MEMS器件及其封装相关2

1、MEMS器件及其封装相关器件及其封装相关MEMS压力传感器的发展及应用压力传感器的发展及应用MEMS压力传感器原理及封装压力传感器原理及封装MEMS压力传感器的概念压力传感器的概念及其特点及其特点重要的重要的MEMS压力传感器压力传感器MEMS器件器件惯性惯性MEMS器件器件加速度计加速度计陀螺陀螺压力传感器压力传感器光学光学MEMS器件器件微光开关微光开关微光学平台微光学平台微执行器微执行器微喷微喷微马达微马达生物生物MEMS器件器件其他其他MEMS压力传感器的概念压力传感器的概念微机电系统（微机电系统（MEMS）是指用微机械加工技术制作）是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动器、微

2、能源等的包括微传感器、微致动器、微能源等微机械基微机械基本部分本部分以及高性能的以及高性能的电子集成线路电子集成线路组成的微机电组成的微机电器件与装置器件与装置。MEMS压力传感器是一种薄膜元件，压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变受到压力时变形形。可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种。可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以化来加以测量。测量。MEMS压力传感器的概念压力传感器的概念MEMS尺度，尺度，小于小于1mmMEMS压力传感器的特点压力传感器的特点主要主要特点特点可以用类似集成电路（可以用类

3、似集成电路（IC）设计技术和制造工）设计技术和制造工艺，进行艺，进行高精度、低成本高精度、低成本的大的大批量生产批量生产相对于传统的机械量传感器，相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感压力传感器的器的尺寸更小尺寸更小，最大的，最大的不超过不超过1cm能耗能耗低低、可靠性可靠性高、易于集成、智能化高、易于集成、智能化MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展（1）发明阶段发明阶段（1945-1960年）年）：这个阶段主要：这个阶段主要是以是以1947年年双极性晶体管双极性晶体管的发明为标志的发明为标志。在此阶段，。在此阶段，利用了硅利用了硅与锗的与锗的压阻压阻效应效应制成的压力传感器制成的压力

4、传感器是把应是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。压阻式压力传感器压阻式压力传感器MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展（2）技术发展阶段技术发展阶段（1960-1970年）年）：随着硅：随着硅扩散技术的扩散技术的发展发展制成了制成了硅硅杯杯。这种形式的硅杯传。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的成本低、便于集成化的优点优点（3）商业化商业化集成加工阶段集成加工阶段（1970-1

5、980年）年）：在硅杯扩散理论的基础上应用了在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的硅的各向异性的腐蚀腐蚀技术技术。加工工艺。加工工艺主要主要有有V形槽法、浓硼自动形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法中止法扩散硅压力传感扩散硅压力传感器器MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展（4）微机械加工阶段微机械加工阶段（1980年年-）：通过：通过微机械微机械加工工艺可以由计算机控制加工出加工工艺可以由计算机控制加工出结构型结构型的压力传的压力传感器，其感器，其线度线度可以控制在可以控制在微米级微米级范围内。利用这一范围内。利用这

6、一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。力传感器进入了微米阶段。MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展国内外国内外MEMS压力传感器研究现状压力传感器研究现状光纤压力传感器光纤压力传感器电容式真空电容式真空压力传感器压力传感器 耐高温耐高温压力传感器压力传感器硅微机械加工传感器硅微机械加工传感器具有自测试功能的具有自测试功能的压力传感器压力传感器多维力传感器多维力传感器MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展光纤压力传感器光纤压力传感器利用利用了了敏感元件敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的受压力作用时的形变与

7、反射光强度相关的特性特性应用应用于于临床医学临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力压力石油测井石油测井专用光纤专用光纤传感器传感器MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展电容式真空电容式真空压力传感器压力传感器由一块基片和厚度为由一块基片和厚度为0. 82. 8mm的氧化铝的氧化铝(Al2O3)构成构成,其间其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起用一个自熔焊接圆环钎焊在一起该环具有隔离作用该环具有隔离作用,不需要温度补偿不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠可以保持长期测量的可靠性和持久的精度性和持久的精度MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展 耐高温耐高温压力

8、传感器压力传感器SiC 压力传感器压力传感器PN结泄漏电流很小结泄漏电流很小,没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型,可以批可以批量量加工加工硅微机械加工硅微机械加工传感器传感器线度可以达到线度可以达到12mm,可以放置在人体的重要器官中进行数据的可以放置在人体的重要器官中进行数据的采采集集具有自测试功能的具有自测试功能的压力传感器压力传感器根据热驱动原理进行的，该传感器尺寸为根据热驱动原理进行的，该传感器尺寸为1. 2mm 3mm0. 5mm ，适用于生物医学，适用于生物医学领域领域多维多维力传感器力传感器六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点六维

9、力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。只有美、日等少数国家可以生产。MEMS压力传感器压力传感器的发展趋势的发展趋势小型化集成化智能化广泛化标准化MEMS压力传感器的发展压力传感器的发展到到2015年，年，MEMS压力传感压力传感器销售额将达到器销售额将达到19.7亿亿美元美元, 复合年度增长率为10%。MEMS压力传感器的压力传感器的应用应用汽车电子汽车电子：如如TPMS发动机发动机机油压力传感器、汽车机油压力传感器、汽车刹车系统刹车系统空气空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP

10、）、）、柴油柴油机共轨机共轨压力传感器压力传感器消费消费电子电子：如如胎压计胎压计、血压计、健康、血压计、健康秤秤，洗衣机、微波炉、烤箱、，洗衣机、微波炉、烤箱、吸尘器吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、太阳能、太阳能热水器热水器用液位用液位控制压力传感器控制压力传感器工业工业电子电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等等医疗领域医疗领域：压力传感器主要充当外科手术使用的一次性低成本压力传感器主要充当外科手术使用的一次性低成本导管导管MEMS压力传感器的应用压力传感器的应用一一辆高端的汽车一般都会有上百个传

11、感器，包括辆高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括3050个个MEMS传感器，其中传感器，其中就有十个左右的压力传感器就有十个左右的压力传感器。在。在轮胎压力监测轮胎压力监测系统（系统（TPMS）中应用的压力传）中应用的压力传感器，则是未来市场中最看好的感器，则是未来市场中最看好的部分部分。目前。目前99%的的TPMS中采用的压力传感器中采用的压力传感器都是基于都是基于MEMS技术技术的。的。MEMS压力传感器的应用压力传感器的应用用于汽车的MEMS传感器2010年的销售额达到了$ 662.3M，比2009年的$ 501.2M增长了32.1%MEMS压力传感器的应用压力传感器的应用MEMS压力

12、传感器原理压力传感器原理与封装MEMS压力传感器按原理分，有电容型、压压力传感器按原理分，有电容型、压阻型，压电式，金属应变式，光纤式等阻型，压电式，金属应变式，光纤式等。主。主要有要有硅硅压阻式压力传感器压阻式压力传感器和和硅电容式压力传硅电容式压力传感器感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感，两者都是在硅片上生成的微机电传感器器。硅压阻式压力传感器硅压阻式压力传感器半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化的半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化的关系称为关系称为半导体压阻效应半导体压阻效应。半导体应变片电阻的。半导体应变片电阻的变化主变化主要要是电阻率变化引起的，表示是电阻率

13、变化引起的，表示为为由于弹性系数由于弹性系数E=/E=/， 上式又可写为上式又可写为 为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的硅压阻式压力传感器采用采用高精密半导体电阻应变片组成高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿惠斯顿电桥电桥测量电路测量电路具有具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本成本如如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电无压力变化，其输出为零，几乎不耗电硅压阻式压力传感器采用采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁内壁将将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大四个高精密半导体应变片刻制在其表

14、面应力最大处处其其测量精度能达测量精度能达0.01%0.03%FS硅压阻式压力传感器其其结构是上下结构是上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力二层是玻璃体，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杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔。腔。应力硅薄膜与真空腔接触这应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻一面经光刻生成电阻生成电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进应变片电桥电路。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，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，破坏原先发生弹性

15、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。成正比的电压信号。硅硅压阻式压力传感器结构压阻式压力传感器结构 硅压阻式压力传感器实物硅压阻式压力传感器实物硅压阻式压力传感器制造工艺主要流程制造工艺主要流程硅压阻式压力传感器1生成生成N型型外延外延层层：在双面抛光的在双面抛光的P型型Si（100）晶面上）晶面上，用，用CVD外延外延反应器和气体源生成一层反应器和气体源生成一层N型外延层型外延层硅压阻式压力传感器2光刻光刻显影显影：采用采用照相复印照相复印的的方法。光刻方法。光刻工艺流程：光刻需要经过涂工艺

16、流程：光刻需要经过涂胶、曝光、显影与烘片、刻蚀、剥膜等步骤胶、曝光、显影与烘片、刻蚀、剥膜等步骤。该步骤中。该步骤中在在光刻显影的最后并没有剥离光刻显影的最后并没有剥离光刻胶。光刻胶。第一次光刻显影第一次光刻显影硅压阻式压力传感器3离子注入离子注入形成电阻形成电阻：采用采用加速离子轰击加速离子轰击硅片硅片，加速离子停留，加速离子停留在硅片表面微米在硅片表面微米范围之内。离子注入后需用低温进行范围之内。离子注入后需用低温进行退火退火或或激光退火，激光退火，去除去除光刻胶光刻胶。优点优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温布和面均匀性，而且是低温

17、工艺，同时工艺，同时可实现自对准技可实现自对准技术术。硅压阻式压力传感器4金属化金属化和钝化和钝化：在制有压敏电阻的表面，淀积绝缘层，敷设导电金属和在制有压敏电阻的表面，淀积绝缘层，敷设导电金属和钝化层，以及刻蚀接触孔钝化层，以及刻蚀接触孔硅压阻式压力传感器5干干氧热氧化氧热氧化：将硅片放入高温炉内将硅片放入高温炉内,在干燥的氧气在干燥的氧气中使氧分子与硅片中使氧分子与硅片表面的硅原子反应表面的硅原子反应,生成生成SiO2起始层起始层,然后氧分子以扩散然后氧分子以扩散方式通过方式通过SiO2层生成新的层生成新的SiO2层层,使使SiO2薄膜继续增薄膜继续增厚厚硅压阻式压力传感器6光刻显影光刻显

18、影：在硅片背面的氧化层表面涂覆光刻胶，通过光刻将方形在硅片背面的氧化层表面涂覆光刻胶，通过光刻将方形槽图案转移到氧化层上槽图案转移到氧化层上第二次光刻显影第二次光刻显影硅压阻式压力传感器7各向异性腐蚀各向异性腐蚀：各向异性腐蚀利用硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率这各向异性腐蚀利用硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率这一腐蚀特性对硅材料进行加工一腐蚀特性对硅材料进行加工,在硅衬底上加工出各种在硅衬底上加工出各种各样的微结构各样的微结构。本步骤保护。本步骤保护有压敏电阻的正面，使用有压敏电阻的正面，使用KOH溶液腐蚀溶液腐蚀窗口区域的硅窗口区域的硅硅压阻式压力传感器8刻蚀去除氧化层刻蚀去除氧化层：保护硅片

19、的其它地方，使用氢氟酸（保护硅片的其它地方，使用氢氟酸（HF）刻蚀掉二氧化）刻蚀掉二氧化硅层硅层，形成，形成空腔空腔硅压阻式压力传感器9硅硅-玻璃键合玻璃键合：两键合面一起加热两键合面一起加热,并在键合面间施加一定的电压并在键合面间施加一定的电压,在高在高温、高电场下两键合面形成热密封温、高电场下两键合面形成热密封硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 、S、d分别是电极间的介电场数、有效面积和极板分别是电极间的介电场数、有效面积和极板间距间距电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。

20、变介电常数型。 (1)(1)、变极距型电容传感器变极距型电容传感器硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器(2)(2)、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 ( (3)3)、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器压力作用于弹性敏感膜，膜发生形变，使得两个电极间距发生变化，产生相应的电容值变化，电容值随着压力变化单调变化，电容值与压力值相互对应，形成压力到电容的信号转换。电容式压力传感器结构原理图电容式压力传感器结构原理图电容式压力传感器电容式压力传感器硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器膜片的工艺流程膜片的工艺流程形成导电层形成导电层EPW溶液进行湿

21、法腐蚀溶液进行湿法腐蚀溅射溅射Au溅射一层金溅射一层金属属Cr用以增用以增加粘附性加粘附性预划片预划片硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器基片基片的工艺流程的工艺流程采用干氧采用干氧-湿氧湿氧-干氧的干氧的方式方式PECVD 工艺工艺硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器回流焊回流焊传感器传感器的组装的组装MEMS压力传感器压力传感器的封装的封装应应依据传感器测量原理、芯片的结构、以及被依据传感器测量原理、芯片的结构、以及被测量对象测量对象和应用环境的不同，确定其封装的和应用环境的不同，确定其封装的要求要求。概括起来：概括起来：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；

22、2）避免热应力）避免热应力对芯片对芯片的影响的影响；3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；4）电磁上要求是屏敝的；）电磁上要求是屏敝的；5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气隔离方式隔离水气。6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容MEMS压力传感器的封装（a）是）是 TO 封装外封装外型型（b）是气密充油的不锈钢）是气密充油的不锈钢封装封装（c）是小外形塑料）是小外形塑料封装（封装（SOP）（d）是不锈钢封装的压力传感器）是不锈钢封装的压力传感器

23、产品产品a、b、c封装封装形式为压力敏感头形式为压力敏感头MEMS压力传感器的封装压力传感器的封装TO 封装封装:属属非气密非气密封装，一次封装，封装，一次封装，主要用于主要用于监测监测非腐蚀气体和与干燥空非腐蚀气体和与干燥空气介质兼容的气介质兼容的气体气体。应用应用领域包括汽车仪表、医药卫生领域包括汽车仪表、医药卫生、气体、气体控控制系统、空调、制冷设备、环境监测和仪器仪表制系统、空调、制冷设备、环境监测和仪器仪表等。等。TO封装压力传感器结构封装压力传感器结构TO封装工艺中气密性的要求封装工艺中气密性的要求绝压芯片绝压芯片MEMS压力传感器的封装压力传感器的封装TO 封装的封装的工艺工艺：

24、芯片芯片与玻璃的静电键合、贴片、引线键与玻璃的静电键合、贴片、引线键合、封帽及涂胶合、封帽及涂胶保护保护1.芯片芯片和玻璃载体之间和玻璃载体之间的连接采用是的连接采用是静电封接工艺静电封接工艺，时常产生，时常产生开裂开裂问题，表现为（问题，表现为（a）硅片与玻璃片封接后脱落；（）硅片与玻璃片封接后脱落；（b）玻璃片炸裂）玻璃片炸裂。2.封帽工艺采用封帽工艺采用储能焊接工艺储能焊接工艺，焊接电流过大，焊接电流过大，会使会使焊接处发生烧焊接处发生烧黑现象，焊接压力过大将使焊接工件黑现象，焊接压力过大将使焊接工件变形。变形。3.涂胶是为了涂胶是为了保护芯片及保护芯片及Au丝键合线在测压过程中不受损环

25、丝键合线在测压过程中不受损环，常，常用用的胶为的胶为硅胶硅胶。硅胶为一种低粘度的透明液体，由一类或。硅胶为一种低粘度的透明液体，由一类或两类两类硅氧硅氧烷组成。烷组成。MEMS压力传感器的封装压力传感器的封装这种封装形式主要用于测这种封装形式主要用于测量气体的压力量气体的压力MEMS压力传感器的封装压力传感器的封装不锈钢隔离膜片封装不锈钢隔离膜片封装不锈钢隔膜片封装的硅压阻压力传感器结构图不锈钢隔膜片封装的硅压阻压力传感器结构图属于属于气密气密封装封装。广泛。广泛地应用于地应用于航天、航空、航天、航空、工业自动化控制、汽车工业自动化控制、汽车等领域。它的固态应等领域。它的固态应变膜片特性、不锈

26、钢隔膜结构和极好的动态变膜片特性、不锈钢隔膜结构和极好的动态性能可满足信号对性能可满足信号对压力传感器压力传感器的的高稳定、高高稳定、高可靠、低功耗、动态测试可靠、低功耗、动态测试等的要求。它不但等的要求。它不但可以进行普通的气体可以进行普通的气体及液体及液体的压力测量，而的压力测量，而且可以用于且可以用于腐蚀性的气体及液体如酸、碱及腐蚀性的气体及液体如酸、碱及各种液体推进剂各种液体推进剂等等的压力测量。的压力测量。MEMS压力传感器的封装压力传感器的封装封装样品封装样品1. 由金属基座、管壳、硅油、传感器压力芯由金属基座、管壳、硅油、传感器压力芯片及片及不锈钢不锈钢膜片膜片组成组成2. 主要

27、主要的制造工艺为：硅芯片选用的制造工艺为：硅芯片选用静电键合静电键合工艺封接而成，封接好的工艺封接而成，封接好的芯片芯片用用胶接胶接工艺工艺贴在管壳基座上，芯片上的焊盘与管座上贴在管壳基座上，芯片上的焊盘与管座上的引脚是用的引脚是用Au丝丝引线连接引线连接起来的起来的3. 不锈钢隔膜与壳体采用不锈钢隔膜与壳体采用熔焊熔焊工艺进行焊接工艺进行焊接, 焊接工艺常用焊接工艺常用激光激光焊接、氩弧焊接焊接、氩弧焊接或电子或电子束束焊接等。硅油灌充工艺一般采用焊接等。硅油灌充工艺一般采用真空灌真空灌充充技术技术重要的重要的MEMS压力传感器压力传感器 1.耐耐高温高温压力传感器压力传感器应用应用：在在民用方面可用于测量锅炉、管道、高温反应民用方面可用于测量锅炉、管道、高温反应容器容器内的压力；内的压力；在军事上可用于喷气发动机、坦克发动机、舰船发动机的压力测量在军事上可用于喷气发动机、坦克发动机、舰船发动机的压力测量等。等。种类种类：SOS（Silicon on Sapphire）、）、SOI（