MEMS传感器封装解析

相对于压力传感器而言，MEMS压力传感器是一个比较新的技术分支，其拥有多种性能优势，包括无机械疲劳或老化、输出信号稳定、灵敏度高、体积小、适合批量大规模生产等。就体积而言，其封装可以做到1mm x 1mm，甚至更小。另外，低压应用封装结构灵活，可实现晶圆级封装，可与ASIC单片/系统集成，这些优点也使得其得以迅速崛起，到现在已经基本成熟起来。

但是在生产和应用过程中，MEMS压力传感器的缺点也表现地较为突出。例如MEMS晶圆芯体生产工艺相对复杂;在不锈钢充油和倒装焊技术中，中高压封装成本较高等。

主流压力传感器按照检测原理和器件结构基本可以划分为：不锈钢微熔传感器、陶瓷/电容式传感器、压阻式传感器及电容式传感器。而MEMS技术主要用来替代传统的压阻式和电容式传感器。由于压阻式压力传感器具有核心简单、信号处理简单、可靠性高等优点，“简单好用+便宜”使得压阻式占据了大部分的市场份额，电容式仅有很小的一部分。主流压力传感器的市场状况如图1所示。

图1 主流压力传感器市场划分（根据检测原理及结构）

虽然MEMS传感器在替代传统的传感器器件，但是不锈钢和传统的陶瓷类技术仍然占有较大的市场份额。其主要原因是MEMS的封装技术至今仍无法突破，这对MEMS传感器进一步推广和应用形成了很大的阻碍。

MEMS传感器芯片需要针对封装进行特殊优化

可以说，一个好的芯片只有拥有好的封装才算拥有“不死之身”。就作用而言，封装主要解决以下几个问题：

1）腐蚀和导电性介质的兼容问题;

2）高温介质;

3）振动，包括尖峰压力/爆破压力、大电压冲击、封装（热）应力等。

目前，针对MEMS传感器主要有三种主流的封装方案，即MEMS+硅凝胶、扩散硅-不锈钢充油和倒装焊，三种封装示意图如图2所示。

图2 三种主流封装方案

MEMS芯片设计都需要考虑封装，甚至针对封装进行特殊优化。图3给出了几个较好的针对封装进行特殊优化设计的MEMS芯片方案。其中，上面采用了玻璃仓加硅模的方案，特点是电阻处于真空中，抗环境干扰能力强，稳定性好;下面是三家主流厂商TSV和TGV倒装焊结构，其特点是没有Wire bond、抗振动冲击，同时，有些技术方案中应用了SiO2介质隔离，从而能够适应高温环境。另外，据盾安传感科技公司技术总监段飞表示，盾安传感科技自主研发设计的一款MEMS芯片中也针对封装进行了特殊优化。

图3 针对封装对MEMS芯片进行特殊优化实例