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斯利通陶瓷封装基板助力MEMS压力传感器更精准、灵敏

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传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。随着工业技术的进步,小型化、智能化、集成化的传感器已成为未来趋势,由此MEMS传感器应运而生。

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanical System),微机电系统是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。作为物联网时代电子信息行业的“大米”,MEMS传感器采用微电子和微机械加工技术制造,与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS传感器的种类根据其工作作用、工作原理、工作环境的不同种类繁多,今天主要介绍的是其中的一种:MEMS压力传感器。目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。

(1)MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁,采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处,组成惠斯顿测量电桥,作为力电变换测量电路,将压力这个物理量直接变换成电量,其测量精度能达0.01%~0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示,上下二层是玻璃体,中间是硅片,硅片中部做成一应力杯,其应力硅薄膜上部有一真空腔,使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中,应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起,发生弹性变形,四个电阻应变片因此而发生电阻变化,破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡,电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。

(2)电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状,上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器,上横隔栅受压力作用向下位移,改变了上下二根横隔栅的间距,也就改变了板间电容量的大小,即△压力=△电容量(图5)。电容式压力传感器实物如图6。

MEMS传感器的加工工艺需要用到MEMS技术,基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。它与传统的IC工艺有许多相似之处,如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等,但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现,必须采用微加工技术制造。微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺,包括湿法刻蚀和干法刻蚀,是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺,通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜,然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。

     富力天晟与武汉光电国家研发中心和华中科技大学等科研单位建立合作,将DPC技术从理论研发到实现工业化批量生产。斯利通DPC薄膜陶瓷金属化工艺,其特点是在各种陶瓷基材上溅射一层结合力良好的金属材,基材的应用范畴广泛,包括单晶硅片,玻璃基(SiO2),氮化硅,碳化硅,氧化铝,氮化铝,氧化锆,ZTA,金刚石,蓝宝石等。陶瓷电路板在新能源、汽车电子、电力电子、智能传感、5G通讯、智慧照明、生物医疗、航空航天等领域广泛应用。解决芯片发热、型号稳定输出、传感测量精准等市场痛点。

MEMS压力传感器封装工艺—管芯(die)结构和电原理如图7所示,左是电原理图,即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥,右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品,如图8所示。MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内(MCM),使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。


MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子:如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器;消费电子:如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤,洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器,空调压力传感器,洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子:如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。随着物联网时代的逐步到来,传感器现正被广泛应用于包括各类智能终端、智能汽车、生物医疗等在内的众多新兴领域,需求量与日俱增。

伴随着下游应用领域的发展,MEMS压力传感器逐渐由单一的、仅起到压力数据采集作用的器件向集合多种数据采集和处理为一体的智能传感器发展。压力传感器、陀螺仪、温度传感器等多种传感器以及其他功能器件集为一体,实现高度智能化,为拓展下游应用端完成多维度数据采集提供条件。在国家政策的大力支持下,国内MEMS行业的研发与生产体系正在不断完善,上下游供应链的布局也在如火如荼的开展中。作为高新技术企业的一员,斯利通陶瓷封装基板怀揣“科技创新推动电子产业发展”的美好愿景,秉承“用心服务客户,提供放心产品”的伟大使命,努力为国家完成这一战略性布局努力奋斗!

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