高性能MEMS壓力傳感器設(shè)計、制造和封裝方面的進展及趨勢

壓力是流體內(nèi)部測量的基本參數(shù)之一，其對流體控制和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。因此，壓力傳感器在汽車、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過精確的壓力測量，可以準確監(jiān)測設(shè)備狀況，預(yù)測潛在的故障。過去幾十年來，隨著智能儀器儀表的不斷進步，人們對壓力傳感器滿足更嚴格要求的需求日益增長，其中包括：更高的精度、增強的環(huán)境適應(yīng)性、更精細的分辨率以及更小的芯片/封裝尺寸等。壓力傳感器可以根據(jù)傳感機制分為壓阻式、電容式、諧振式、壓電式等。

MEMS壓力傳感器具有諸多優(yōu)勢，包括易于批量生產(chǎn)、小型化、成本效益以及易于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力等。因此，MEMS壓力傳感器的市場份額越來越高。過去二十年來，MEMS傳感器技術(shù)在原理、理論、設(shè)計和制造技術(shù)（例如體硅蝕刻、薄膜制造和低溫鍵合）等方面的進步，促進了壓力傳感器的快速發(fā)展和多樣化。采用創(chuàng)新技術(shù)和封裝方法的新型壓力傳感元件，提供了更高的測量精度、微型化的尺寸以及更寬泛的溫度適應(yīng)性。此外，第三代半導(dǎo)體材料、石墨烯和納米線等新興材料在壓力傳感器中的應(yīng)用進一步提高了其性能。

MEMS壓力傳感器相關(guān)趨勢包括：更高的靈敏度、更高的精度、多參數(shù)集成、更小的芯片尺寸、更小的封裝尺寸以及在惡劣環(huán)境中具有更好的魯棒性等。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，西安交通大學(xué)的研究人員在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了一篇題為“Advances in high-performance MEMS pressure sensors: design, fabrication, and packaging”的綜述文章。該文章綜述了多種應(yīng)用中的MEMS壓力傳感器，包括微差壓壓力傳感器（MDPS）、諧振式壓力傳感器（RPS）、集成式壓力傳感器、微型化壓力傳感器和無引線封裝壓力傳感器，并分別討論了它們的工作原理、研究進展、技術(shù)難點和發(fā)展前景。

盡管通用規(guī)格MEMS壓力傳感器已經(jīng)成功商業(yè)化，但仍存在一些技術(shù)難題有待解決。為了詳細闡述MEMS壓力傳感器的發(fā)展趨勢，研究人員對近幾十年來開發(fā)的多種典型MEMS壓力傳感器進行了介紹和分析，給出了上述關(guān)鍵細分領(lǐng)域的主要進展和趨勢。

微差壓壓力傳感器（MDPS）

微差壓壓力傳感器通常是指能夠測量10 kPa以下壓力范圍的傳感器，這表明壓力膜片上的壓差通常很小。隨著醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，對具有卓越測量分辨率、增強頻率響應(yīng)、縮小尺寸和成本效益的微差壓壓力傳感器的需求不斷增長。與其它壓阻式壓力傳感器相比，微差壓壓力傳感器的設(shè)計和制造面臨著更大的挑戰(zhàn)，特別是在確保高靈敏度以及在超薄、低殘余應(yīng)力壓力膜片上嵌入穩(wěn)定的壓敏電阻方面。因此，近20年來，許多研究人員從基本原理、材料和結(jié)構(gòu)等方面對其進行了深入的研究。其中，有一項研究工作引入了多種結(jié)構(gòu)，以通過放大應(yīng)力集中來提高靈敏度。其中，“diaphragm + island + peninsula”結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了卓越的靈敏度。不過，所報道的芯片尺寸仍然較大，在成本效益和小型化方面不夠理想。因此，需要通過采用更纖細的膜片和更淺的PN結(jié)來進一步縮小芯片尺寸。

高靈敏度微差壓壓力傳感器、片上放大微差壓壓力傳感器、諧振式微差壓壓力傳感器

諧振式壓力傳感器（RPS）

高精度諧振式壓力傳感器在航空航天、石油勘探、氣象觀測、國防軍事等領(lǐng)域至關(guān)重要。諧振頻率檢測方法有多種，包括壓電檢測、電容檢測、壓阻檢測、電磁檢測等。目前，石英和硅諧振式壓力傳感器領(lǐng)域取得了重大進步，在精度、分辨率、尺寸和品質(zhì)因數(shù)（Q）方面取得了顯著進展。然而，高壓諧振式壓力傳感器和微壓諧振式壓力傳感器受到的關(guān)注較少，這對設(shè)計提出了重大挑戰(zhàn)。此外，迫切需要提高諧振式壓力傳感器的頻率響應(yīng)。目前，諧振式壓力傳感器的頻率響應(yīng)大于100 ?ms，限制了其在高動態(tài)壓力測量中的應(yīng)用。

基于電容檢測原理的諧振式壓力傳感器

基于壓阻檢測原理的諧振式壓力傳感器

基于電磁檢測原理的諧振式壓力傳感器

集成式壓力傳感器

在壓力傳感器的各種應(yīng)用中，壓力、溫度、濕度、振動等參數(shù)往往表現(xiàn)出較強的干擾。例如，在熱沖擊過程中，分立式壓力和溫度芯片設(shè)計存在較大的溫度場不均勻性，從而降低了傳感器精度。因此，為了減少其它因素對壓力傳感精度的影響，必須獲取原位溫度并進行補償。此外，機器健康監(jiān)測需要壓力、溫度、振動等多參數(shù)信號，且很多場景對安裝空間要求較高，因此，必須開發(fā)小型化的集成式芯片。關(guān)于集成式壓力傳感器，“壓力+x”傳感器的各種組合已經(jīng)出現(xiàn)，并具有令人印象深刻的緊湊尺寸。這些芯片可以執(zhí)行實時、原位溫度補償和多參數(shù)測量。盡管如此，測量參數(shù)之間的相互作用和解耦機制仍然不明確，需要進一步研究以提高準確性。

典型“壓力+x”集成傳感器芯片：壓力+溫度+加速度

典型“壓力+x”集成傳感器芯片：壓力+加速度+溫度+紅外

微型化壓力傳感器

為了最大限度地縮小壓力傳感器芯片，研究人員引入了各種制造技術(shù)，例如“先進多孔硅薄膜（APSM）”、“Silicon-on-Nothing（SoN）”和“微創(chuàng)手術(shù)（MIS）”等，大大降低了壓力傳感器芯片的面內(nèi)尺寸和厚度。對于更嚴格的尺寸限制，例如在更小的血管中，需要進一步創(chuàng)新微型傳感器芯片的制造和封裝方法。同時，新興的2D材料和納米級傳感材料（如硅納米線等），為微米級壓力傳感器芯片帶來了希望。然而，采用這些材料的測量準確性仍有待提高。

超小型壓力傳感器

硅納米線壓力傳感器和微型化石墨烯壓力傳感器

無引線封裝壓力傳感器

在無引線封裝壓力傳感器方面，倒裝芯片（FC）封裝傳感器已經(jīng)有效集成到工業(yè)和消費電子產(chǎn)品中，大大推動了傳感器封裝的小型化。盡管如此，封裝產(chǎn)生的熱應(yīng)力仍需要進一步緩解。為了適應(yīng)高溫下的無引線傳感器封裝并確保介質(zhì)兼容性，有研究設(shè)計并改進了集成燒結(jié)壓力傳感器，主要利用玻璃和銀漿進行密封和連接。然而，采用燒結(jié)方法的壓力傳感器通常需要更大的芯片，在未來的研究中有待尺寸優(yōu)化。

倒裝芯片（FC）封裝壓力傳感器

總結(jié)來說，研究人員在這篇綜述中分析并總結(jié)了MEMS壓力傳感器的主要發(fā)展趨勢，包括已取得的突破、仍存在的問題以及可能的解決方案。受限于文章篇幅，某些MEMS壓力傳感器類別還沒有完全涵蓋。因此，有待在后續(xù)的專題綜述中繼續(xù)研究。

審核編輯：劉清