论

本文共讨论了MEMS加速计的三种高压灭菌器失效机理。分别说明了每一种失效机理的FA方法（通过建模和测量）和设计改进。排除了封装应力作为高压灭菌器失效的根源。传感单元内的漏电通过调制器扫频测量得到了确认。依据EMC材料的介电性能测量研究了寄生电容。我们认为漏电和寄生电容变化都存在于高压灭菌失效器件中。最后还为所确定的每个根源建议了设计对策。当测试结果一出来，就会按照报告的测试结果进行这些改进。