MEMS傳感器——“簡單好用+便宜”

相對于壓力傳感器而言，MEMS壓力傳感器是一個比較新的技術分支，其擁有多種性能優勢，包括無機械疲勞或老化、輸出信號穩定、靈敏度高、體積小、適合批量大規模生產等。就體積而言，其封裝可以做到1mm x 1mm，甚至更小。另外，低壓應用封裝結構靈活，可實現晶圓級封裝，可與ASIC單片/系統集成，這些優點也使得其得以迅速崛起，到現在已經基本成熟起來。

但是在生產和應用過程中，MEMS壓力傳感器的缺點也表現地較為突出。例如MEMS晶圓芯體生產工藝相對復雜;在不銹鋼充油和倒裝焊技術中，中高壓封裝成本較高等。

主流壓力傳感器按照檢測原理和器件結構基本可以劃分為：不銹鋼微熔傳感器、陶瓷/電容式傳感器、壓阻式傳感器及電容式傳感器。而MEMS技術主要用來替代傳統的壓阻式和電容式傳感器。由于壓阻式壓力傳感器具有核心簡單、信號處理簡單、可靠性高等優點，“簡單好用+便宜”使得壓阻式占據了大部分的市場份額，電容式僅有很小的一部分。主流壓力傳感器的市場狀況如圖1所示。

圖1 主流壓力傳感器市場劃分(根據檢測原理及結構)

雖然MEMS傳感器在替代傳統的傳感器器件，但是不銹鋼和傳統的陶瓷類技術仍然占有較大的市場份額。其主要原因是MEMS的封裝技術至今仍無法突破，這對MEMS傳感器進一步推廣和應用形成了很大的阻礙。MEMS傳感器芯片需要針對封裝進行特殊優化

可以說，一個好的芯片只有擁有好的封裝才算擁有“不死之身”。就作用而言，封裝主要解決以下幾個問題：

（1）腐蝕和導電性介質的兼容問題;

（2）高溫介質;

（3）振動，包括尖峰壓力/爆破壓力、大電壓沖擊、封裝(熱)應力等。

目前，針對MEMS傳感器主要有三種主流的封裝方案，即MEMS+硅凝膠、擴散硅-不銹鋼充油和倒裝焊，三種封裝示意圖如圖2所示。

圖2 三種主流封裝方案

MEMS芯片設計都需要考慮封裝，甚至針對封裝進行特殊優化。圖3給出了幾個較好的針對封裝進行特殊優化設計的MEMS芯片方案。其中，上面采用了玻璃倉加硅模的方案，特點是電阻處于真空中，抗環境干擾能力強，穩定性好;下面是三家主流廠商TSV和TGV倒裝焊結構，其特點是沒有Wire bond、抗振動沖擊，同時，有些技術方案中應用了SiO2介質隔離，從而能夠適應高溫環境。另外，據盾安傳感科技公司技術總監段飛表示，盾安傳感科技自主研發設計的一款MEMS芯片中也針對封裝進行了特殊優化。

圖3 針對封裝對MEMS芯片進行特殊優化實例盾安填補國內暖通制冷領域空白盾安環境作為空調配件及智能配件領域龍頭企業，其部分閥件產品在世界市場占有率高達50%~60%。盾安傳感科技(以下簡稱盾安)作為盾安環境與美國Microlux于2014年共同成立的以傳感技術為核心業務的中美合資企業，在2017 Sensor China展會上，其主要展出獨特的惡劣介質兼容的MEMS壓力傳感器，主要應用于空調暖風制冷、汽車、工業等領域。

惡劣介質兼容惡劣介質兼容作為盾安此次展出的MEMS壓力傳感器主要特征，其兼容的惡劣介質主要包括：（1）制冷劑。像商用空調中常用的410A制冷劑，汽車空調上常用的R134A制冷劑，甚至包括二氧化碳的，這是一個媒介，你要能適應這些我們的制冷劑。（2）極限溫度。像熱泵的從-40℃到135℃環境，你的傳感器要能夠適應。（3）強壓力。普通MEMS傳感器的擴展壓力和爆破壓力一般是兩倍到三倍。盾安在其中央空調上需要能夠承受五倍到九倍的指標，包括機械過載壓力，溫度沖擊(從-40℃到130℃高低溫的循環)，還有像濕熱的環境。（4）電導。比如說你的靜電的指標，你的絕緣耐壓的指標，這一套指標以前是日本企業為導向來制定的，它的要求非常高的，可以這么說，遠遠超過閥件(空調其他配件)的標準。產品結構空調配件+特種空調盾安主要產品方向之一是針對空調領域，包括空調配件(家用和商用)及整機業務，其中征集業務主要針對特種空調，例如核電站空調、軌道空調等。燃油汽車+特種汽車另外，針對汽車方面，盾安也有兩款產品，分別針對燃油車和純電動汽車。尤其是在純電動汽車應用中，不僅需要考慮空調問題，還需要考慮電池的熱管理，而針對電動汽車的管理，盾安可以提供一個溫度和壓力集成的產品。在電動汽車方面，盾安如今在與國內最大的電動汽車廠商合作。其中，空調暖風制冷領域(Heating Ventilation Air Conditioning，HVAC)是盾安的主要發展領域之一，其包括家用領域和商用領域。目前，由于商用領域對傳感器的要求較高，因而已經大量應用，例如中央空調。作為公共安全設施，因其高標準，該領域的大部分市場被美國和日本公司占據長期以來，如今，盾安傳感科技在這一領域填補了國內的空白。自主技術產權+突破性技術談及盾安的在市場中競爭優勢時，段飛總監表示，盾安在同行業內主要有兩個競爭優勢：（1）我們是完全具備了自主產權的核心技術。例如我們有完全自主創新的MEMS晶圓技術、芯片封裝技術。（2）我們的技術是突破性的，這會使得使用我們技術的產品有更好的性價比，會重新打破這個行業，繼續行業的一個革新，這樣也使我們在市場上保持一個非常充分的競爭能力。未來發展規劃如前所述，盾安在封裝方面擁有自己獨特的產線;其產品，無論是空調系統，還是配件除了要滿足自主配套之外，都是進行對外銷售的。未來幾年之內，像物聯網、智能汽車，這些都將是熱門話題，而傳感器是物聯網的終端，必將一直是一個技術熱點，盾安目前主要是在MEMS壓力傳感器方面，其在未來將持續為行業帶來突破性產品和行業解決方案。