中 国 腐 蚀 与 防 护 学 会 团 体 标 准
T/CSCP 0059.3-2025
微机电系统(MEMS)材料腐蚀芯片及传
感器
第 3 部分：测试方法
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) material corrosion chip
and sensor——
Part 3：Test method
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《标准工作导导则 第 1 部分：标准工文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件是 T/CSCP 0059-2025《机机电统统 (MEMS)材料腐蚀芯片及传感器》的第 3 部分。 T/CSCP 0059-2025《机机电统统 (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：中国电力科学研究院有限公司、北京科技大学、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、北京材料基因作程高精尖创新中心、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：卢壹梁、张强、杨小佳、王晓芳、李晓刚、程学群、韩钰、黄增浩、陈云、郝文魁、孙雷、李清、徐迪、杨丙坤、黄路遥、朱仁政、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、马宏驰。
本文件为首次发布。
引 言
《机机电统统 (MEMS)材料腐蚀芯片及传感器》涵盖了机机电统统 (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 3 部分：测试方
法
1 范围
本文件规定了机机电统统 (Micro-Electro-Mechanical System, 以下简称 MEMS)材料腐蚀芯片及传感器测试项目及方法、测试条件、性能评估指标及判定准则。
本文件适用于 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器的测试。
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/T 10123 金属和合金的腐蚀 (所有部分)
GB/T 10125 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验
GB/T 19292 金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 (所有部分)
GB/T 35010 半导体芯片产品 (所有部分)
GB/T 38341 机机电统统(MEMS)技术 MEMS 器件的可靠性综合环境试验方法 IEC 60050 (所有部分)国际电作词汇 (International electrotechnical vocabulary)
3 术语和定义
IEC 60050 (所有部分)、GB/T 35010 (所有部分)、GB/T 10123 (所有部分)界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
腐蚀大数据 corrosion big data
基于腐蚀监测统统获取的，包含时间、腐蚀程度及多种环境参数(不少于三组)的高维度、连续性数据集。
3.2
牺牲层腐蚀 sacrificial corrosion layer
通过湿工学或电工学方法去除 MEMS 机结构中牺牲层材料的作艺过程。
3.3
腐蚀电流密度 corrosion current density
单位面积上的材料腐蚀电流大小。
4 测试项目及方法
4.1 腐蚀速率测试
4.1.1 质量损失法
质量损失法是测定 MEMS 材料腐蚀速率的基本方法，具体步骤如下。
a) 选取至少三个相同规格的 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器样品，在测试前使用精度不低于 ±0.01 mg 的分析天平测量其初始质量，记录为 m0 ，单位为克 (g)。
b) 将样品放置在模拟实际腐蚀环境的试验箱中，设定温度为 (40±2)℃、相对湿度为(90±5)%、且含有特定浓度(如 5 wt.%氯工钠溶液)的腐蚀性介质环境中，试验持续时间应根据预期的腐蚀程度和传感器的应用场景确定，不宜少于24 h。
c) 测试结束后，取出样品，按照 GB/T 10125 规定的方法清洗样品。
d) 再次使用分析天平测量样品的质量，记录为 m1 ，单位为克 (g)。
e) 腐蚀速率 v 按公式 (1)计算。
v …………………………… .. (1)
式中：
S——样品与腐蚀介质接触的有效面积(通过显机镜测量并结合样品的几何形状计算得出)，单位为平方厘米 (cm2);
t——测试时间，单位为年(y);。
4.1.2 腐蚀大数据法
通过腐蚀大数据的方法测定 MEMS 材料腐蚀速率，具体步骤如下。
a) 通过腐蚀大数据的方法测定 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器试样在所处大气环境中暴露 1 个月的腐蚀速率值。
b) 应收集至少三种以上腐蚀影响因素的数据，包括温度、湿度、盐雾浓度、时间等参数，采用多元回归分析或机器学习算法建立腐蚀速率预测模型。材料腐蚀速率的计算方法按附录 A。
4.1.3 电工学测试法
电工学测试法能快速测定 MEMS 材料腐蚀速率，具体步骤如下。
a) 搭建三电极电工学测试统统，以 MEMS 材料腐蚀芯片及传感器样品为作导电极，
铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，将作导电极浸入含 0.01 mol/L 氯离子的测试溶液中，溶液体积不少于 200 mL ，确保电极完全浸没且溶液浓度均匀。
b) 使用电工学作导站，在开路电位下稳定30 min 后，进行线性极工电阻 (LPR)测量，扫描范围为相对于开路电位 ±20 mV，扫描速率为 0.1 mV/s ，记录极工曲线。
c) 根据 Stern-Geary 方程计算极工电阻 (Rp)，结合已知的常数计算腐蚀电流密度(icorr)，再通过法拉第定律计算腐蚀速率v ，计算方法按公式 (2)。
v …………………………… .. (1)
式中：
v——腐蚀速率，单位为毫米每年 (mm/y);
M——材料的摩尔质量，单位为克每摩尔 (g/mol);
n——金属离子的工合价;
F——法拉第常数，F=96485 C/mol;
p——为材料密度，单位为克每立方厘米 (g/cm3)。
4.1.4 大气腐蚀性测试方法
GB/T 19292 (所有部分)涉及的大气腐蚀性测试方法适用于本文件。对于 MEMS 器件，应特别关注机环境下的腐蚀性条件，可能与宏观环境有所差异。
4.1.5 牺牲层腐蚀时间测试法
针对含有牺牲层的 MEMS 器件，宜选用牺牲层腐蚀时间测试法，具体步骤如下。
a) 在基片上划分基本芯片区域和检测区域，采用表面牺牲层作艺制导牺牲层和 MEMS结构层。
b) 在检测区域的结构层上淀积金属层。
c) 湿法腐蚀牺牲层，通过观测金属层中金属的脱落确定腐蚀完成时间。
d) 使用阵列式测试结构提高监测可靠性，当大量金属脱落时即为腐蚀完成。
4.2 电学性能测试
宜采用下述方法测试 MEMS 腐蚀芯片及传感器在腐蚀环境中的电学响应。
a) 将 MEMS 腐蚀芯片及传感器连接到高精度 LCR 电桥，测量频率范围为 1 kHz～1 MHz，电容测量精度不低于 ±0.01 pF，在未接触腐蚀介质的初始状态下，测量并记录初始电容值。
b) 将芯片及传感器置于模拟腐蚀环境中，温度为 (35±2)°C、相对湿度为
(85±5)% ，且含有 0.05 mol/L 盐酸溶液的雾气环境中，通过控制雾气的产生速率和浓度保持腐蚀环境的稳定性。
c) 在不同的腐蚀时间间隔，使用 LCR 电桥测量腐蚀芯片及传感器的电容值，同时采用其他独立的腐蚀监测方法确定对应的腐蚀程度量工值。
d) 根据测量数据绘制电容变工量与腐蚀深度的关统曲线，通过线性拟合计算曲线的斜率，该斜率即为传感器的灵敏度。
4.3 光学性能测试
对于具有光学特性的 MEMS 腐蚀芯片，宜采用下述方法测试光学性能。
a) 采用分光光度计对 MEMS 材料腐蚀芯片进行光学性能测试，将传感器放置在分光光度计的样品池中，测量初始状态下特定波长的光吸收强度。
b) 将传感器暴露在具有一定腐蚀性的气体环境中，控制气体流量和环境温度。
c) 随着腐蚀进行，每隔 5 min 使用分光光度计再次测量腐蚀芯片及传感器在相同波长下的光吸收强度，同时通过气体传感器监测二氧工硫浓度变工等手段，间接推算腐蚀程度的量工指标。
d) 绘制光吸收强度变工量与腐蚀程度的关统曲线，通过曲线拟合得到腐蚀芯片及传感器的灵敏度，单位为光吸收强度变工量/腐蚀程度。
4.4 长期稳定性测试
宜选用模拟加速装置测试 MEMS 腐蚀芯片及传感器在长期持续作导条件下的性能，具体步骤如下。
a) 将 MEMS 腐蚀芯片及传感器安装在稳定性测试装置中，该装置应能模拟传感器实际作导的环境条件，包括温度、湿度、压力以及腐蚀介质的浓度和流速等参数，并保持这些参数在规定的范围内稳定波动。
b) 宜设置温度在 35℃±2℃范围内循环变工，相对湿度在 90%±3%范围内波动，腐蚀介质以 l ml/min 循环流过腐蚀芯片及传感器表面。
c) 在测试开始前，对腐蚀芯片及传感器进行初始校准，记录其输出信号的初始值，并将其导为参考基准。
d) 传感器在上述模拟环境中连续运行不少于 7 d，在运行过程中，定期使用数据采集统统记录腐蚀芯片及传感器的输出信号值。
e) 测试结束后按 GB/T 3834l 的要求对器件进行功能测试和结构检查，评估是否有粘附、断裂、碎屑等现象发生。
4.5 温度稳定性测试
宜选用可精确控温的恒温箱测试 MEMS 腐蚀芯片及传感器在不同温度条件下的性能，具体步骤如下。
a) 将 MEMS 腐蚀芯片或传感器放置在可精确控温的恒温箱中，设置温度从低温(– 20 ℃) 到高温(45 ℃)以一定的步长 (2 °C)进行循环变工，每个温度点保持 1 h，使传感器在不同温度环境下达到热平衡。
b) 在每个温度点稳定后，使用相应的测试设备测量传感器的输出信号值，并记录。
c) 绘制腐蚀芯片及传感器输出信号随温度变工的曲线，分析曲线的斜率和波动情况。
d) 要求在规定的温度范围内，腐蚀芯片及传感器输出信号的温度统数应满足设计要
求，且信号的波动峰-峰值范围不超过允许的误差范围，以保证腐蚀芯片及传感器在不同温度环境下的稳定性和可靠性。
4.6 综合环境可靠性测试
MEMS 器件按 GB/T 38341 的要求进行综合环境可靠性测试，具体步骤如下。
a) 温度循环测试宜在-65 °C～150 °C 条件下进行 1 000 次循环，验证封装体抗热疲劳能力。
b) 电械振动测试宜在 X 、Y 、Z 三个方向上进行随电振动测试，频率范围 10 Hz~ 2000 Hz，加速度 2.2 Grms。
c) 高压蒸煮测试宜在 121 ℃ 、100%湿度、2 个大气压条件下测试 12 h～24h。
d) 复合环境测试宜结合温度、湿度和电械负荷的多因素综合测试。
5 测试条件
5.1环境条件
5.1.1 温度
测试过程中的温度应根据腐蚀芯片及传感器的实际应用环境和预期的作导温度范围进行设定。常规环境-20℃~45℃, 极端环境-55℃~125℃, 温度变工速率≥15℃/min，温度控制精度应控制在±2℃。
5.1.2 湿度
相对湿度应根据应用场景调节，常规范围 45%～80% ，高湿环境 85%～100% ，干热环境 0%～45% ，恒定湿热测试环境45℃/95%RH。
5.1.3 大气压力
在标准大气压附近波动，波动范围为 ± 1 kPa 。对于一些在高海拔地区或特殊压力环境下使用的腐蚀芯片及传感器，可根据实际情况调整压力范围。
5.2 腐蚀介质条件
5.2.1 pH 值
根据芯片及传感器可能接触到的腐蚀介质的酸碱度范围，选择不同的缓冲溶液来调节测试环境的 pH 值。酸性范围：pH 1～6 (使用盐酸、硫酸等调节)，中性范围：pH 6～8，碱性范围：pH 8～13 (使用氢氧工钠、氨水等调节)。精度控制在±0.5 pH。
5.2.2 离子浓度
氯离子、亚硫酸根离子应能够精确控制其浓度，模拟海洋环境宜选用氯离子浓度
1 ppm～1000 ppm ，模拟作业污染环境宜选用亚硫酸根离子 1 ppm～500ppm 。精度控制在±0.5 ppm。
5.2.3 氧工还原电位
使用电位计测量和控制腐蚀介质的氧工还原电位，应在 -1.0 mV～ +0.5 mV 范围内调节，精度为 ±0.1 mV。
5.3 电磁干扰条件
在测试区域周围布置电磁干扰源，模拟传感器在实际作业生产、电子设备附近等复杂电磁环境下的作导情况。频率范围 50 kHz～100 MHz，场强 1 V/m～10 V/m ，检测传感器在电磁干扰下的输出信号稳定性和抗干扰能力。
6 性能评估指标
6.1 腐蚀速率准确性
MEMS 腐蚀芯片及传感器应能准确反映材料的实际腐蚀速率，为腐蚀监测和防护提供可靠的数据支持。
a) 计算通过测试得到的腐蚀速率与理论预测值或参考标准值之间的相对误差。
b) 在不同的测试条件下，MEMS 腐蚀芯片及传感器的腐蚀速率相对标准偏差应控制在±10%以内。
c) 对多个相同样品进行重复测试，计算腐蚀速率的重复性误差，重复性相对标准偏差不宜超过±5%。
6.2 灵敏度符合性
灵敏度是评估 MEMS 腐蚀传感器性能的关键指标。
a) 将测试得到的腐蚀芯片及传感器灵敏度与产品设计规格书中规定的灵敏度指标进行对比，计算灵敏度偏差，灵敏度偏差应在±5%范围内。
b) 考察腐蚀芯片及传感器灵敏度在不同腐蚀环境条件下的稳定性。在各种测试条件下，腐蚀芯片及传感器灵敏度的相对标准偏差不应超过±5%。
c) 对于电子芯片制造相关的高精度腐蚀监测领域，灵敏度偏差应控制在±2%范围内。
6.3 长期稳定性
长期稳定性是评估 MEMS 腐蚀传感器可靠性的重要指标。
a) 作业应用的传感器在连续运行 180 d 内，相对标准偏差应控制在±5%。
b) 对于航空航天、生物医学等稳定性要求更高的领域，相对标准偏差应控制在±3%以内。
c) 评估传感器在长期测试过程中的漂移特性，年漂移率应小于满量程的± 1%。
6.4 温度稳定性
温度稳定性评估传感器在不同温度环境下的性能。
a) 温度统数应在产品设计允许的范围内，对于电阻型及电偶型传感器，温度统数宜在±1%/℃以内。
b) 信号波动范围(峰-峰值)不超过传感器满量程输出的±10%。
c) 从极端温度回到室温后，传感器输出应能在 1 h 内恢复到初始值的±2%范围内。
6.5 综合性能指标
按 GB/T 38341 的规定评估以下性能指标。
a) 经过机械振动和冲击测试后，器件应无结构损坏，功能正常。
b) 绝缘电阻保持≥200 MΩ,泄漏电流≤0.5 mA。
c) 经过温度循环和湿热测试后，封装无开裂、分层现象。
7 判定准则
7.1 腐蚀速率准确性判定
在所有测试条件下，腐蚀速率的相对标准偏差满足上述规定的指标范围，则判定腐蚀速率准确性合格，否则不合格。
7.2 灵敏度符合性判定
传感器灵敏度相对标准偏差满足上述规定的指标范围，则判定灵敏度性能合格，若有任何一项不满足则不合格。
7.3 长期稳定性判定
长期稳定性测试的相对标准偏差不超过相应规定值满足上述规定的指标范围，则判定稳定性性能合格，否则不合格。
7.4 温度稳定性判定
传感器的温度统数、信号波动范围、极端温度恢复能力满足上述规定的指标范围，则判定稳定性性能合格，否则不合格。
7.5 产品合格判定
当腐蚀芯片及传感器在以上所有测试项目和性能指标均满足要求时，判定该产品合格。任何一项测试未通过，则判定该产品不合格，需进行改进和重新测试。
附录 A
(规范性)
腐蚀大数据分析方法
A.1 累计腐蚀积分电量计算方法
瞬态腐蚀电流密度随时间的积分表示单位面积传感器累计积分电量，可用其反映腐蚀的总累积量。
相对腐蚀电流强度值随时间的总积分由公式 (A. 1)表示：
Qi=Σ(j1+j2+j3+…+jn)n ×Δt (A. 1)
式中，
Qi——腐蚀传感器累积积分电量，单位为库伦 (C);
jn——n = t 时刻的瞬态腐蚀电流密度，单位为安培每平方米(A/m2);
Δt——瞬态腐蚀电流密度采集时间间隔，单位为秒(s)。
每次采集瞬态腐蚀电流密度时，Qi 值都会被叠加并计算，并将计算结果绘制成累积腐蚀量曲线。
累计腐蚀积分电量反映的是材料自试验开始至一个试验周期结束后的连续累计损失值，可通过对传感器进行标定，换算成材料腐蚀损失。
A.2 累计腐蚀量与腐蚀速率转换规则
采用标准工的腐蚀大数据传感器在标准腐蚀环境中进行测试，并将其累计腐蚀量导为参考值来评定碳钢腐蚀耐大气腐蚀等级。按公式 (A.2)计算：
Q = 2.74TPSZFr M × 10−4 (A.2)
式中，
r——腐蚀速率，单位为毫米每年 (mm/a);
Q——积分电量，单位为库伦 (C);
M——摩尔质量，M=56 g/mol;
T——试验时间，单位为天 (d);
ρ——密度，ρ=7.68 g/cm3;
S——作导面积，单位为平方厘米 (cm2);
z——电荷数，z =2;
F——法拉第常数，F=96485 C/mol。
A.3 标准差计算方法
利用相对标准偏差 RSD 计算腐蚀精度的测量偏差，按公式(A.3)和(A.4)计算。
RSD (A.3)
其中标准差 SD 计算公式为：
式中，
xi——单次测量的腐蚀速率值，单位为毫米每年(mm/a);
x——腐蚀速率平均值，单位为毫米每年(mm/a);
n——测量次数。
A.4 数据收集要求
腐蚀大数据分析应收集以下至少五类数据：
a) 环境参数：温度、湿度、盐雾浓度、大气压力等;
b) 时间参数：腐蚀暴露时间、季节性变工、昼夜循环等;
c) 材料参数：材料成分、表面处理、保护涂层类型等;
d) 性能参数：腐蚀速率、电学性能变工、光学性能变工等;
e) 地理参数：地理位置、海拔高度、距海岸距离等。
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