MEMS压力传感器分析.docx

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1、MEMS压力传感器名词解释：MEMS：Micro-ElectroMechanicalSystem,微型电子机械系统或微机电系统，是利用半导体集成电路加工和超精密机械加工等多种技术，并应用现代信息技术制作而成的微型器件或系统。半导体集成电路：一种通过一定工艺把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，具备所需电路功能的微型电子器件或部件。晶圆：硅半导体集成电路或MEMS器件和芯片制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。单晶硅：硅的一种形态，具有完整的点阵结构且晶体内原子都是呈周期性规则排列的硅晶

2、体，是MEMS的主要材料。多晶硅：硅的一种形态，晶体内各局部区域里原子呈周期性排列，但不同局部区域之间的原子排列无序，在MEMS中多用于结构层和电极导电层。二氧化硅：硅的一种氧化物，一般指通过热氧化和沉积等方法制作而成的薄膜材料，在MEMS中多用于绝缘层、掩膜和牺牲层。惠斯顿电桥：由四个电阻组成的电桥电路，是一种可利用电阻变化来测量外部物理量变化的电路器件设计。压电效应：某些电介质受到外部机械力作用而变形时，电介质材料内部产生极化并产生正负相反的电荷的现象。EDA：ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化，指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、信息处理

3、及智能化技术，完成电子产品的自动设计。封装：集成电路和MEMS的安装、固定、密封工艺过程，具有实现集成电路、MEMS管脚与外部电路的连接，并防止外界杂质腐蚀电路的作用。PCB：PrintedCircuitBoard,印制电路板，是组装电子产品各电子元器件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。温漂：温度漂移，指环境温度变化造成半导体集成电路、MEMS等器件性能参数变化，导致器件参数不稳定甚至无法工作的现象。IDM模式：IDM模式为垂直整合元件制造模式，企业能够独立完成芯片设计、晶圆制造、封装和测试等各生产环节。Fabless模式：指无晶圆厂模式，该模式下芯片设计企业主

4、要从事芯片的设计与销售，将晶圆制造、封装、测试等生产环节交由第三方晶圆制造和封装测试企业完成。一、MEMS压力传感器简介MEMS压力传感器是基于MEMS技术和半导体集成电路制造加工技术，以利用单晶硅硅片（或称晶圆）等传统半导体材料制作而成的芯片作为主要组成部分，将压强信号转化为电学信号的压力测量器件。相比传统压力传感器，MEMS压力传感器具备体积小、重量轻、功耗低、响应时间短、可批量化生产、成本低、易于集成等众多优点，广泛应用于汽车、消费电子、航空航天、医疗保健和工业控制等领域。二、MEMS压力传感器分类根据作用原理差异，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式、谐振式和压电式压力传感器等，其中

5、压阻式传感器因其成本低、成熟度高等特点成为当前主流的MEMS传感器类型。MEMS压力传感器的种类和工作特点：MEMS压力健柳压阻效应引起输出电压变化基于电压与被测压力的比他C现压力赛成规度高.成本低,培构而争.JB于集成Tfl*易受温度影响产生温摩现象 压力变化引起电容$化 基于电容变化与褛测压力的关系实现压力测灵或度较高、功用摊温举小 信号转换现条.设计藁度高18锻式压电式 压力变化引起脚射S构粉率变化 基于频率变化与被测压力的关系实现压力测 RttK*.UM.抗干扰献力 结构黛京、JB受*和温漂影响压电效应Wl题卑有变什易于电荷变化与祓图任力的妓性关系实现压力舞曼或度高特殊制造工艺要求.压

6、电材料成就度低(-)压阻式压力传感器主要由单晶硅弹性薄膜片、压敏电阻和高硼硅玻璃构成。其作用原理为通过压阻效应测量压力，即利用扩散或离子注入的掺杂技术将压敏电阻置于薄膜片上，形成惠斯顿电桥，当被测压力作用在薄膜片上时，薄膜片因应力发生形变，造成压敏电阻阻值变化，惠斯顿电桥因而失去平衡，导致平衡状态下电压为零的电桥得到输出电压，传感器基于该输出电压与被测压力形成的特定比例实现压力测量。压阻式压力传感器的优点为结构简单、易于集成、易于测量，其缺点为易产生温漂现象，从而导致测量灵敏度下降,因此需使用硬件或软件算法对传感器进行温度补偿，抑制或消除温漂；压阻式压力传感器主要结构：单晶硅弹性薄膜片高硼硅玻

7、璃压敏电阻惠斯顿电桥压力(二)电容式压力传感器是一个通过压力变化引起电容量改变的传感器。其主要由两个电极板组成，其中一个电极板是由单晶硅或多晶硅等材料制成的、可在外部压力作用下产生形变的弹性薄膜片,另一个电极板固定于传感器外壳上，不产生弹性形变。该类传感器作用原理为当弹性膜片受到被测压力作用产生形变时，两个电极板间距发生改变，导致电极板之间的电容量产生变化，通过该变化实现压力测量。相比压阻式压力传感器，电容式压力传感器灵敏度较高、功耗较低、温漂小，但是该传感器信号为电容信号，具备非线性特征，需匹配复杂的电路进行信号转换和线性度补偿，因此设计难电容式压力传感器主要结构:弹性薄膜片、可形变电极板硅

8、或玻璃等衬体材料I硅片电极板（三）谐振式压力传感器是通过压力作用时谐振结构频率改变实现压力测量的传感器，主要由弹性薄膜片、谐振梁和高硼硅玻璃封装层构成。谐振式压力传感器作用原理为弹性薄膜片或谐振梁在静电或其他方法激励下产生谐振动并保持一定谐振频率，当弹性薄膜片或谐振梁受到压力作用时，谐振频率发生改变，传感器基于该变化量与被测压力形成的对应关系实现压力测量。谐振式压力传感器主要结构：弹性薄膜片谐振梁高硼硅玻璃封装层压力（四）压电式压力传感器是通过压电效应实现压力测量的传感器，由作为基底材料的二氧化硅薄膜硅片和作为压电薄膜的错钛酸铅或铁酸韧等材料组成，主要结构包括叉指电极、压电薄膜、弹性薄膜等。压

9、电式压力传感器作用原理为传感器硅片底部弹性薄膜在受到压力时产生形变，引起叉指电极和压电薄膜形变，导致电极之间产生电荷，传感器基于该电荷与被测压力形成的线性关系实现压力测量。压电式压力传感器主要结构：弹性薄膜片压电薄膜叉指电极压力三、MEMS压力传感器产业链分析中国MEMS压力传感器行业产业链由上游MEMS压力传感器设计企业，中游传感器制造企业、封装测试企业，及下游汽车电子、智能手机、可穿戴设备、智能家居、工业控制和医疗等终端应用领域电子设备制造企业构成。i传感器设计OConsensic传感器制造TfLfDYNE,cysilexSONY终端应用也TDKMtcaosviTtMstsmc?SAMSU

10、NG敝芯微电子MEMenstngBROADCOMasmcIM造环节占储AKK成本30%Panasonic传感器封装测试彝LJLCSPAscgroupBPIL ?HUA TtAMGW 电CA*QUWI*O - VtCW封蓑湾试环节占传IS器成本40-50%V0lcwa9cLGHaierIDM0BoschfieoHOneyWellMC(-)上游分析中国MEMS压力传感器行业产业链的上游主体是MEMS压力传感器设计企业。MEMS压力传感器设计包括工艺设计、机电和结构设计以及后端的封装测试设计。MEMS压力传感器设计主要流程：机电和结构设计制造封装测试设计封装测试(1)机电和结构设计涵盖有限元分析(F

11、EA)建模和传感器版图结构设计。MEMS压力传感器设计企业通过Coventor.AnsysxTannerPro等国际MEMSEDA软件企业提供的仿真模拟分析和建模设计软件实现结构分析、力学分析、温度分析、灵敏度分析、耦合分析等，从而完成传感器结构建模,再通过AutoCAD等绘图工具绘制MEMS传感器掩膜版，从而完成版图结构设计。由于海外MEMS传感器行业商业化始于2000年左右，而中国MEMS传感器行业商业化始于2009年，中国MEMS传感器行业起步较晚，中国市场尚不具备成熟的、商业化的、为MEMS设计提供辅助的本土EDA软件供应商。(2)工艺设计主要为MEMS压力传感器制作工艺设计，制作工艺

12、的选择对传感器参数、制造成本、兼容性和集成度等方面均产生关键影响。例如，苏州敏芯微为压力传感器设计了SENSA工艺，用于硅压力传感器制造。采用该工艺的传感器可缩减30%以上尺寸、降低25%以上厚度，从而降低产品整体制造成本，同时满足下游向小型化发展的终端电子产品对传感器更加轻薄的要求。此外，具备轻薄优势的传感器有利于其与配套的其他器件相互集成，提高传感器集成度。(3)封装测试设计包括封装形式设计和测试系统设计。由于MEMS压力传感器种类多、应用广，传感器企业需完成封装测试设计，即对传感器封装形式和测试系统做出定制化设计。相比半导体集成电路封装，MEMS传感器封装更加复杂，在封装设计方面需考虑更

13、多因素。例如，温度、湿度以及传感器自身的封装材料散热性、耐腐蚀性和结构强度等外部因素对传感器可靠性产生的影响，因此封装设计需考虑如何选择合适的封装结构和封装材料，以保护传感器免受外部因素干扰。MEMS压力传感器的线性度、灵敏度、迟滞性等性能指标受不同外部因素影响，因此企业需针对应用于不同环境和应用领域的传感器的测试系统进行定制化设计。例如，压阻式传感器易受温度影响，因此测试系统设计需更关注该类传感器特定应用领域的温度环境。MEMS压力传感器各个设计环节相互影响，不同应用领域、不同类型、不同性能参数的传感器具有特定的设计逻辑，代表特定的工艺设计、机电结构设计和封装测试设计等。因此，传感器设计是M

14、EMS压力传感器产业链的核心环节，掌握设计自主知识产权的企业具备市场竞争优势，如苏州敏芯微、昆山双桥传感器等自主完成传感器研发和设计的企业在市场中具备核心技术竞争力。（二）中游分析中国MEMS压力传感器行业产业链的中游环节参与者为传感器制造及封装测试企业，对于MEMS压力传感器产品而言，传感器制造和封装测试成本占产品总成本70%以上，其中封装测试成本占比最大，超过40队因此，降低产业链中游生产成本是降低传感器总成本的关键。1 .MEMS压力传感器制造企业具备MEMS压力传感器制造能力的企业分为采用IDM模式的大型企业和晶圆代工企业。其中，晶圆代工企业又可分为纯MEMS代工企业、传统代工企业和I

15、DM代工企业：纯MEMS代工企业即仅提供MEMS传感器制造服务的企业，该类企业提供代工服务的特点为产品生产批次多但批量小，可为上游众多小规模传感器设计企业提供代工服务。纯MEMS代工企业的优势为代工效率高，具备标准化的工艺模块因而开发周期短、MEMS技术储备丰富，劣势为产能较低、客户规模相对较小。纯MEMS代工的代表性企业包括teledyneIMT和中国本土企业耐威科技子公司SiIeX等。传统代工企业即传统的半导体集成电路代工企业，该类企业产品生产批量大，多为下游大规模企业客户提供代工服务。传统代工企业的优势为产线多、产能庞大、大型客户资源多，劣势为缺乏MEMS技术积累因而开发周期长。传统代工的代表性企业包括台积电、格罗方德和中芯国际等。IDM代工企业，基于提高产能利用率和拓展业务收入来源等角度考虑，采用IDM模式的大型企业亦为上游客户提供传感器制造代工服务，该类企业的客户是与IDM企业自身业务无利益冲突的传感器设计企业，因此IDM代工企业的产品种类较少。IDM代工企业的优势为技术成熟、可为客户提供从设计到制造再到封装测试等环节的全套解决方案，劣势为潜在的利益冲