想要MEMS壓力傳感器更精準(zhǔn)靈敏？陶瓷基板了解一下

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，小型化、智能化、集成化的傳感器已成為未來趨勢，由此MEMS傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

MEMS的全稱是微型電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-ElectroMechanical System），微機(jī)電系統(tǒng)是指可批量制作的，將微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等集成于一塊或多塊芯片上的微型器件或系統(tǒng)。作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代電子信息行業(yè)的“大米”，MEMS傳感器采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造，與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

MEMS傳感器的種類根據(jù)其工作作用、工作原理、工作環(huán)境的不同種類繁多，今天主要介紹的是其中的一種：MEMS壓力傳感器。目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)械電子傳感器。

01 硅壓阻式壓力傳感器

MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測量電橋，作為力電變換測量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測量精度能達(dá)0.01%～0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。圖4是封裝如IC的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。

02 電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫格柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容量的大小，即△壓力=△電容量（圖5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6。

MEMS傳感器的加工工藝需要用到MEMS技術(shù)，基于已經(jīng)相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。它與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光工藝等，但是有些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實(shí)現(xiàn)，必須采用微加工技術(shù)制造。微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)可動(dòng)結(jié)構(gòu)。陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷基板具有更牢，更低阻的金屬膜層，陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40 ～135 ℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。

斯利通DPC薄膜陶瓷金屬化工藝，工藝特點(diǎn)是在各種陶瓷基材上濺射一層結(jié)合力良好的金屬材，基材的應(yīng)用范疇廣泛，包括單晶硅片，玻璃基（SiO2），氮化硅，碳化硅，氧化鋁，氮化鋁，氧化鋯，ZTA，金剛石，藍(lán)寶石等。陶瓷電路板在新能源、汽車電子、電力電子、智能傳感、5G通訊、智慧照明、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。解決芯片發(fā)熱、型號(hào)穩(wěn)定輸出、傳感測量精準(zhǔn)等市場痛點(diǎn)。

MEMS壓力傳感器封裝工藝—管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋，右是管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產(chǎn)各種壓力傳感器產(chǎn)品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個(gè)封裝內(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個(gè)高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品。

MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器；消費(fèi)電子：如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業(yè)電子：如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的逐步到來，傳感器現(xiàn)正被廣泛應(yīng)用于包括各類智能終端、智能汽車、生物醫(yī)療等在內(nèi)的眾多新興領(lǐng)域，需求量與日俱增。

伴隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，MEMS壓力傳感器逐漸由單一的、僅起到壓力數(shù)據(jù)采集作用的器件向集合多種數(shù)據(jù)采集和處理為一體的智能傳感器發(fā)展。壓力傳感器、陀螺儀、溫度傳感器等多種傳感器以及其他功能器件集為一體，實(shí)現(xiàn)高度智能化，為拓展下游應(yīng)用端完成多維度數(shù)據(jù)采集提供條件。在國家政策的大力支持下，國內(nèi)MEMS行業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)體系正在不斷完善，上下游供應(yīng)鏈的布局也在如火如荼地開展中。作為高新技術(shù)企業(yè)的一員，斯利通懷揣“科技創(chuàng)新推動(dòng)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展”的美好愿景，秉承“用心服務(wù)客戶，提供放心產(chǎn)品”的偉大使命，努力為國家完成這一戰(zhàn)略性布局努力奮斗！

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