微电机架构（Micro-Electrical Mechanical Structure；MEMS）的压力感测器的应用十分广泛。包括电器类制品、医疗以及汽车工业等方面都可以见到它的踪影。在电器类制品方面，它可以用在水位侦测（例如洗衣机或洗碗机），或是真空吸尘器的压力侦测上。在汽车工业方面，侦测歧管绝对压力（manifold absolute pressure；MAP）、或是胎压侦测（tire pressure monitoring；TPM）等等，都是常见的应​​用。医疗应用则包括血压监测、子宫内压监测，以及防止睡眠时呼吸中断的装置等。其它类的应用还包括空调流通侦测 （heating、ventilation、air conditioning、HVAC）、高度计及晴雨计等等。

由于压力感测器的用途甚为广泛，因此它适用的媒介以及可靠度便成了人们最关注的范畴。大多数的应用都要求感测器必须在严苛的环境里维持长时间运作（例如汽车零件就必须维持至少十年以上的寿命）。虽然这些装置应在洁净干燥的空气中运作，然而大多数实际的应用多少都会暴露在较差的环境下，例如潮湿的环境。要在压力感测器市场上占有一席之地，就必须提供绝对可靠的装置。由于MEMS的架构会直接接触量测环境，因此压力感测器对于可靠度的要求又更为严格。这对封装技术带来了更大的挑战。本文也会针对封装的部分做探讨。

装置结构

感测器概览

《图一 简化的线路图》

本文所研讨的MEMS压力感测器都是以大型微机械式的压阻式感测器（bulk micromachined piezoresistive transducer；PRT）来操作。 (图一)显示如何在一片弹性微机电瓣膜之上，依惠斯顿电桥方式排列四组压阻式量测器。 (图二)则说明了感测器的结构。

《图二 绝对大型微机械式的压阻式传感器》

转换器的原始输出（以10毫伏为单位）会直接传到一个放大器电路，之后产生一个介于0到5伏特之间的电压。而转换器和放大器回路的四周还会加上其它的线路，以便测量装置压力，并加上温度补偿功能，如图一。要加上压力测量及温度补偿功能，就必需在组装时以雷射修整CrSiN薄膜电阻的方式来完成。

《图三 瓣膜上下施加压力相等时（上半图）以及上方压力较高时（下半图）的示范》

转换器的职责在于担任环境的机械特性（即压力）与电路的电气特性之间的媒介。 (图三)中的剖面图便说明了瓣膜在没有压力差的情况下（P1＝P2）所显出的状态。当压力差出现时（P1＞P2），便会使得瓣膜变形，导致装置输出电压上升。这种由外在环境与矽晶片产生的机械性互动，便是MEMS与其它半导体技术的不同之处。然而这也是封装压力感测器或其它MEMS感测器时，最大的难题：即如何一边让感测器能侦测到四周的环境变化、一边又不让感测器暴露在可能损害装置的环境当中。

《图四 压力传感器封装的组合》

封装

封装结构系一组預鑄好的开放式中空塑胶封装，中空的部份焊有矽晶片，如(图四)所示。晶片会以焊接封装（winbonded）的方式与四周的柱状部分结合，再在晶片四周填上凝胶，以防装置与外界直接接触。凝胶的低弹性系数有助于把气压传递给感测装置。本次实验会测试两种凝胶：氟矽凝胶与氟碳凝胶。两者都属于合成式的热熔凝胶。

《图五 雷射修整前后CrSiN电阻的剖面简图》

氟矽凝胶系由70％的氟矽化合物与30％的二甲基化合物组成。这种材质的优点在于价格低廉。一般来说，氟碳凝胶比氟矽凝胶更难吸收水气。但是氟碳凝胶的缺点在于成本较高。凝胶吸收水分的程度对于稳定度的影响甚巨。如果水气顺着凝胶一路接触到上述易受影响的区域时，便会造成锈蚀。

可能发生问题的地方

装置中有一些区域最容易受到湿气的影响。压力感测及温度补偿的线路也是可能的故障点。在晶圆制造过程接近尾声时，感测晶片会涂布上一层薄薄的氮化物隔离层，以防止锈蚀或电荷聚集等问题。 (图五)即为此一阶段的CrSiN电阻示意图。在组合CrSiN电阻的过程当中，电阻本身会经过修整，以便分隔给热补偿或压力感测线路使用。雷射会使得少部分的CrSiN电阻汽化，借以阻挡电流经过该段电阻。但是由于覆盖在电路上的氮​​化物隔离层也会随之汽化,因而导致有一部分的CrSiN电阻表面并无隔离层覆盖。

《图六 经过雷射修整的CrSiN电阻的光学影像》

(图六)所显示的便是经过雷射修整的CrSiN电阻的光学影像。此外，铝制的焊垫也会变得缺乏隔离保护，可能会和焊线造成短路。一旦装置暴露在恶劣环境之下，上述所有的暴露点都可能形成锈蚀。锈蚀的起因，通常是由于装置在四周有湿气时承受电压或漏电，或是装置本身在锈蚀位置上积有静电之故。在以雷射切割过的电阻上，CrSiN暴露的位置则可能因漏电而产生锈蚀。这都是由于电阻上的电压有落差之故。在CrSiN电阻上，雷射切割部位两侧的电压差可能高达2伏特，如(图七)。

《图七 以电压为电阻位置的函数所作的仿真》

当两端间有水气侵入时，就可能形成短路，进而造成锈蚀。电压较高的一侧可能是侵蚀较严重的所在。而电压较低的一侧则可能因阴极效应而不受侵蚀影响。

实验结果

湿度承受

对于MEMS的可靠度来说，封装所吸收的水气量，是一项非常重要的参数。本文所做的第一个实验，就是要测出感测装置的封装凝胶吸收水气的程度。在实验时，用两个铝制的小杯子，一个装的是氟矽凝胶、另一个则是氟碳凝胶，在实验开始前，两者所盛的凝胶重量都在十公克左右。其中一杯放在摄氏85度、相对湿度85％的环境当中，另一杯则放在摄氏85度、湿度普通的密室内。先前的内部研究显示，氟矽凝胶在高温高湿度的环境下会变轻。因此特地另外准备了一份控制组样品，同样也放在摄氏85度的环境下；控制组的重量会减少，但不会吸收水气。

《图八 凝胶重量随时间的变化》

(图八)所显示的便是凝胶在暴露于潮湿高温环境下，重量减少的状况。图中的箭头指出潮湿环境下的实验组与控制组的差异。这种差异系由吸收水气而造成。 (图九)显示的是从另一种角度观察的结果。两者在经过54小时后吸收的水气量都呈现增加的趋势。

《图九 由于湿气而导致重量随时间增加》

以经过24小时后的结果来比较，氟碳凝胶吸收的水气比重大概只有氟矽凝胶的三分之一。到了54小时后，两者的差异更增加到4倍之多。因此结论是，氟矽凝胶的吸水性超过氟碳凝胶。

故障分析

把数个以氟矽凝胶封装的装置暴露在高度潮湿的环境下，进行故障分析。从(图十)当中CrSiN电阻的光学影像分析来看，

《图十 具退色区域的CrSiN电阻》

靠近雷射切割过的区域都有退色现象。退色的区域必定集中在切割后电压较高的一侧。并且会从切割过的边缘地带向外侧四面扩展。目前已经得知退色区域是因为氧化而引起，并且会在电阻当中形成一条高阻抗路径。逐渐扩大的氧化区域会让电阻值上升，连带影响输出的准确性。为了进一步了解氧化的特性，我们对两个电阻样品进行了穿透式电子显微镜（Transmission Electron Microscopy；TEM）分析。

以TEM分析时，其中一件实验组装置具有退色的电阻区域，另一个控制组装置则无。接着把图十中的实验组装置拿来，观察它退色区域的横剖面。另外也在控制组装置约略相同的位置做横剖面观察。两者的TEM分析结果均显示在(图十一)当中。

《图十一 TEM剖面的控制组（上半图）与实验组（下半图）比较》

经雷射修整过的区域都没有隔离层和Cr-Si-N层的存在。 （注意样品中已经加上了好几层其它物质，以便进行横剖面处理。）每一层都可以由平行式电子能损仪（parallel electron energy loss spectroscopy；PEELS）或是X射线能谱分析仪（energy dispersive x-ray spectroscopy；EDS）加以辨识。

实验组的装置显示，退色的CrSiN区域已变成颜色较浅的部分。光谱分析指出，颜色较浅的部分就是已经氧化的CrSiN。控制组的CrSiN层则看不到氧化现象。

压力测试

接下来测试的是在高张力加速测试（Highly Accelerated Stress Test；HAST）中，氟矽凝胶和氟碳凝胶的差异。此处的观点，在于观察氟碳凝胶是否更为稳定、以及稳定性提升的程度。早先的理论指出，故障过程均肇始于晶片上有受腐蚀的电阻，该电阻表面原本有隔离层被覆，随后隔离层因雷射修整而被破坏。控制组装置则以一群没有任何凝胶被覆的装置组成。

三群测试装置，每一群均包含30个装置，表一显示各组的规格及测试结果。

所有测试群均接受了张力加速测试（HAST）。测试条件是摄氏130度、相对湿度85％、33PSIG、5伏特偏压。所有装置在测试前均已检查过，并记录其偏移电压。在96小时的HAST测试当中，所有参与测试的装置都是每隔24小时取出一次，以便进行额外的电气特性测量。偏移电压与起始值间的差异（delta）都是每隔24小时计算一次。所有的结果都显示在(图十二)当中。其中氟碳测试组的读数始终保持一致。而氟矽测试组的结果则和无凝胶的一组相仿。证明在相同状况下，氟碳凝胶的表现胜过氟矽凝胶。

《图十二 HAST测试之结果（单位为与起始值间的delta mV）》

结论

经过雷射修整的CrSiN电阻必须要与湿气隔离，才能防止锈蚀和随之而来的故障现象。压力感测器采用氟矽凝胶，可作为矽晶片与周遭环境之间的缓冲。众所周知，凝胶会使得部分湿气入侵到晶片当中。本文则已经证明，在高湿度的环境下，氟碳凝胶可以为MEMS压力感测器提供更佳的可靠度。

（作者均任职于Freescale飞思卡尔半导体美国亚利桑那州凤凰城Tempe办公室）

＜参考资料：本文所引用的数据，系以飞思卡尔半导体所制造的4kPa MEMS压力差侦测计测试而得，该侦测计内含单晶片讯号放大器、压力量测线路，并具备温度补偿特性。 ＞

延 伸 阅 读	未来智慧手机的电源管理技术 MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：（1）设计与仿真技术；（2）材料与加工技术（3） 封装与装配技术；（4）测量与测试技术；（5）集成与系统相关介绍请见「 MEMS简介」一文。 目前一项引起广泛重视的器件制造技术是MEMS（微电子机械系统）技术。 MEMS技术目前在光纤网路中发挥极大的作用，特别是这一技术在提高元件规模和光纤网路的可管理性方面的潜力。你可在「 MEMS元件将在光纤网路的发展中至关重要的作用 」一文中得到进一步的介绍。 对于想知道「MEMS到底为何物」的技术人员来说，从事MEMS研究的最初障碍就是「术语」。从特殊工艺术语，到最新的应用术语，范围很广。在「 MEMS是「产业之米」？还是？」一文为你做了相关的评析。

市场动态

经过三年的研发，晶圆代工厂台积电（TSMC）表示，将IC制造工艺与微机电系统（MEMS）相融合的努力将可在2006年开始有所成效。相关介绍请见「台积电承诺2006年推出MEMS平台」一文。 电子所与菱生精密签约，合作微型高传真麦克风封装技术开发。这项获得经济部技术处支持的专案，预计投入近七千万元的研发经费，开发高品质、低成本的微机电（MEMS）麦克风及其相关技术，期能在轻薄精巧的3C电子产品快速成长之际，适时切入关键的超微小型麦克风市场并占有一席之地。你可在「 工研院菱生精密合作开发MEMS麦克风封装技术」一文中得到进一步的介绍。 近年来许多大型公司都将微机电系统（MEMS）部门分拆出来组建成独立的公司，感测器供应商德国罗伯特博世（Robert Bosch GmbH）也加入其中，成立了一家专注于MEMS业务的子公司Bosch Sensortec。在「 博世分拆MEMS部门，瞄准医疗与消费类应用」一文为你做了相关的评析。