如何利用陶瓷基板優(yōu)化MEMS傳感器的性能？

微型化、集成化及智能化是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的主要發(fā)展方向。隨著微機電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystem，MEMS）和微加工技術(shù)的發(fā)展，微型傳感器也隨之迅速發(fā)展。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)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。

隨著微電子技術(shù)、集成電路和加工工藝的發(fā)展，傳感器的微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化得到快速發(fā)展，MEMS傳感器逐步取代傳統(tǒng)的機械傳感器，占據(jù)傳感器主導(dǎo)地位，并在消費電子、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

MEMS傳感器有哪些分類呢

MEMS傳感器是采用微機械加工技術(shù)制造的新型傳感器，是MEMS器件的一個重要分支。依賴于MEMS技術(shù)的傳感器主要有微型化、多樣化、集成化等技術(shù)特點，同時MEMS芯片尺度的縮小，對原有理論基礎(chǔ)帶來了較大影響，如力的尺寸效應(yīng)、微摩擦學(xué)、微構(gòu)造學(xué)、微熱力學(xué)等，都需要更加深入的研究。

MEMS傳感器按照測量性質(zhì)可以分為物理MEMS傳感器、化學(xué)MEMS傳感器、生物MEMS傳感器。其中每種MEMS傳感器又有多種細分方法，如微加速度計，按檢測質(zhì)量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計；按檢測質(zhì)量支承方式劃分，有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式；按信號檢測方式劃分，有電容式、電阻式和隧道電流式；按控制方式劃分，有開環(huán)和閉環(huán)式。

MEMS傳感器有哪些材料呢

那么一個MEMS傳感器可以用到哪些材料呢？MEMS材料的分類主要包括半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等。半導(dǎo)體材料是MEMS中最常用的材料之一，具有優(yōu)異的電性能和光學(xué)性能。常見的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和化合物半導(dǎo)體（如氮化鎵、砷化鎵等）。

硅是最常用的半導(dǎo)體材料，它具有良好的機械強度和熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于加速度計、壓力傳感器等MEMS器件中。化合物半導(dǎo)體材料具有更高的電子遷移率和光學(xué)特性，適用于光電器件、光纖通信等領(lǐng)域。陶瓷材料在MEMS中扮演著重要的角色，其特點是具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和絕緣性。

常見的陶瓷材料有氧化鋁（Al2O3）、氮化硅（Si3N4）和氧化鋯（ZrO2）等。氧化鋁具有優(yōu)異的絕緣性和耐高溫性，常用于MEMS器件的電絕緣層。氮化硅是一種非常穩(wěn)定的材料，可用于制作傳感器的支撐結(jié)構(gòu)和封裝材料。

氧化鋯具有優(yōu)異的機械性能和耐磨性，適用于制作微泵、微閥等MEMS器件。金屬材料在MEMS中主要用于制作電極和導(dǎo)線等電氣連接部件。常見的金屬材料有銅（Cu）、鋁（Al）和金（Au）等。銅是一種優(yōu)良的導(dǎo)電材料，具有較低的電阻率和良好的可加工性，廣泛應(yīng)用于MEMS器件中。鋁具有較低的密度和良好的導(dǎo)電性能，適用于制作微型加速度計、陀螺儀等傳感器。金是一種優(yōu)秀的導(dǎo)電材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可靠性，常用于制作高精度的電極和連接器。有機材料在MEMS中主要用于制作柔性器件和生物傳感器等應(yīng)用。

常見的有機材料有聚合物、橡膠和生物材料等。聚合物具有良好的柔韌性和可塑性，適合制作柔性電子器件和微流控芯片。橡膠材料具有優(yōu)異的彈性和耐磨性，可用于制作微泵和微閥等MEMS器件。生物材料如膠原蛋白和纖維蛋白等可用于制作生物傳感器和組織工程材料。

MEMS傳感器的制作工藝是怎樣的呢

MEMS傳感器的工藝制造需要經(jīng)過幾個步驟。首先是晶圓制造，這個步驟是MEMS制造過程的基礎(chǔ)。晶圓用于繪制傳感器的結(jié)構(gòu)，可以將其理解為模板。接下來是薄膜沉積，薄膜是一種十分重要的材料，因為它可以作為傳感器的敏感部分。薄膜的沉積可以采用化學(xué)氣相沉積（PCD）或者物理氣相沉積（PVD）技術(shù)在晶圓上形成所需的薄膜層。接下來是表面微加工技術(shù)，包括擴孔和表面反應(yīng)等操作。通過使用微加工技術(shù)，可以使傳感器的敏感元件盡可能地接近工作環(huán)境，從而可以更加準確地測量物理量。最后是封裝和測試，這個步驟是將制造好的傳感器封裝成為一個整體，并進行測試。

從材料上MEMS 封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。金屬封裝和陶瓷封裝由于其導(dǎo)熱性能好、氣密性好等優(yōu)點在一些單個器件的封裝中經(jīng)常使用。鑄模塑料由于密封性能不夠好而限制了塑料封裝在某些對密封性能要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。

從技術(shù)上MEMS 封裝可分為三個基本的封裝層次：芯片級封裝、圓片級封裝和系統(tǒng)級封裝。其中芯片級封裝主要是基于兩個根本技術(shù)：倒裝焊（FCB）和球柵陣列（BGA）。球柵陣列技術(shù)主要采用陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片F(xiàn)lip Chip的安裝方式。陶瓷封裝可實現(xiàn)芯片的真空氣密封裝要求，留有空腔不妨礙MEMS器件可動結(jié)構(gòu)的工作。

傳感器倒裝焊接示意圖

系統(tǒng)級封裝利用多層薄膜封裝與組裝技術(shù)來達成 3D 集成電路堆?；蚴呛呻娐返姆庋b堆棧而整合成系統(tǒng)。其中用的最多的是多芯片組件技術(shù)和 3D 封裝兩大技術(shù)。多芯片組件 MCM 技術(shù)是將 MEMS 芯片和信號處理芯片封裝在一個管殼內(nèi)以減小整個器件的體積適應(yīng)小型化的要求，還可以縮短信號從 MEMS 芯片到驅(qū)動器或執(zhí)行器的距離，減小信號衰減和外界干擾的影響，是 MEMS 封裝的一個重要趨勢。陶瓷基板是MCM技術(shù)中的關(guān)鍵單元，提供了芯片的機械支撐，芯片間的信號互連以及芯片組件與下一級系統(tǒng)單元的互連接口。斯利通陶瓷基板采用國外進口的陶瓷粉體，通過半導(dǎo)體加工工藝，具有較高的機械強度和抗彎曲性，同時擁有優(yōu)良的電、熱化學(xué)性能，贏得了國內(nèi)外下游終端客戶的一致好評。

MEMS傳感器有哪些應(yīng)用呢

01汽車上的MEMS傳感器

汽車上采用的傳感器中大約1/3傳感器采用的是MEMS傳感器，并且汽車越高級，采用的MEMS傳感器越多。汽車上MEMS傳感器主要應(yīng)用于發(fā)動機運行管理、車輛動力學(xué)控制、自適應(yīng)導(dǎo)航、車輛行駛安全系統(tǒng)、車輛監(jiān)護和自診斷等方面。物理MEMS傳感器是汽車上采用最為普遍的傳感器，基本上在汽車電子控制的各個方面都有涉及；化學(xué)MEMS傳感器主要是指測量汽車系統(tǒng)中氣體成分的氣體傳感器；生物MEMS傳感器更多地應(yīng)用于預(yù)測駕駛疲勞等汽車行駛安全領(lǐng)域。

02生物醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

MEMS傳感器在生物醫(yī)療中的應(yīng)用較為廣泛。目前，MEMS傳感器主要用于臨床化驗系統(tǒng)、診斷與健康監(jiān)測系統(tǒng)中，包括壓力傳感器、集成加速度傳感器、微流體傳感器等。通過口服或皮下注射的方式，將MEMS傳感器送至人體內(nèi)實現(xiàn)對人體內(nèi)各器官的有效監(jiān)測。同時，也可在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，清除人體內(nèi)可能存在的癌細胞，利用特制微型儀器將人體內(nèi)部油脂沉積物刮去，降低心臟病發(fā)生的可能性，并去除人體內(nèi)部膽固醇。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，MEMS傳感器由于其微小的體積，能順利進入較小的器官與組內(nèi)，精確監(jiān)測內(nèi)部器官與組織的具體運作狀況，進而提高介入治療的精度，降低手術(shù)風(fēng)險。

03軍事方面的應(yīng)用

MEMS現(xiàn)已被應(yīng)用于空間超微型衛(wèi)星中，其衛(wèi)星僅重250g，尺寸極小。并且由于小衛(wèi)星傳感器的飛行壽命并不長，使其在宇宙輻射下的暴露不存在較大問題。MEMS輪胎壓力傳感器已被廣泛應(yīng)用于一些發(fā)達國家的軍隊裝甲運兵車輪胎內(nèi)。通過分布式戰(zhàn)場微型傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，軍隊能準確探測到對方的作戰(zhàn)部署以及其調(diào)動的各類探測裝置。這種分布式場微型傳感器還具備耐久、易損、布設(shè)等優(yōu)點，受軍隊所推崇。在空軍應(yīng)用上，利用F-14戰(zhàn)斗機彈射座助推火箭對MEMS壓力傳感器進行了測試。將用于噴射式渦輪發(fā)動機材料應(yīng)用到對該類發(fā)動機進行監(jiān)視的具備力學(xué)特征的MEMS傳感器中，增強了其抗惡劣環(huán)境的性能。在戰(zhàn)況信息傳達上，現(xiàn)已成功研發(fā)出機載傳感器以及用于信息傳輸?shù)奈⑼ㄐ旁c微功率源。這些新型微系統(tǒng)芯片的投入應(yīng)用，讓無人駕駛機與戰(zhàn)斗機具備了通信、地形識別等實用性較強的新型功能。

04航空航天方面的應(yīng)用

在航空、航天領(lǐng)域內(nèi)，MEMS有著較大的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)的使用，在很大程度上提高了航空器的性能。在今后發(fā)展中，MEMS傳感器可被廣泛安置于飛機的關(guān)鍵部位，實現(xiàn)對機重要運行部件的精確控制與測量，包括氣流、聲學(xué)、力學(xué)等方面，提供及時的信息與對執(zhí)行部件的實時控制，在確保飛機飛行的平穩(wěn)的同時，最大限度地抑制飛機飛行產(chǎn)生的噪音，并實現(xiàn)對飛機燃料的高效利用。在宇航中，關(guān)于星際物質(zhì)與生命起源的探測方面，可應(yīng)用全集成氣相色譜微系統(tǒng)，將其散布于太空中，達到探測目的。同時，將特制微機器人傳送至特定星球，并圍繞星球飛行，由配置的攝像系統(tǒng)協(xié)助軌道器，繪制出相關(guān)星球的地形地貌特征。

05慣性MEMS器件產(chǎn)品

微加速器與微型陀螺為當(dāng)前MEMS器件的主要產(chǎn)品，已被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域內(nèi)。商用微型加速度計運動部件具備高質(zhì)、高靈敏度、重量輕等優(yōu)點。其測量精度高達1mg，能有效實現(xiàn)對千分之幾的重力加速度的測量。目前，傳統(tǒng)的機電式加速度傳感器市場正逐步被微加速度計所占領(lǐng)，并隨著汽車安全氣囊系統(tǒng)的不斷普及，呈現(xiàn)出迅猛增長趨勢。

06無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個學(xué)科，是新興的交叉研究領(lǐng)域，具有重要的科研價值和廣泛的應(yīng)用前景，引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。我國在WSN方面也開展了大量研究工作并取得了許多研究成果，目前正進一步加大力度推進傳感網(wǎng)的研究和應(yīng)用。