行业资讯

当前位置:首页 > 新闻中心 > 行业资讯

我国MEMS压力传感器发展现状

作者:管理员 发表时间:2016-12-15 14:07:56 阅读: 18
压力传感器有传统的压力传感器,另一大类是MEMS传感器。
  传统的机械量式的传感器可以是金属,也可以是陶瓷,也有蓝宝石和其他各种材质,并在这类材质上布电路、做电容、做电阻,以带来电信号的变化。
  MEMS传感器是随着IC(集成电路)技术的发展而兴起的。它的原理还是机械量式相似,只是从材料和加工工艺上借鉴了很多集成电路的技术和制造工艺,把集成电路的光刻、光罩、沉淀等工艺做在了传感器上,还可以把一些运算和ADC集成在一起。
  历史上,MEMS技术起步较早,最早源于美国的,霍尼韦尔公司比较领先。最早史密斯先生(C.S. Smith)于1945年发现了硅与锗的压阻效应,这就可以和传统的机械式的压力传感器有相似的特性。随后霍尼韦尔最早做了微压传感器,起先用在电子方面,涉及到军工的压力传感器。扩散微技术可以很方便地把电阻、接线片等在硅的晶圆片上进行加工。后来为了提高灵敏度,就开始在硅的背面加工成凹形,这时就有了硅杯结构。
  MEMS传感器在上世纪七八十年代主要还停留在实验室阶段。80年代后期到90年代,随着半导体加工工艺越来越成熟,镀膜技术、光刻技术还有异形加工等可以对硅片在各个方面进行加工,使MEMS传感器可以进行商业化的生产,量产化的产品出现。从90年代开始纳米技术提升了MEMS商用化的可能性,因为之前的硅传感器尺寸做得还是比较大,和陶瓷相比没有太多的优势。随着纳米技术的出现,可以在微米级的薄膜厚度上操作。有这样的加工工艺之后,就可以从4寸开始,到6寸、8寸,直接加工成各种各样的MEMS硅材质、复合硅和压力硅。在MEMS产品中,压力相对是比较难做的一块。
  我国对MEMS技术也很重视,从1989年开始立项,研究MEMS产业化。特别是十五计划将MEMS计划也列入863重大专项,国家每年有十几亿元投入到MEMS中。到目前为止,国内的MEMS研发机构较多,但是目前可能还是依托于以前的军工院所,例如49所、13所,包括沈阳工艺研究所等,同时各大高校,诸如北京大学、清华大学、重庆大学等有自己的MEMS研究实验室。我国也在建纳米城,在无锡物联网中心建了MEMS研发平台。因此,我国目前在微机械部分有一定的竞争力。现在一共是1600多家,接近1700多家MEMS厂家,压力类估计有七八十家。因此,我国已经具备一定的MEMS的微机加工能力。
  国内IC代工厂的快速成长对MEMS行业也有很大的助推,诸如台积电(TSMC)和中芯国际(SMIC)等厂家。因为MEMS技术和IC技术是融合的,现在有一些IC厂家也在做转型,从IC向MEMS转型。
  但是也出现的问题,我们的理论研究水平和国际相比相差不大,即产业布局、MEMS理论、硅杯结构的能力还是不错的,但是我们落后三个方面:1)工艺设计、制造技术和产业化推进。例如我们画一张图纸可以,但是要按图把它加工出来有一定的难度。2)测试技术,例如晶圆测试和美国、日本、德国有差距。3)产业化推进,需要更多的会议/展会,更多地和用户共同开发产品。牟横博士介绍了德国的经验,德国有四大院所系统,模式是和企业合作,而且向企业收费,即更加市场化。四大院所研发的产品、做的工艺都是为企业服务的,因为企业不可能建这么大的平台。
  我国的MEMS技术工艺和制造特点
  国外的MEMS已经进行了规模和量产。我国目前还是比较分散的,相对没有几家在芯片级做得比较可靠。究其原因就是在技术工艺和制造上的落后。
  关于技术工艺和制造,本文介绍两点:传统的MEMS工艺、SOI(绝缘层上硅)的简单工艺。实际上就是把IC工艺和微系统加工工艺的结合,其中用到了很多在IC方面的工艺手段,例如光刻。如果是SOI要进行高温氧化,还有一层层往上生长、注入。有一点区别是,原来IC工艺大部分是属于二维加工,但是MEMS的加工大多数属于三维加工,所以MEMS的工艺难度和复杂度大大提高。
  关于MEMS的特点,行业内有一条法则:一类产品,一个生产流程,一种组装方式。不像IC,IC还有摩尔定律可循,IC能把一个复杂的设计做成标准的工艺化,所以IC上批量很快,甚至有人称卖IC和卖白菜差不多,因为IC已经工艺化和模块化了。但是MEMS还是各自为政的状态,压力、加速度、位移等每种结构都不一样,有独特的封装模式。
  我国MEMS在三方面落后于国外先进水平,尚需提高。
  第一,设计。难在不是设计本身,而是验证设计。例如压力有一对相对的矛盾,传感器的灵敏度和过压是一对不可调和的矛盾,例如我做成15mm或18mm的,它的灵敏度高,但是过压又差了,这些过程如何在设计时就可以判断、分析出来?因为MEMS流片的成本较高,如果我们设计得不到位,会提升前期研发成本。这就需要很多的模拟仪器设备,这类模拟设备在全球比较少,生产厂家也往往是定制化的。因此希望政府或联盟有这样的测试和分析的设备平台。例如在德国的科研院所或高校有为数不多的几台,是公开为企业或个人使用的,只要你愿意承担费用,而且里面的技术人员会告诉你如何测,会验证你的设计思路。
  第二,加工和代工。德尔森一年前刚刚回到中国,选择了江苏,因为江苏是芯片制造和MEMS较大的代工基地。然而尽管目前单体设备挺好,但是没有连成线,没有批量生产,即没有在生产状态,也就是加工的经验和工艺方面并不成熟。可见,我国的代工厂主要集中在IC代工,成熟的MEMS,特别是MEMS压力传感器的代工厂在国内还没有。
  第三,封装。虽然这属于后工艺,但是在IC行业的封装已经很成熟了,一个IC封装的成本可能就几分钱,因为IC的封装对信号的影响不大。但是如果是传感器,尽管它是水平后道工艺,但是其封装会对传感器起到决定性的影响。例如压力传感器的封装是封装在什么金属及什么样的温度,这对于它的特性有影响。所以我国的一次封装技术还是处于初级阶段,一些工厂的封装还处于半自动状态,大部分是靠人的经验做,这样会影响传感器的一致性。
  工业MEMS压力传感器的三个趋势
  第一,集成。会把更多的器件集成在传感器上,让传感器更加智能化。但是这个过程会有一个矛盾,德尔森也做过这样的尝试,把一个温度二极管做在了传感器里,后来不用这个温度二极管了,因为用了以后对压力测量产生影响或波动,做工业级也许没有问题,但是如果做PA(过程自动化),特别是做差压的时候有影响。所以“集成”应该是两种方向,在一些特定的行业,例如汽车、船舶或工业设备上集成度越高越好,这样体积越小、成本越低。但是对于过程控制、流程控制等PA级应用,测压力的应该是独立测压力的,希望在封装的时候做到集成化。例如德尔森做的硅杯封装,会把集成电路直接封装在里面,它已经做到数字化输出,在小小的泛15mm、泛18mm、泛19mm的硅组模块里做到数字化输出。同时芯片对压力信号的特性不影响。
  第二,灵敏度。预计未来三五年压力MEMS传感器会进入红海市场。但是国内的企业和博世、霍尼韦尔这样的公司竞争还有一定的差距和难度。当然本土企业也有自己的优势,所以本土企业可以往一些特定行业发展,像微压力、微差压等方面的芯片传感器,因为它的附加值较高,这就需要改变它的结构,例如增大桥阻值,同时还要做到微量程的过压性能,例如船舶、汽车等行业。船级别验证必须要求过压。
  第三,面向高温型或者是宽温区的MEMS传感器。让MEMS技术和SOI工艺结合,把MEMS的天生缺陷补足。因为一般的适用温度是150℃,现在SOI的瓶颈是到600℃,600℃以上单晶硅材质本身就变化很大。另外还有封装工艺的问题,也是一个课题。
  MEMS传感器的应用
  MEMS的应用和差压传感器还是比较广泛的。
  第一,传统的PA和FA(工厂自动化)。我们补充传统电容、补充陶瓷,因为MEMS的差压有很好的一致性和稳定性,特别是单晶硅材。横河仪表宣传7年不需要校阻,是因为单晶硅本身就有这个特性。除了传统的工业应用之外,另外几块应用也是国家比较关注的,一个是船舶及海上作业平台,这方面扩散硅的传感器有一定的缺陷,包括原来的金属式和陶瓷式在这些应用上有缺陷,所以MEMS在船舶、海上作业上可以有更多的智能化,信号更好处理,而且可靠性更强,因为这些地方的调试和维修成本相当高拉绳位移传感器
  第二,汽车与机修设备。汽车的机械部分已经发展得比较成熟,下一个十年主要竞争是在电子部分。汽车的MEMS传感器从加速度、陀螺、位移、胎压、油管的进/出量等等都已经采用MEMS传感器,现在博世、英飞凌和森萨塔等公司垄断了这块市场。
  第三,物联网、医疗卫生、环境技术和能源管理等,也可利用MEMS传感器高集成度的特性,和互联网相结合。
http://www.szsensor.net