陶瓷基板在MEMS传感器封装中的优势

当今的科学技术如翩翩起舞的蝴蝶，追求着微型化、集成化及智能化的新境界。随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）和微加工技术如同春天的细雨，滋润着微型传感器的崭新发展。与传统传感器相比，它如同一颗闪烁的星星，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点，更适于批量化生产，易于集成和实现智能化。同时，微米量级的特征尺寸如同一把神奇的钥匙，开启了某些传统机械传感器所不能实现的功能的大门。

随着微电子技术、集成电路和加工工艺的不断发展，传感器也在逐步向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向迈进。MEMS传感器这一新型传感器技术，已经逐渐取代了传统的机械传感器，成为了传感器领域的主导力量。

MEMS传感器具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，因此在消费电子、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。

在消费电子领域，MEMS传感器被广泛应用于手机、平板电脑、笔记本电脑等电子产品中，用于实现屏幕触控、语音识别、运动检测等功能。在汽车工业领域，MEMS传感器则被用于实现车辆稳定性控制、自动驾驶等功能。在航空航天领域，MEMS传感器则被用于实现飞行器姿态控制、导航等功能。

MEMS传感器家族是如何分类的呢？

MEMS传感器，这是一家小巧但影响深远的传感器家族，它们利用微机械加工技术制作而成，就像一群身形微小但能力巨大的超能力者。它们不仅具有微型化、多样化、集成化的技术特性，而且它们的微小尺寸给我们的理论基础带来了全新的挑战，比如力的尺寸效应、微摩擦学、微构造学、微热力学等，都亟待我们进行更深入的研究。

按照它们的测量性质，MEMS传感器可以分为三大类：物理MEMS传感器、化学MEMS传感器以及生物MEMS传感器。这个大家庭里的每个成员也有自己的细分方法，比如微加速度计，它可以按照检测质量的运动方式分为角振动式和线振动式加速度计；按照检测质量支承方式的不同，可以分为扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式；按照信号检测方式划分，有电容式、电阻式和隧道电流式；最后，按照控制方式划分，可以分为开环和闭环式。

MEMS传感器的分类繁多，但每一种都有其独特的应用领域和优势。它们就像我们生活中的小小魔法师，让我们的生活变得更加便捷、智能和高效。

那么，MEMS传感器都采用了哪些材料呢？

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。

半导体材料在MEMS中占据着核心地位，其中硅（Si）是最常用的半导体材料。它具有优异的电性能和机械强度，以及良好的热稳定性，被广泛应用于加速度计、压力传感器等MEMS器件中。此外，化合物半导体材料，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）等，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，它们具有良好的耐磨性、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。

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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。

从材料上来说，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。

从技术上来说，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。

MEMS传感器封装中的优势

一，陶瓷基板的热膨胀系数与MEMS传感器元件的热膨胀系数非常匹配，从而有效避免了因温度变化引起的封装应力。这有助于提高MEMS传感器的长期稳定性和可靠性。

二，陶瓷基板具有优秀的导热性能，能够有效地将MEMS传感器产生的热量传导出去，保持传感器在稳定的温度环境下工作。这对于高精度、高稳定的传感器性能至关重要。

三，陶瓷基板具有高绝缘性、低介电常数和优良的机械强度，这些特性使得陶瓷基板能够为MEMS传感器提供良好的电学和机械保护。

四，陶瓷基板还具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性，能够在各种环境下保持稳定的性能。这对于在恶劣环境下工作的MEMS传感器尤为重要。

五，陶瓷基板的制造工艺与MEMS传感器制造工艺相兼容，这使得将陶瓷基板应用于MEMS传感器封装变得更加简便和高效。

综上所述，陶瓷基板在MEMS传感器封装中具有显著的优势。其优良的性能和稳定性能够为MEMS传感器提供可靠的电学、机械和热学保护，从而提高传感器的性能和可靠性。随着MEMS传感器技术的不断发展，陶瓷基板在MEMS传感器封装中的应用前景将更加广阔。

【文章来源】：展至科技

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审核编辑 黄宇