中 国 腐 蚀 与 防 护 学 会 团 体 标 准
T/CSCP 0059.5-2025
微机电系统 (MEMS)材料腐蚀芯片及传感
器
第 5 部分：电路设计及测试
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) material corrosion chip
and sensor——
Part 5：Circuit design and testing
2025-09-01 发布 2025-10-01 实施
中国腐蚀与防护学会 发 布
前 言
本文件按照 GB/T 1.1—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。
本文件是 T/CSCP 0059-2025《微机电系统(MEMS)材料腐蚀芯片及传感器》的第 5 部分。T/CSCP 0059-2025《微机电系统(MEMS)材料腐蚀芯片及传感器》已经发布了以下部分：
——第 1 部分：通用要求;
——第 2 部分：选材与评价;
——第 3 部分：测试方法;
——第 4 部分：元器件选型及测试;
——第 5 部分：电路设计及测试。
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。
本文件由中国腐蚀与防护学会提出。
本文件由中国腐蚀与防护学会归口。
本文件起草单位：北京科技大学、中国电力科学研究院有限公司、南方电网科学研究院有限公司、广州天韵达新材料科技有限公司、国家材料腐蚀与防护科学数据中心、北京材料基因工程高精尖创新中心、广州市南沙区贝科耐蚀新材料研究院、中国铁道科学研究院集团有限公司。
本文件主要起草人：杨小佳、李晓刚、程学群、郝文魁、黄路遥、张强、卢壹梁、黄增浩、陈云、孙雷、李清、徐迪、朱仁政、廖永力、杨国威、张达威、刘超、杨体绍、杨吉可、杜翠薇、刘智勇、张博威、骆鸿、韩钰、马宏驰。
本文件为首次发布。
引 言
《微机电系统(MEMS)材料腐蚀芯片及传感器》涵盖了微机电系统(MEMS)材料腐蚀芯片
(以下简称 MEMS 材料腐蚀芯片)及传感器的设计、选材、测试及芯片电路、元器件选型设计方法。目前，该标准由五个部分构成：
——第 1 部分：通用要求。目的是规定 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器通用要求，包括 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器的设计要求、选材要求、制造要求及测试要求。
——第 2 部分：选材与评价。目的是规定 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器各部分材料的选材与评价方法，包括选材原则、常用材料类型及其性能指标、评价与验证方法。
——第 3 部分：测试方法。目的是规定 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器测试方法，包括测试项目及方法、测试条件、性能评估指标及判定准则。
——第 4 部分：元器件选型及测试。目的是规定 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器的元器件选型及测试，包括元器件技术要求、测试方法、检验规则、标志、包装、运输及贮存。
——第 5 部分：电路设计及测试。目的是规定 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器的电路设计及测试方法，包括电路设计要求、性能要求及测试方法。
微机电系统 (MEMS)材料腐蚀芯片及传感器 第 5 部分：电路设计及测
试
1 范围
本文件规定了微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System ，以下简称 MEMS)材料腐蚀芯片及传感器电路设计要求、性能要求及测试方法。
本文件适用于各类 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器的电路设计、验证测试及质量评价。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是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/T 24338.2 轨道交通 电磁兼容 第 2 部分：整个轨道系统对外界的发射
GB/T 17626.2 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验
GB/T 17626.3 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验
GB/T 35010 半导体芯片产品(所有部分)
GB/T 38341 微机电系统(MEMS)技术 MEMS 器件的可靠性综合环境试验方法
IEC 60050(所有部分) 国际电工词汇表(International Electrotechnical Commission)
3 术语和定义
IEC 60050(所有部分)、GB/T 35010(所有部分)界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
信号调理电路 signal conditioning circuit
对敏感元件输出的微弱、易受干扰的原始信号，进行放大、滤波、调制、解调等处理，以提升信号质量、增强信号稳定性和适配性的电路模块。
3.2
数据采集电路 signal conditioning circuit
将模拟信号转换为数字信号，并按照设定的采样频率、分辨率进行采样、量化与编码，实现腐蚀监测数据数字化处理与存储的电路单元。
3.3
电源管理电路 power management circuit
为 MEMS 腐蚀芯片及传感器电路提供稳定、高效电源供应的电路模块，具备电压转换、稳压、电
源分配、低功耗控制、电源保护等功能。
3.4
通信接口电路 communication interface circuit
实现 MEMS 腐蚀芯片及传感器与外部设备或系统进行数据交互与通信的电路，支持多种有线或无线通信协议。
3.4
噪声密度 noise density
单位带宽内的噪声电压或电流，用于评估电路的本底噪声水平。
3.6
零点漂移 zero drift
在参考条件下，电路输出信号随时间或温度变化而发生的缓慢变化。
4. 设计要求
4.1 通用设计原则
电路设计应以芯片及传感器整体功能需求为核心，结合腐蚀环境特点、应用场景要求，进行系统化、模块化设计。
a) 确保电路结构紧凑、布局合理，与传感器的敏感元件、封装结构等协同工作;
b) 实现高集成度、低功耗、高可靠性的设计目标;
c) 考虑可测试性设计，预留关键测试点，便于生产和维护测试;
d) 遵循可靠性设计准则，采用降额设计、容差分析等方法提高电路可靠性。
4.2 电路模块设计
4.2.1 信号调理电路
信号调理电路应对放大电路、滤波电路、调制解调电路及线性化电路进行设计。
a) 放大电路应根据敏感元件输出信号的特性，选用低噪声、高增益、高共模抑制比的运算放大器或专用仪表放大器。精确计算和调整放大倍数，确保对 μV 级～nV 级电压信号，pA 级～mA 级电流信号进行有效放大，同时控制非线性失真和噪声增益。
b) 滤波电路应针对不同的干扰源和信号频段，设计合适的滤波电路。通过仿真和实验优化滤波器的参数，有效滤除高频噪声、工频干扰、电磁干扰等。典型滤波宜为低通滤波器截止频率设置在校准频率的 5 倍以上，但低于噪声主要频段。
c) 调制解调电路宜采用调制技术将信号加载到高频载波上，提高信号的抗干扰能力和传输距离。在接收端，通过解调电路将原始信号恢复出来。
d) 线性化电路宜采用硬件线性化电路或软件线性化算法，使输出信号与被测腐蚀参数之间具有良好的线性关系。
4.2.2 数据采集电路
数据采集电路应至少包含模数转换器、采样控制电路、数据缓存电路。
a) 模数转换器应根据芯片及传感器的精度要求、信号范围、采样频率等指标，选用高精度、高分辨率、高采样率的模数转换芯片。模数转换器分辨率不宜低于 16 位，采样率不宜低于 1 ksps。
b) 采样控制电路应根据设计采样时序控制电路，实现芯片对腐蚀速率的精确采样控制。根据腐蚀过程的动态特性和监测需求，采用固定采样率或可变采样率策略。在腐蚀速率变化缓慢时，降低采样频率以节省功耗;在腐蚀速率变化剧烈时，提高采样频率。
c) 数据缓存与预处理应设计数据缓存电路对采集的数据进行临时存储。应对采集的数据进行预处理，如数字滤波、去噪、校准等，减少后续数据处理的压力。
4.2.3 电源管理电路
电源管理电路应考虑电压转换电路设计、低功耗设计及电源保护设计。
a) 电压转换电路应采用高效的直流-交流转换器或低压差线性稳压器，实现输入电源电压到各级电路所需电压的稳定转换。优化电压转换电路的拓扑结构和参数设计，提高转换效率，降低功耗和发热。
b) 低功耗设计应采用多种低功耗设计技术，宜采用休眠唤醒机制、动态电压调节、时钟门控、功率门控。在芯片及传感器待机或非工作状态下，降低电路的工作电压和时钟频率，或关闭部分非关键电路模块。
c) 电源保护电路应设计过压保护、过流保护、欠压保护、反接保护等电路，防止电源异常对电路造成损坏。采用保险丝、瞬变电压抑制二极管、金属–氧化物–半导体晶体管等器件实现电源保护功能。
4.2.4 通信接口电路
通信接口电路应明确通信协议、接口电路及网络通信功能。
a) 通信协议选择应根据芯片及传感器的应用场景、数据传输距离、传输速率、功耗要求等因素，选择合适的通信协议接口。确保通信协议与外部设备或系统的兼容性和互操作性。
b) 接口电路设计应设计符合所选通信协议标准的接口电路，包括信号电平转换、驱动电路、阻抗匹配电路等。在通信线路上增加保护器件、滤波电路、隔离电路等，提高通信接口的抗干扰能力和可靠性。
c) 网络通信功能对于需要组网的 MEMS 腐蚀芯片及传感器，设计网络通信功能模块，实现传感器节点的自组网、数据路由、网络管理等功能。
5. 性能要求
5.1 电气性能
5.1.1 信号调理电路的增益误差不超过±0.5%，滤波电路的截止频率偏差不超过±1%，线性化后的非线性误差不超过±0.5%FS。模拟数字转换器的积分非线性不超过±2LSB，微分非线性不超过± 1LSB，信噪比不低于 90 dB。
5.1.2 电源管理电路输出电压的波动范围不超过±1%，纹波电压不超过 1 mV 峰-峰值，负载调整率
不超过±l%，线性调整率不超过±0.5% 。转换效率不低于 75%。
5. l.3 通信接口电路的数据传输速率、误码率、传输距离等指标应符合设计要求。在规定的通信距离内，数据传输误码率不超过 l0_6。
5. l.4 噪声信号调理电路的噪声密度应低于 50nV/√Hz @lkHz(电压噪声)和 0. lpA/√Hz @lkHz (电流噪声)。加速度计噪声密度要求≤l00 μg/√Hz @l0Hz。
5. l.5 电气性能测试记录表参考表 A. l。
5.2 环境适应性
5.2. l 温度适应性宜在 -45℃~l20℃的温度范围内，电路各项性能指标应符合设计要求，温度系数不超过±0.5%/℃。零点漂移要求≤l0 mg/℃。
5.2.2 湿度适应性宜在相对湿度 20%～85%的环境下，电路的绝缘性能、电气性能应保持稳定。绝缘电阻不低于 l00 MΩ,防止因潮湿导致的短路、漏电等问题。
5.2.3 耐腐蚀性宜在模拟腐蚀环境中暴露 96 h 后，电路性能变化不超过±5%，无明显的腐蚀、氧化现象。
5.2.4 电路应能承受机械振动(l0 Hz~2000 Hz ，20 g)和机械冲击(l0000g ，0.5ms)而不损坏，性能变化不超过±2%。
5.2.5 电路的电磁兼容性应符合 GB/T 24338.2、GB/T l7626.2 、GB/T l7626.3 的要求。在静电放电(ESD)、射频电磁场辐射、电快速瞬变脉冲群、浪涌等电磁干扰环境下，能够正常工作。
5.2.6 环境适应性测试记录表参考附表 A.2。
5.3 可靠性
5.3. l 在规定的工作条件下，电路的平均无故障时间(MTBF)不低于 l00000h，能够满足长期腐蚀监测的需求。
5.3.2 电路连续工作 l 000 h 内的性能指标波动范围不超过±l%。在不同批次产品之间，电路性能应具有良好的一致性。
5.3.3 电路应能承受温度循环(-65℃~l50℃, l 000 次循环)和高温高湿(85℃/85%RH ，l 000 h)等加速老化试验而不失效。
5.3.4 MEMS 腐蚀芯片及传感器电路性能指标要求见表 l。
表 l MEMS 腐蚀芯片及传感器电路性能指标要求
6. 测试方法
6.1 电气性能测试
6.1.1 信号处理精度测试
使用高精度信号发生器模拟敏感元件输出的各种信号，输入到信号调理电路和数据采集电路。通过频谱分析仪、数字示波器、高精度万用表等设备，测量电路的增益、滤波特性、线性度、ADC 的转换精度等参数，测试项目及方法参考下列要求
a) 增益精度：在输入信号频率 1 kHz、幅度从 10%～100%满量程变化时，测量增益误差;
b) 滤波特性：使用扫频信号源，测量滤波器的截止频率、阻带衰减等参数;
c) 线性度：在满量程范围内均匀选取至少 10 个测试点，测量非线性误差;
d) 模数转换：使用高精度直流源输入标准信号，测量 INL 、DNL 和 SNR。
6.1.2 电源性能测试
利用电子负载模拟电路的不同负载情况，通过示波器测量电源输出电压的波动和纹波，使用功率分析仪测量电源转换效率、负载调整率、线性调整率等参数，测量项目及方法参考下列要求
a) 负载调整率：使负载电流从 10%～90%额定值变化时，测量输出电压变化率;
b) 线性调整率：通过输入电压在额定范围内变化时，测量输出电压变化率;
c) 转换效率：应在额定负载下，测量输出功率与输入功率的比值;
d) 瞬态响应：应在负载电流阶跃变化时，测量输出电压的过冲和恢复时间。
6.1.3 通信性能测试
搭建通信测试平台，使用误码测试仪、网络分析仪、信号强度测试仪等设备，对通信接口电路进行测试，测试项目及方法参考下列要求
a) 误码率：通过发送伪随机码序列，统计接收端误码数量;
b) 传输距离：在不同距离下测试通信质量，确定可靠通信距离;
c) 协议一致性：通过验证通信协议是否符合相关标准要求。
6.2 环境适应性测试
6.2.1 温度适应性测试
将电路样品放入可程序控温的高低温试验箱内，按照 GB/T 38341 的要求进行温度循环测试。
a) 温度范围宜控制在 -45℃~120℃;
b) 温度变化速率≥15℃/min;
c) 各极端温度点停留 60 min;
d) 不少于 10 次循环;
e) 在每次温度稳定阶段，测量电路的各项性能参数。
6.2.2 湿热适应性测试
按照 GB/T 38341 的恒定湿热加速试验方法进行测试。
a) 测试温湿度条件宜选用温度 85℃±2℃, 湿度 85%RH±5%RH;
b) 测试时长宜选用240 h;
c) 试验前后测量电路的绝缘电阻、漏电流等参数。
6.2.3 机械适应性测试
6.2.3.1 机械振动测试：按照 GB/T 38341 的要求，在 X 、Y 、Z 三个方向上进行随机振动测试。
a) 频率范围宜选用 10 Hz～2 000 Hz;
b) 加速度宜选用 2.2 Grms 或 7.3 Grms;
c) 每个方向不少于 1h。
6.2.3.2 机械冲击测试：按照 GB/T 38341 的要求进行冲击测试。
a) 冲击加速度宜选用 10 000 g;
b) 脉冲宽度宜选用 0.5 ms;
c) 冲击方向宜选用 X 、Y 、Z 、-X 、-Y 、-Z 六个方向;
d) 冲击次数宜选用每个方向 3 次。
6.2.4 耐腐蚀性测试
电路的耐腐蚀性测试应进行盐雾腐蚀试验测试及耐酸碱度测试。
a) 将电路样品置于含有 5%氯化钠溶液、温度(35±2)℃、pH 值6.5～7.2 的盐雾环境中进行耐盐雾测试，持续 96 h。
b) 将电路样品分别浸泡在 0.1 mol/L 盐酸溶液和0.1 mol/L 氢氧化钠溶液中进行耐酸碱测试，在(35 ±2)℃温度下持续 96 h。
c) 试验结束后，使用显微镜观察电路表面的腐蚀情况，测量电路的电气性能参数，与试验前数据对比。
6.2.5 电磁兼容性测试
按照 GB/T 17626 的要求进行电磁兼容性测试。
a) 静电放电抗扰度宜选用接触放电 ±8 kV，空气放电 ± 15 kV;
b) 射频电磁场辐射抗扰度宜选用频率范围 80 MHz～1GHz，场强 10 V/m;
c) 电快速瞬变脉冲群抗扰度宜选用电源端 ±2 kV，信号端 ± 1 kV;
d) 浪涌抗扰度宜选用电源端 ±2 kV，信号端 ± 1 kV。
6.3 可靠性测试
6.3.1 寿命测试
应按 GB/T38341 的规定进行寿命测试，测试项目、测试条件及要求见表2。
表 2 可靠性测试条件与要求
6.3.2 失效分析
对测试中失效的电路进行失效分析。
a) 使用示波器、参数分析仪等设备进行电学特性测试;
b) 采用 X 射线、声学显微镜等手段检查内部结构;
c) 开封检查、截面分析、材料分析等。
附录 A
(资料性)
测试记录表格
A.1 电气性能测试记录表
A.2 环境适应性测试记录表
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