高性能MEMS壓力傳感器設計、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，其對流體控制和設備狀態(tài)監(jiān)測至關重要。因此，壓力傳感器在汽車、醫(yī)療和航空航天等領域有著廣泛的應用。通過精確的壓力測量，可以準確監(jiān)測設備狀況，預測潛在的故障。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雜結(jié)構的能力等。因此，MEMS壓力傳感器的市場份額越來越高。過去二十年來，MEMS傳感器技術在原理、理論、設計和制造技術（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性。此外，第三代半導體材料、石墨烯和納米線等新興材料在壓力傳感器中的應用進一步提高了其性能。

MEMS壓力傳感器相關趨勢包括：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，給出了上述關鍵細分領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)療設備的發(fā)展，對具有卓越測量分辨率、增強頻率響應、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，以通過放大應力集中來提高靈敏度。其中，“diaphragm + island + peninsula”結(jié)構表現(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、國防軍事等領域至關重要。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注較少，這對設計提出了重大挑戰(zhàn)。此外，迫切需要提高諧振式壓力傳感器的頻率響應。目前，諧振式壓力傳感器的頻率響應大于100 ?ms，限制了其在高動態(tài)壓力測量中的應用。

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，例如“先進多孔硅薄膜（APSM）”、“Silicon-on-Nothing（SoN）”和“微創(chuàng)手術（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)生的熱應力仍需要進一步緩解。為了適應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