基于倒装芯片技术的小尺寸温度-压力集成传感器
2024-07-28 22:17:16 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究工作巧妙地利用倒装芯片技术制备出性能优异的小尺寸温度-压力集成传感器。该集成传感器有望在汽车检测、工业设备、石油钻井平台等高端设备的故障诊断和安全监测领域得到广泛应用。
随着液压技术不断向小型化、高可靠性和智能化方向发展，高性能温度和压力集成传感器的需求也在日益增长。然而，目前基于平面晶圆或芯片级集成的设计在压力范围、芯片尺寸和可靠性方面仍存在局限性。
据麦姆斯咨询报道，近期，西安交通大学蒋庄德院士团队提出一种基于倒装芯片技术的小尺寸温度-压力集成传感器。该传感器分别采用压敏电阻和铂薄膜电阻作为压力和温度感应元件，压力和温度单元垂直排列，并通过硅通孔（TSV）和金-金热压焊工艺实现紧密结合，从而确保了传感器电气连接并节省了平面空间。经实验证明，该集成传感器具有优异的灵敏度、线性度和可重复性。相关研究成果以“Small-size temperature/high-pressure integrated sensor via flip-chip method”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上，论文通讯作者为西安交通大学助理教授韩香广和夏勇。
这项研究提出的基于倒装芯片技术的无引线温度-压力集成传感器，其压力单元和温度单元通过TSV和金-金键合工艺纵向连接，减小了横向尺寸，避免了两个单元之间的信号干扰。压力单元采用简单可靠的平膜结构，对背面施加压力，有效降低了对压力介质的要求。圆角设计增加了固有频率。选用化学性能稳定、精度高的铂电阻作为温度单元。采用焊球代替传统的金属球焊接，有效提高了传感器电气连接的可靠性。
图1 基于倒装芯片技术的温度-压力集成传感器结构和电信号传输
图2 温度-压力集成传感器中压力单元的应力分布和固有频率
图3 温度-压力集成传感器的制造工艺、芯片集成和封装
研究人员搭建实验平台对该温度-压力集成传感器进行了性能测试。结果表明，该集成传感器的压力单元在0 ~ 20 MPa范围内的灵敏度为7.97 mV/MPa，线性度为0.16% FS。在-40 ~ 120℃范围内，滞后为0.04% FS，重复性为0.06% FS，基本误差为±0.23% FS，精度为0.18% FS，零时间漂移为0.04% FS，热敏漂移为-0.20% FS。温度单元中铂电阻温度系数（TCR）为3142.997 ppm/℃，测量误差小于±1℃。
图4 温度-压力集成传感器的性能测试
这项研究工作巧妙地利用倒装芯片技术制备出性能优异的小尺寸温度-压力集成传感器。该集成传感器有望在汽车检测、工业设备、石油钻井平台等高端设备的故障诊断和安全监测领域得到广泛应用。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00723-3
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