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探索陶瓷基板在MEMS传感器封装中的优势
发布时间:2023-10-20 09:47:42  作者:富力天晟  阅读量:836

微型化、集成化及智能化是当今科学技术的主要发展方向。随着微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)和微加工技术的发展,微型传感器也随之迅速发展。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,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。

随着微电子技术、集成电路和加工工艺的发展,传感器的微型化、智能化、网络化和多功能化得到快速发展,MEMS传感器逐步取代传统的机械传感器,占据传感器主导地位,并在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药、生物等领域得到了广泛应用。


一、MEMS传感器有哪些分类呢

  MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。依赖于MEMS技术的传感器主要有微型化、多样化、集成化等技术特点,同时MEMS芯片尺度的缩小,对原有理论基础带来了较大影响,如力的尺寸效应、微摩擦学、微构造学、微热力学等,都需要更加深入的研究。

MEMS传感器按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS传感器、生物MEMS传感器。其中每种MEMS传感器又有多种细分方法,如微加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计;按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式;按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式;按控制方式划分,有开环和闭环式。


二、MEMS传感器有哪些材料呢

那么一个MEMS传感器可以用到哪些材料呢?MEMS材料的分类主要包括半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等。半导体材料是MEMS中最常用的材料之一,具有优异的电性能和光学性能。常见的半导体材料有硅(Si)和化合物半导体(如氮化镓、砷化镓等)。

硅是最常用的半导体材料,它具有良好的机械强度和热稳定性,广泛应用于加速度计、压力传感器等MEMS器件中。化合物半导体材料具有更高的电子迁移率和光学特性,适用于光电器件、光纤通信等领域。陶瓷材料在MEMS中扮演着重要的角色,其特点是具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和绝缘性。

常见的陶瓷材料有氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)和氧化锆(ZrO2)等。氧化铝具有优异的绝缘性和耐高温性,常用于MEMS器件的电绝缘层。氮化硅是一种非常稳定的材料,可用于制作传感器的支撑结构和封装材料。

氧化锆具有优异的机械性能和耐磨性,适用于制作微泵、微阀等MEMS器件。金属材料在MEMS中主要用于制作电极和导线等电气连接部件。常见的金属材料有铜(Cu)、铝(Al)和金(Au)等。铜是一种优良的导电材料,具有较低的电阻率和良好的可加工性,广泛应用于MEMS器件中。铝具有较低的密度和良好的导电性能,适用于制作微型加速度计、陀螺仪等传感器。金是一种优秀的导电材料,具有良好的化学稳定性和可靠性,常用于制作高精度的电极和连接器。有机材料在MEMS中主要用于制作柔性器件和生物传感器等应用。

常见的有机材料有聚合物、橡胶和生物材料等。聚合物具有良好的柔韧性和可塑性,适合制作柔性电子器件和微流控芯片。橡胶材料具有优异的弹性和耐磨性,可用于制作微泵和微阀等MEMS器件。生物材料如胶原蛋白和纤维蛋白等可用于制作生物传感器和组织工程材料。


三、MEMS传感器的制作工艺是怎样的呢

MEMS传感器的工艺制造需要经过几个步骤。首先是晶圆制造,这个步骤是MEMS制造过程的基础。晶圆用于绘制传感器的结构,可以将其理解为模板。接下来是薄膜沉积,薄膜是一种十分重要的材料,因为它可以作为传感器的敏感部分。薄膜的沉积可以采用化学气相沉积(PCD)或者物理气相沉积(PVD)技术在晶圆上形成所需的薄膜层。接下来是表面微加工技术,包括扩孔和表面反应等操作。通过使用微加工技术,可以使传感器的敏感元件尽可能地接近工作环境,从而可以更加准确地测量物理量。最后是封装和测试,这个步骤是将制造好的传感器封装成为一个整体,并进行测试。 

从材料上MEMS 封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种形式。金属封装和陶瓷封装由于其导热性能好、气密性好等优点在一些单个器件的封装中经常使用。铸模塑料由于密封性能不够好而限制了塑料封装在某些对密封性能要求较高的领域的应用。

从技术上MEMS 封装可分为三个基本的封装层次:芯片级封装、圆片级封装和系统级封装。其中芯片级封装主要是基于两个根本技术:倒装焊(FCB)和球栅阵列(BGA)。球栅阵列技术主要采用陶瓷基板,芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片Flip Chip的安装方式。陶瓷封装可实现芯片的真空气密封装要求,留有空腔不妨碍MEMS器件可动结构的工作。

(传感器倒装焊示意图  )

传感器BGA示意图

系统级封装利用多层薄膜封装与组装技术来达成 3D 集成电路堆栈或是含集成电路的封装堆栈而整合成系统。其中用的最多的是多芯片组件技术和 3D 封装两大技术。多芯片组件 MCM 技术是将 MEMS 芯片和信号处理芯片封装在一个管壳内以减小整个器件的体积适应小型化的要求,还可以缩短信号从 MEMS 芯片到驱动器或执行器的距离,减小信号衰减和外界干扰的影响,是 MEMS 封装的一个重要趋势。陶瓷基板是MCM技术中的关键单元,提供了芯片的机械支撑,芯片间的信号互连以及芯片组件与下一级系统单元的互连接口。斯利通陶瓷基板采用国外进口的陶瓷粉体,通过半导体加工工艺,具有较高的机械强度和抗弯曲性,同时拥有优良的电、热化学性能,赢得了国内外下游终端客户的一致好评。

四、MEMS传感器有哪些应用呢


4.1汽车上的MEMS传感器

汽车上采用的传感器中大约1/3传感器采用的是MEMS传感器,并且汽车越高级,采用的MEMS传感器越多。汽车上MEMS传感器主要应用于发动机运行管理、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全系统、车辆监护和自诊断等方面。物理MEMS传感器是汽车上采用得最为普遍的传感器,基本上在汽车电子控制的各个方面都有涉及;化学MEMS传感器主要是指测量汽车系统中气体成分的气体传感器;生物MEMS传感器更多地应用于预测驾驶疲劳等汽车行驶安全领域。


4.2生物医疗和生物医学方面的应用

MEMS传感器在生物医疗中的应用较为广泛。目前,MEMS传感器主要用于临床化验系统、诊断与健康监测系统中,包括压力传感器、集成加速度传感器、微流体传感器等。通过口服或皮下注射的方式,将MEMS传感器送至人体内实现对人体内各器官的有效监测。同时,也可在监测的基础上,清除人体内可能存在的癌细胞,利用特制微型仪器将人体内部油脂沉积物刮去,降低心脏病发生的可能性,并去除人体内部胆固醇。在生物医学应用方面,MEMS传感器由于其微小的体积,能顺利进入较小的器官与组内,精确监测内部器官与组织的具体运作状况,进而提高介入治疗的精度,降低手术风险。


4.3军事方面的应用

MEMS现已被应用于空间超微型卫星中,其卫星仅重250g,尺寸极小。并且由于小卫星传感器的飞行寿命并不长,使其在宇宙辐射下的暴露不存在较大问题。MEMS轮胎压力传感器已被广泛应用于一些发达国家的军队装甲运兵车轮胎内。通过分布式战场微型传感器网络系统,军队能准确探测到对方的作战部署以及其调动的各类探测装置。这种分布式场微型传感器还具备耐久、易损、布设等优点,受军队所推崇。在空军应用上,利用F-14战斗机弹射座助推火箭对MEMS压力传感器进行了测试。将用于喷射式涡轮发动机材料应用到对该类发动机进行监视的具备力学特征的MEMS传感器中,增强了其抗恶劣环境的性能。在战况信息传达上,现已成功研发出机载传感器以及用于信息传输的微通信元件与微功率源。这些新型微系统芯片的投入应用,让无人驾驶机与战斗机具备了通信、地形识别等实用性较强的新型功能。


4.4航空航天方面的应用

在航空、航天领域内,MEMS有着较大的应用前景。MEMS技术的使用,在很大程度上提高了航空器的性能。在今后发展中,MEMS传感器可被广泛安置于飞机的关键部位,实现对机重要运行部件的精确控制与测量,包括气流、声学、力学等方面,提供及时的信息与对执行部件的实时控制,在确保飞机飞行的平稳的同时,最大限度地抑制飞机飞行产生的噪音,并实现对飞机燃料的高效利用。在宇航中,关于星际物质与生命起源的探测方面,可应用全集成气相色谱微系统,将其散布于太空中,达到探测目的。同时,将特制微机器人传送至特定星球,并围绕星球飞行,由配置的摄像系统协助轨道器,绘制出相关星球的地形地貌特征。


4.5惯性MEMS器件产品

微加速器与微型陀螺为当前惯MEMS器件的主要产品,已被广泛应用于汽车制造领域内。商用微型加速度计运动部件具备高质、高灵敏度、重量轻等优点。其测量精度高达1mg,能有效实现对千分之几的重力加速度的测量。目前,传统的机电式加速度传感器市场正逐步被微加速度计所占领,并随着汽车安全气囊系统的不断普及,呈现出迅猛增长趋势。


4.6无线传感器网络

无线传感器网络综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科,是新兴的交叉研究领域,具有重要的科研价值和广泛的应用前景,引起了全世界范围的广泛关注。我国在WSN方面也开展了大量研究工作并取得了许多研究成果,目前正进一步加大力度推进传感网的研究和应用。


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