高性能MEMS压力传感器设计、制造和封装方面的进展及趋势

压力是流体内部测量的基本参数之一，其对流体控制和设备状态监测至关重要。因此，压力传感器在汽车、医疗和航空航天等领域有着广泛的应用。通过精确的压力测量，可以准确监测设备状况，预测潜在的故障。过去几十年来，随着智能仪器仪表的不断进步，人们对压力传感器满足更严格要求的需求日益增长，其中包括：更高的精度、增强的环境适应性、更精细的分辨率以及更小的芯片/封装尺寸等。压力传感器可以根据传感机制分为压阻式、电容式、谐振式、压电式等。

MEMS压力传感器具有诸多优势，包括易于批量生产、小型化、成本效益以及易于制造复杂结构的能力等。因此，MEMS压力传感器的市场份额越来越高。过去二十年来，MEMS传感器技术在原理、理论、设计和制造技术（例如体硅蚀刻、薄膜制造和低温键合）等方面的进步，促进了压力传感器的快速发展和多样化。采用创新技术和封装方法的新型压力传感元件，提供了更高的测量精度、微型化的尺寸以及更宽泛的温度适应性。此外，第三代半导体材料、石墨烯和纳米线等新兴材料在压力传感器中的应用进一步提高了其性能。

MEMS压力传感器相关趋势包括：更高的灵敏度、更高的精度、多参数集成、更小的芯片尺寸、更小的封装尺寸以及在恶劣环境中具有更好的鲁棒性等。据麦姆斯咨询报道，近期，西安交通大学的研究人员在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了一篇题为“Advances in high-performance MEMS pressure sensors: design, fabrication, and packaging”的综述文章。该文章综述了多种应用中的MEMS压力传感器，包括微差压压力传感器（MDPS）、谐振式压力传感器（RPS）、集成式压力传感器、微型化压力传感器和无引线封装压力传感器，并分别讨论了它们的工作原理、研究进展、技术难点和发展前景。

尽管通用规格MEMS压力传感器已经成功商业化，但仍存在一些技术难题有待解决。为了详细阐述MEMS压力传感器的发展趋势，研究人员对近几十年来开发的多种典型MEMS压力传感器进行了介绍和分析，给出了上述关键细分领域的主要进展和趋势。

微差压压力传感器（MDPS）

微差压压力传感器通常是指能够测量10 kPa以下压力范围的传感器，这表明压力膜片上的压差通常很小。随着医疗设备的发展，对具有卓越测量分辨率、增强频率响应、缩小尺寸和成本效益的微差压压力传感器的需求不断增长。与其它压阻式压力传感器相比，微差压压力传感器的设计和制造面临着更大的挑战，特别是在确保高灵敏度以及在超薄、低残余应力压力膜片上嵌入稳定的压敏电阻方面。因此，近20年来，许多研究人员从基本原理、材料和结构等方面对其进行了深入的研究。其中，有一项研究工作引入了多种结构，以通过放大应力集中来提高灵敏度。其中，“diaphragm + island + peninsula”结构表现出了卓越的灵敏度。不过，所报道的芯片尺寸仍然较大，在成本效益和小型化方面不够理想。因此，需要通过采用更纤细的膜片和更浅的PN结来进一步缩小芯片尺寸。

高灵敏度微差压压力传感器、片上放大微差压压力传感器、谐振式微差压压力传感器

谐振式压力传感器（RPS）

高精度谐振式压力传感器在航空航天、石油勘探、气象观测、国防军事等领域至关重要。谐振频率检测方法有多种，包括压电检测、电容检测、压阻检测、电磁检测等。目前，石英和硅谐振式压力传感器领域取得了重大进步，在精度、分辨率、尺寸和品质因数（Q）方面取得了显著进展。然而，高压谐振式压力传感器和微压谐振式压力传感器受到的关注较少，这对设计提出了重大挑战。此外，迫切需要提高谐振式压力传感器的频率响应。目前，谐振式压力传感器的频率响应大于100  ms，限制了其在高动态压力测量中的应用。

基于电容检测原理的谐振式压力传感器

基于压阻检测原理的谐振式压力传感器

基于电磁检测原理的谐振式压力传感器

集成式压力传感器

在压力传感器的各种应用中，压力、温度、湿度、振动等参数往往表现出较强的干扰。例如，在热冲击过程中，分立式压力和温度芯片设计存在较大的温度场不均匀性，从而降低了传感器精度。因此，为了减少其它因素对压力传感精度的影响，必须获取原位温度并进行补偿。此外，机器健康监测需要压力、温度、振动等多参数信号，且很多场景对安装空间要求较高，因此，必须开发小型化的集成式芯片。关于集成式压力传感器，“压力+x”传感器的各种组合已经出现，并具有令人印象深刻的紧凑尺寸。这些芯片可以执行实时、原位温度补偿和多参数测量。尽管如此，测量参数之间的相互作用和解耦机制仍然不明确，需要进一步研究以提高准确性。

典型“压力+x”集成传感器芯片：压力+温度+加速度

典型“压力+x”集成传感器芯片：压力+加速度+温度+红外

微型化压力传感器

为了最大限度地缩小压力传感器芯片，研究人员引入了各种制造技术，例如“先进多孔硅薄膜（APSM）”、“Silicon-on-Nothing（SoN）”和“微创手术（MIS）”等，大大降低了压力传感器芯片的面内尺寸和厚度。对于更严格的尺寸限制，例如在更小的血管中，需要进一步创新微型传感器芯片的制造和封装方法。同时，新兴的2D材料和纳米级传感材料（如硅纳米线等），为微米级压力传感器芯片带来了希望。然而，采用这些材料的测量准确性仍有待提高。

超小型压力传感器

硅纳米线压力传感器和微型化石墨烯压力传感器

无引线封装压力传感器

在无引线封装压力传感器方面，倒装芯片（FC）封装传感器已经有效集成到工业和消费电子产品中，大大推动了传感器封装的小型化。尽管如此，封装产生的热应力仍需要进一步缓解。为了适应高温下的无引线传感器封装并确保介质兼容性，有研究设计并改进了集成烧结压力传感器，主要利用玻璃和银浆进行密封和连接。然而，采用烧结方法的压力传感器通常需要更大的芯片，在未来的研究中有待尺寸优化。

倒装芯片（FC）封装压力传感器

总结来说，研究人员在这篇综述中分析并总结了MEMS压力传感器的主要发展趋势，包括已取得的突破、仍存在的问题以及可能的解决方案。受限于文章篇幅，某些MEMS压力传感器类别还没有完全涵盖。因此，有待在后续的专题综述中继续研究。

审核编辑：刘清