解析压力传感器核心技术，共创智能化时代美好蓝图
2022-05-31 11:20:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

压力传感器是微系统世界里第一个出现的商用MEMS器件，被广泛地应用于消费电子、汽车电子、工业控制、生物医疗、航天航空和国防领域。基于MEMS技术的硅基压力传感器是低压应用的首选，具有低成本、小尺寸、易量产等特点。近些年，随着材料科学、微纳制造和柔性电子的发展，压力传感器新产品不断涌现，并持续拓展新应用（例如TWS耳机、电子烟、智能眼镜、电子皮肤），为智能化时代发展助力。

为了给广大压力传感器领域从业者提供一个学习与交流的机会，麦姆斯咨询于2022年4月开设了为期三天的线上培训课程《第41期“见微知著”培训课程：压力传感器核心技术》，邀请了多位来自科研院所和企业的压力传感器领域专家，针对多种类型的压力传感器核心技术及应用进行全面讲解，并利用COMSOL Multiphysics软件开展仿真实战。

主题课程一：压阻式压力传感器

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员 李昕欣

低成本、高性能的小型化压力传感器一直是消费电子市场不断追求的目标。研发高良率的单片集成工艺来制造更小且更高性能的MEMS芯片是其中一种解决方案。中科院上海微系统所李昕欣老师课题组利用独创的无疤痕微创手术（MIS）制造出超小型压阻式压力传感器，达到了单晶硅MEMS三维多层次结构加工能力的空前水平。在《压阻式压力传感器》课程中，李老师首先介绍了压阻式压力传感器的工作原理及特点；然后，阐述了压阻压力传感器制造工艺的演变过程，并着重介绍了自主研发的MIS工艺细节，阐明了其工艺实现的要点及成本优势；最后，李老师分享了其研究团队开发的可穿戴式多通道脉搏监测系统，展望了压阻式MEMS压力传感器市场的发展和应用前景。李老师指出，国内MEMS压力传感器市场的发展有赖于对国际先进技术的不断学习和自我革新，只有不断打破原有框架，才能探索出一条可持续发展的创新道路。

主题课程二：电容式压力传感器

老师：沈阳仪表科学研究院有限公司 副总工程师 刘沁

电容式压力传感器与压阻式压力传感器相比，具有灵敏度高、温度漂移小、低功耗等优点，尤其适合用于小量程压力测量。沈阳仪表科学研究院刘沁老师一直从事硅基压力传感器基础工艺及装备技术研究，技术背景与产业经验丰富。在此次《电容式压力传感器》课程中，刘老师从工业传感器入手介绍了国内传感器的发展现状，指出了其存在的产业化困难等核心问题。接着，刘老师详细介绍了电容式压力传感器的工作原理、优缺点，并阐明了不同类型硅电容式压力传感器设计、关键制造工艺以及相关系统和设备。课程最后，刘老师指出，国内MEMS工业传感器的发展虽然成绩出色、前景光明，但仍面临一系列突出问题，尤其是“有器无芯”的现状亟待解决，否则会严重威胁工业传感器的发展。

主题课程三：离电式压力传感器

老师：中国科学技术大学苏州高等研究院 长江学者、讲席教授 潘挺睿

中国科学技术大学苏州高等研究院长江学者、讲席教授潘挺睿老师及其团队成员共同开创了全球最新一代触觉传感技术——柔性离电子传感（FITS）的研究，目前已经将该技术成果成功产业化。以该项技术为核心创办的高科技智能传感企业TacSense（钛深科技），现已发展成为触觉传感领域的领军企业。柔性离电子传感具有极高的灵敏度、分辨率和信噪比，可实现各类基材的触觉智能升级。此次《离电式压力传感器》课程中，潘老师为大家详细揭秘了离电式压力传感器的“前世今生”。潘老师首先介绍了离电式压力传感器的基本知识，并与前三代压力传感器包括电容式压力传感器、压阻式压力传感器和压电式压力传感器进行了对比分析。接着，潘老师结合其科研成果——包括超级离电纤维领域的织物和离子感应纸技术、可穿戴健康领域的动脉血压波测量器件、健康监测鞋等，对离电传感器的发展和应用前景进行了系统地讲解。

主题课程四：谐振式压力传感器

老师：中国科学院空天信息创新研究院 研究员 王军波

中科院空天院作为国内率先开展谐振式MEMS压力传感器研究的机构，经过持续深耕专研，实现了高精度硅谐振压力传感器的自主创新，在航空、气象、计量、光刻机、武器等领域实现了批量应用。本次课程中，来自中科院空天院的王军波老师首先为大家全面介绍了谐振式MEMS压力传感器的基本构成、工作原理以及特点分类。接着，王老师对国内外多种压力传感器技术路线和主要性能指标进行了对比，重点解析了英国德鲁克（Druck）、日本横河（YOKOGAWA）、美国霍尼韦尔（Honeywell）等公司的多款技术领先的压力传感器产品在设计、制造工艺、封装等方面的路径，并对比了各种产品的优缺点，为学员开拓思路，并寄希望国内市场能够在借鉴和学习国际先进技术的基础上实现超越和突破。

主题课程五：MEMS SOI压力传感器

老师：东南大学 教授 黄晓东

普通的硅基压力传感器在工作温度超过120℃时会失效，从而导致压力测量失败。为了解决高温环境下的压力测量问题，以绝缘体上硅（SOI）、碳化硅、蓝宝石为代表的材料获得应用。其中，MEMS SOI压力传感器具有耐高温、抗辐射、稳定性好等优点。本次课程中，东南大学黄晓东老师对比分析了压阻式、电容式、谐振式等各种MEMS SOI压力传感器的特点及性能优势，并进一步讲解了注氧隔离技术、键合技术、注氧键合技术、智能剥离技术等SOI关键制备技术。黄老师指出，MEMS SOI压力传感器的发展，其性能提升是永恒的主题。目前可以实现的路径包括：借助新型材料、结构和工艺，不断改善传感器温区，提升器件性能；通过多物理量集成，多功能、多参量感知与融合，提升器件精度并获取更多参数信息；通过将传感器与人工智能、物联网、大数据等信息技术深度融合，推动器件朝向更加系统化、网络化、智能化的方向发展。

主题课程六：智能触觉传感技术

老师：华东师范大学 教授 吴幸

智能触觉传感器是模仿人类触觉系统而制造的一类传感系统，在智能识别、人机交互、智能设备、汽车电子等领域应用前景广阔。本次课程中，华东师范大学吴幸老师从触觉机理、触觉传感器发展历程、国内外市场现状等角度出发，为学员们做了全面梳理。结合其团队近些年开展的多项研究成果，吴老师详细讲解了原位表征技术与柔性压力传感器微观结构模型、基于柔性压力传感器构筑的低功耗手部触觉系统及人体机械触觉系统的原理和应用场景，并介绍了具有低功耗架构的智能触觉传感技术——近传感神经网络芯片在人体生理信号采集、传输、分析和融合方面的设计开发路径。展望未来，触觉传感器将朝向更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化的方向发展，其适用边界也将极大拓宽。

主题课程七：压力传感器封装

老师：苏州捷研芯电子科技有限公司 副总经理 王建国

封装工艺对压力传感器产品的一致性、可靠性和良率至关重要，是产品成功实现商业化的关键前提，由于压力传感器种类繁多、应用领域多样化，封装方案也千差万别。本次《压力传感器封装》课程，苏州捷研芯电子科技有限公司王建国老师以消费类MEMS压力传感器为例，系统梳理了封装设计要点、关键工艺、封装设备及封装可靠性测试等方面知识，并结合其自身产业背景和技术经验，悉心解答了学员们在实际封装操作中遇到的难题。最后，王老师对压力传感器封装技术发展趋势进行了展望：伴随着MEMS压力传感器应用场景的多元化发展，封装方案需不断满足产品的多样化和定制化要求；此外，在推动产品尺寸微型化的道路上，通过多传感器协同和系统集成封装提高器件的集成化程度，并不断降低成本，也将成为必然趋势。

主题课程八：压力传感器测试

老师：苏州敏芯微电子技术股份有限公司 技术总监 肖滨

压力传感器在工业、消费等各个领域应用广泛，为了衡量压力传感器的性能，对其相关参数进行测试十分重要。常规的测试项目主要包括静态性能试验、动态性能测试、影响量试验、电气性能测试等。本次课程，来自苏州敏芯微电子技术股份有限公司的肖滨老师，以《GB/T 15478-2015压力传感器性能试验方法》为蓝本，为学员全面梳理了压力传感器测试方法、可靠性测试及失效分析等知识，并详细介绍了车规级传感器标准AECQ100以及压力传感器测试系统。结合其十余年MEMS压力传感器芯片设计和产品开发经验，肖老师分享了在压力传感器测试方面的经验与心得，并总结了压力传感器量产效率提升的有效办法——提高单位测试数量、降低单位测试时间。

主题课程九：压力传感器仿真实战

老师：COMSOL 应用工程师 钟振红

压力传感器的设计与仿真是一项极富挑战的工作，借助COMSOL Multiphysics可以轻松耦合多物理场，进而便捷地测试压力传感器的性能并获取精确的分析结果。本次《压力传感器仿真实战》课程中，COMSOL应用工程师钟振红老师首先针对各类常见的压力传感器及其工作原理做了系统介绍，包括电容式、压阻式、压电式、谐振式、MEMS光纤和离电式等压力传感器类型。在仿真演示环节，钟老师结合具体案例详细讲解了如何利用COMSOL软件对各类压力传感器进行耦合建模，着重演示了边界条件、激励条件、域条件等设置技巧，并分析了残余应力、温度及湿度等条件会对器件性能造成的影响。通过生动的讲解和直观的仿真演示，学员更加深刻地理解和掌握了如何利用仿真软件不断优化产品设计，提升产品综合性能。

至此，《第41期“见微知著”培训课程：压力传感器核心技术》圆满结束，感谢各位授课老师与学员共同参与了本期精彩纷呈的“云课堂”！麦姆斯咨询秉承精益求精的精神，持续优化线上和线下培训课程，为MEMS产业发展锦上添花！