SiC电容式压力传感器失效机理与环境应力的关系研究

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随着SiC材料和MEMS技术的发展,SiC电容式压力传感器被广泛应用于各种恶劣的工作环境中。本文基于ANSYS有限元软件,从绝缘结构、传感器芯片结构以及传感器封装结构三个方面研究了SiC电容式压力传感器的失效机理与环境应力的关系。首先,从残余热应力积累的角度研究了SiC电容式压力传感器绝缘结构的失效机理。建立温度应力下传感器的有限元仿真流程,基于实验与仿真结合的方式分析了温度应力下绝缘结构残余应力随时间的变化趋势。研究发现,高温下绝缘结构残余应力与温度正相关,随时间呈对数增长趋势。绝缘结构应力主要集中在绝缘层上,衬底上应力很小,约在0.1Mpa~2Mpa之间。其次,结合SEM形貌分析和椭偏测试结果从界面特性退化的角度研究绝缘结构的失效机理。研究表明,退火工艺有利于样品性能的稳定性,退火后绝缘结构氧化层折射率和界面层厚度随后处理温度的增大而增大。退火前600℃处理样品的氧化层折射率较未处理样品增加了0.0088,退火后仅增加了0.00051。不同高温处理时间下氧化层折射率在1.4612~1.4615之间,变化很小。退火工艺对绝缘结构界面性能的影响较大,温度次之,高温时长的影响最小。最后,基于传感器芯片结构和封装结构模型,从应力积累和电学特性失效两个角度研究了电容式高温压力传感器芯片的失效机理与环境应力的关系。分别在高温恒温和高低温冲应力下完成传感器的仿真分析。仿真结果表明,高温恒温和高低温冲应力下芯片结构残余应力和残余形变的分布规律一致,敏感膜下绝缘层是SiC电容式高温压力传感器的薄弱部位。对比绝缘结构仿真结果,传感器同一部位最大热残余应力随温度和时间(周期)的变化情况与绝缘结构一致。高温应力下芯片残余形变以及绝缘层材料参数的变化均会导致芯片结构电容零漂的产生,900℃时芯片结构的电容零漂高达0.99%,高温应力严重影响了芯片结构的可靠性。
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