(高清版)GBT 42191-2023 MEMS压阻式压力敏感器件性能试验方法

MEMS压阻式压力敏感器件性能试验方法TestmethodsoftheperformancesforMEMSpiezoresistivepressure-sensitivedeviceGB/T42191—2023前言 I1范围 2规范性引用文件 3术语和定义 4试验条件及规定 14.1大气条件 4.2其他环境条件 24.3测试设备 25试验项目及方法 25.1试验项目 25.2试验方法 2I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336)提出并归口。本文件起草单位：北京大学、中机生产力促进中心有限公司、北京智芯传感科技有限公司、昆山昆博智能感知产业技术研究院有限公司、厦门光莆电子股份有限公司、江门市润宇传感器科技有限公司、宁波志伦电子有限公司、广州奥松电子股份有限公司、华东光电集成器件研究所、深圳市美思先端电子有限公司、南京高华科技股份有限公司、中国科学院微电子研究所、湖南国天电子科技有限公司、南京沃天科技股份有限公司、广州广电计量检测股份有限公司、武汉飞恩微电子有限公司、深圳安培龙科技股份有限公司、昆山传感器测控技术有限公司。1MEMS压阻式压力敏感器件性能试验方法1范围本文件描述了MEMS压阻式压力敏感器件试验条件和试验方法。本文件适用于MEMS压阻式压力敏感器件。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T2423.1—2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A:低温GB/T2423.2—2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B:高温GB/T2423.5环境试验第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击GB/T2423.22环境试验第2部分：试验方法试验N:温度变化GB/T4937.12半导体器件机械和气候试验方法第12部分：扫频振动GB/T26111微机电系统(MEMS)技术术语GB/T33922MEMS压阻式压力敏感芯片性能的圆片级试验方法3术语和定义GB/T26111、GB/T33922界定的以及下列术语和定义适用于本文件。MEMS压阻式压力敏感芯片进行封装后的器件。4试验条件及规定4.1大气条件除另有规定外，所有试验都应在下述大气条件下进行。a)标准大气条件：——温度：15℃~35℃;——相对湿度：20%～80%;b)标准参比大气条件：——相对湿度：65%;注：本文件参比大气条件是其他任何大气条件下测得的值通过计算加以修正的大气条件。通常在多数情况下，不2可能有湿度修正因子。在这种情况下，本文件参比大气仅考虑温度和压力。4.2其他环境条件除上述大气条件外，还应在下述环境条件下进行：a)磁场：试验场地除地磁场外，无其他外界磁场；b)机械振动：试验场地无机械振动。4.3测试设备MEMS压阻式压力敏感器件(以下简称压力敏感器件)的测试系统包括：压力标准器、高低温试验箱、激励电源和读数记录装置。所有设备均应在计量检定有效期内且符合下列要求。a)压力标准器基本误差应小于压力敏感器件基本误差的1/3。对于准确度等级高于0.05级(含0.05级)的压力敏感器件，压力标准器基本误差应不超过压力敏感器件基本误差的1/2。b)高低温试验箱(温度影响试验)的温度偏差应不超过士2℃,温度波动度为±0.5℃,温度均匀度为2℃。c)激励电源的稳定度应小于压力敏感器件基本误差的1/5。d)读数记录装置基本误差应小于压力敏感器件基本误差的1/5。5试验项目及方法5.1试验项目试验项目包括：a)电气性能试验；b)静态性能试验；c)稳定性试验；d)温度影响试验；e)静压影响试验；f)动态性能试验；g)环境性能试验；h)寿命试验。5.2试验方法5.2.1电气性能试验在压力敏感器件输出端开路的情况下，用数字万用表或其他测量设备测量其输入端的阻抗。将压力敏感器件的输入端短路，用数字万用表或其他测量设备测量其输出端的阻抗。5.2.2静态性能试验压力敏感器件与相关设备的连接见图1。试验前应对压力敏感器件加压至测量范围上限值并恒压3GB/T42191—2023不小于1min,然后减压至测量范围下限值，应反复进行3次循环。压力敏感器件压力标准器激励电源图1测试系统框图压力敏感器件在全量程范围内的试验点应不少于6个，含零点和满量程点。试验从测量范围下限开始，按规定的等步进间隔试验点依次平稳地加负荷，直到测量范围上限(称正行程)。每个试验点示值稳定时，读取压力敏感器件的输出值。按规定的试验点依次平稳地减负荷，每个试验点示值稳定时读取压力敏感器件输出值，直到测量范围下限(称反行程)。差压压力敏感器件低压端通大气进行测量。设在压力敏感器件的整个测量范围内有m个试验点，进行n次压力循环试验，则在任一试验点上分别有n个正行程和n个反行程测试数据。计算每个试验点上正、反行程测试数据的平均值和总的平正行程平均值(Yu,)按公式(1)计算：…(1)反行程平均值(Yp,)按公式(2)计算：…(2)Yu——正行程第i个试验点第j次的输出值(i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n);Yn,——反行程第i个试验点第j次的输出值(i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n);n——重复试验次数。压力敏感器件理论工作直线方程的一般形式见公式(4):Y=a+bX…(4)用最小二乘法分别按公式(5)和公式(6)拟合出截距(a)和斜率(b)(即灵敏度):X;——Y,——个试验点的压力值(i=1,2,3,…,m);个试验点正、反行程的输出总平均值；…(5)4m——试验点个数。5.2.2.2常压输出压力敏感器件测试腔连通大气，测试其常压输出，并按公式(7)修正到标准参比大气压(101.3kPa)的常压输出。Yc=Y+b(Pc-X)式中：Yc——修正到101.3kPa时的常压输出；Y——实际测试压力敏感器件的常压输出；Pc——标准参比大气压(式中Pc=101.3kPa);X——实际测试时大气压。5.2.2.3零点输出对于绝压压力敏感器件，输入小于或等于10Pa的压力，测量压力敏感器件的零点输出；对于表压或差压压力敏感器件，宜在高压端和低压端同时通大气时测量其零点输出。5.2.2.4输出对称性在差压压力敏感器件的高压端和低压端分别测试满量程输出，高压端通大气，测量低压端满量程输出；然后低压端通大气，测量高压端满量程输出。按照公式(8)计算输出对称性。 (8)式中：P₄——输出对称性；Yrs(h)——高压端满量程输出值；Yrs(l)——低压端满量程输出值。5.2.2.5满量程输出满量程输出值(Yrs)为压力敏感器件测量范围上限输出值(b×Xm)与测量范围下限输出值(b×X₁)之差的绝对值(以理论工作直线的计算值为依据),按公式(9)计算。Yps=|b×XH-b×X₁l式中：b——理论工作直线的斜率；XH——测量范围上限的压力值；X₁——测量范围下限的压力值。理论工作直线的斜率(b)即为灵敏度，按公式(6)计算。5.2.2.7非线性非线性度(ξ)为测量曲线与理论工作直线偏离的程度，按公式(10)计算。…(10)5GB/T42191—2023式中：Y,——根据公式(3)计算输出的总平均值；Y;——根据公式(4)计算出的输出值；Yrs——根据公式(9)计算出的满量程输出。在规定的全量程范围内，在同一试验点正行程输出和反行程输出中出现的最大差值为压力迟滞(ξn),按公式(11)计算。 Yu;——同一试验点上正行程输出值的平均值；Yp;——同一试验点上反行程输出值的平均值；Yrs——满量程输出值。重复性(ξR)为在相同测量方法、相同观测者、相同测量仪器、相同地点、相同使用条件和在短时期内的重复条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度，按公式(12)～公式(15)计算。采用贝赛尔公式分别计算每个试验点上正、反行程的子样标准偏差：正行程子样标准偏差(Su)为：反行程子样标准偏差(Sp.)为：…)压力敏感器件在整个测量范围内的子样标准偏差(S):…(13)……(14)……(15)式中：Yu₁——正行程第i点第j次的输出值；Yp——反行程第i点第j次的输出值； Yu,——正行程第i点输出平均值；Y,——反行程第i点输出平均值；n——重复试验次数；m——测量点个数；λ—-包含因子。注：包含因子(λ)按下述原则之一选取：a)按t分布，取置信概率等于95%;b)按极差法取2～3。65.2.2.10准确度准确度(ξ)为压力敏感器件的测量结果与(约定)真值间的一致程度。其取决于系统误差带与随机误差带的大小。按公式(16)～公式(19)计算。正行程的系统误差[(△Y)u,]为：(△Y)u,=|Yu,—Y;|m…………(16)反行程的系统误差[(△Y)p.]为：式中：Y;——根据公式(4)计算出的最小二乘直线方程值。则U₁为(△Y)u,与(△Y)p,中较大者。压力敏感器件的随机误差带(U₂)为：U₂=±3S………………(18)则压力敏感器件的准确度(ξ)为：………………(19)5.2.2.11零点漂移按照5.2.2.3试验方法读取压力敏感器件零点输出；然后每隔20min记录一次零点输出，从开始记录起连续进行的时间不应少于2h。零点漂移按公式(20)计算。式中：D₂——零点漂移；Yomax——零点输出的最大值；Yomin——零点输出的最小值。…………按产品技术条件规定施加过载压力，保持时间不少于3min,然后卸载，重复3次。试验后恢复10min,按5.2.2.3的规定测量零点输出，或者按照产品技术条件规定的检验项目进行检测。5.2.3稳定性试验5.2.3.1试验步骤按产品技术条件规定的条件，对压力敏感器件施加激励，在规定的时间周期内均匀选取不少于5个间隔点，每个间隔点进行不少于4h的试验，测试零点输出、满量程输出的间隔时间为1h,或按照产品技术条件规定间隔点及间隔时间。5.2.3.2零点长期稳定性零点长期稳定性为规定的时间周期内，零点输出的最大差值对满量程输出的百分比，按公式(21)计算。…(21)7GB/T42191—2023式中：r₂——零点长期稳定性；|△Y₀|mx——规定的时间周期内零点输出最大差值的绝对值；Yrs——满量程输出值。5.2.3.3满量程输出长期稳定性满量程输出长期稳定性为规定的时间周期内，满量程输出的最大差值对满量程输出的百分比。按照公式(22)计算。式中：rs——满量程输出长期稳定性；|△Yrs|max——规定的时间周期内满量程输出最大差值的绝对值；Yrs——满量程输出。5.2.4温度影响试验5.2.4.1试验步骤…(22)压力敏感器件分别在室温、最高工作温度、最低工作温度，恢复到同一室温各恒温1h,应重复进行3次测量循环，测试不同温度下的零点输出和满量程输出。压力敏感器件在同一压力下，应分别在工作温度范围内较均匀的选取6个～11个温度点(包括室温、最高工作温度、最低工作温度),从最高工作温度降低到最低工作温度，再从最低工作温度上升到最高工作温度，测试每个温度下的输出。通过上述试验获得的数据，按照公式(23)～公式(27)计算确定5.2.4.2～5.2.4.6的性能指标。5.2.4.2热零点漂移热零点漂移按公式(23)计算。式中：…………α——热零点漂移；t₁——室温；t₂——分别为最高工作温度或最低工作温度；Y₀(t₁)——Y₀(t₂)——Yrs(t₁)——室温时的零点输出；最高工作温度或最低工作温度时的零点输出；第一次室温时的满量程输出。5.2.4.3热满量程输出漂移热满量程输出漂移按公式(24)计算。式中：βt₁————热满量程输出漂移；室温；8GB/T42191—2023t₂——分别为最高工作温度或最低工作温度；Yrs(t₁)——室温时的满量程输出值；Yrs(t₂)——最高工作温度或最低工作温度时的满量程输出值。热零点滞后按公式(25)计算。Yrs——满量程输出。热满量程输出滞后按公式(26)计算。Yrs——满量程输出。温度迟滞(σ)为规定的工作温度范围内，在同一压力下，当温度上升和下降时输出中出现的最大差Y₇——在同一压力下，在温度下降过程中，第i个温度点下压力敏感器件的输出；Yrs——满量程输出。5.2.5静压影响试验(适用于差压压力敏感器件)对差压压力敏感器件的高压端和低压端同时施加产品技术条件规定的最大静压压力，保持5min,卸载10min后，按5.2.2.零点静压误差是指在给定静压下，压力敏感器件零点输出变化量相对于满量程输出的百分比。试9GB/T42191—2023验前，对差压压力敏感器件的高压端和低压端都通大气，测量其输出。将技术条件规定的静压压力源，同时施加到压力敏感器件高压端和低压端，保持5min,测量压力敏感器件的输出值。零点静压误差按公式(28)计算。式中：p₀—-零点静压误差；Y₀(p)—-施加静压时的零点输出；Y₀——试验前无静压时的零点输出；Yrs——满量程输出。5.2.5.1.3满量程静压误差……)满量程静压误差是指在给定静压下，压力敏感器件满量程输出变化量相对于满量程输出的百分比。试验前，测量压力敏感器件的测量范围下限输出值和测量范围上限输出值，其差值为满量程输出。对其两端同时施加技术条件规定的最大静压，保持5min。在此基础上在压力敏感器件高压端分别施加测量范围下限压力和测量范围上限压力，其差值为最大静压压力影响下的满量程输出。满量程静压误差按公式(29)计算。对压力敏感器件两端同时施加产品技术条件规定的50%的静压压力，保持5min。在此基础上在其高压端分别施加测量范围下限压力和测量范围上限压力，其差值为50%静压压力影响下的满量程输出值。满量程静压误差按公式(29)计算。取两种静压压力对应计算结果的最大值。式中：prs——满量程静压误差；Yrs(p)——在100%或50%静压压力下测得的满量程输出；Yrs(0)——试验前无静压时的满量程输出；Yrs——满量程输出。5.2.5.2单向静压对差压压力敏感器件高压端施加产品技术条件规定的正向静压压力，保持5min。卸载10min后，按5.2.2.3测量零点输出。再对低压端施加产品技术条件规定的负向静压压力，保持5min。卸载10min后，按5.2.2.3测量零点输出。5.2.6动态性能试验5.2.6.1试验步骤压力敏感器件的动态性能参数应使用下列方法之一进行动态性能试验：a)瞬态激励法——将压力敏感器件与激波管或快速开启阀相连接，对于负压压力敏感器件可用爆破膜片发生器产生一个负的阶跃压力信号，上述阶跃压力的上升时间至少应是压力敏感器件被预测上升时间的1/3或更短。当激励装置产生一个阶跃压力信号时，用瞬态记录仪记录压力敏感器件的响应波形；然后对其进行分析，以确定动态特性的各参数。b)正弦激励法——对于几千赫兹以下的频率、10MPa以下的峰值动态压力，可用正弦压力发生器直接测得压力敏感器件的频率响应。如果压力敏感器件本身的谐振频率在正弦压力发生器的频率范围之内，还可得到其谐振频率。采用正弦激励法时，应在正弦压力发生器上安装标准传感器，其动态性能指标应高于被测压力敏感器件动态性能指标的2倍。通过上述试验方法可确定频率响应、上升时间、谐振频率指标。通过瞬态激励法或正弦激励法得到幅频曲线，然后读取所需的频率范围。通过瞬时激励法得到的压力敏感器件输出波形，读取压力敏感器件的输出从稳定值的10%上升到稳定值的90%所需要的时间即为上升时间。通过正弦激励法或瞬时激励法得到幅频曲线，读取压力敏感器件最大输出值对应的频率。5.2.7环境性能试验按GB/T2423.2—2008中5.2规定的试验方法和以下规定进行试验。a)试验温度：最高贮存温度。b)试验时间：宜从下列数值中选取：96h,168h,500h,1000h,或按产品技术条件规定。c)工作条件：不通电。d)