压力传感器及信号调理芯片的技术市场及工程实践

作者/ 王莹 《电子产品世界》编辑 (北京 100038)

摘要：在“2016工业压力传感器高峰会议”上，部分企业及机构介绍了工业压力传感器的技术市场、设计、制造、工艺及产品动向。

MEMS压力传感器的行业状况

　　重庆德尔森传感器技术有限公司运营总裁牟恒博士介绍了MEMS(微机电系统)压力传感器的历史和现状，技术设计和制作工艺，及在行业的应用状况。

　　1 历史和现状

　　压力传感器有传统的压力式传感器;另一大类是MEMS传感器。

　　传统的机械量式的传感器可以是金属或陶瓷，也有蓝宝石和其他各种材质，并在这类材质上布电路、做电容、做电阻……，以带来电信号的变化。

　　MEMS传感器是随着IC(集成电路)技术的发展而兴起的。它的原理与机械量式相似，只是从材料和加工工艺上借鉴了很多集成电路的技术和制造工艺，把集成电路的光刻、光罩、沉淀等工艺做在了传感器上，还可以把一些运算和ADC集成在一起。

　　历史上，MEMS技术起步较早，最早是美国霍尼韦尔公司比较领先。最早史密斯先生(C.S. Smith)于1945年发现了硅与锗的压阻效应，这就可以和传统的机械式压力传感器有相似的特性。随后，霍尼韦尔最早做了微压传感器，起先用在电子方面，涉及到军工的压力传感器。扩散微技术可以很方便地把电阻、接线片等在硅的晶圆片上进行加工。后来为了提高灵敏度，开始在硅的背面加工成凹形，这时就有了硅杯结构。

　　MEMS传感器在上世纪七八十年代主要还停留在实验室阶段。80年代后期到90年代，随着半导体加工工艺越来越成熟，镀膜技术、光刻技术还有异形加工等可以对硅片在各个方面进行加工，使MEMS传感器可以进行商业化的生产，量产化的产品出现。从90年代开始，纳米技术提升了MEMS商用化的可能性，因为之前的硅传感器尺寸做得还是比较大的，和陶瓷相比没有太多优势。随着纳米技术的出现，可以在微米级的薄膜厚度上操作。有这样的加工工艺之后，就可以从4英寸开始，到6英寸、8英寸，直接加工成各种各样的MEMS硅材质、复合硅、压力硅。在MEMS产品中，压力相对是比较难做的一类。

　　我国对MEMS技术也很重视，从1989年开始立项，研究MEMS产业化。特别是十五规划将MEMS计划也列入863重大专项，国家每年有十几亿元投入到MEMS中。到目前为止，国内的MEMS研发机构较多，但是目前可能还是依托于以前的军工院所，例如49所、13所，包括沈阳工艺研究所等，同时各大高校，诸如北京大学、清华大学、重庆大学等有自己的MEMS研究实验室。我国也在建纳米城，建MEMS研发平台。因此，我国目前在微机械部分有一定的竞争力。现在一共是1600多家，接近1700多家MEMS厂家，压力类估计有七八十家。因此，我国已经具备一定的MEMS的微机加工能力。

　　国内IC代工厂的快速成长对MEMS行业也有很大的助推，诸如台积电(TSMC)和中芯国际(SMIC)等厂家。因为MEMS技术和IC技术是融合的，现在有一些IC厂家也在做转型，从IC向MEMS转型。

　　但是也出现了一些问题，我们的理论研究水平和国际相比相差不大，即产业布局、MEMS理论和硅杯结构的能力还是不错的，但是我们还有三个方面落后：1)工艺设计、制造技术和产业化推进。例如我们画一张图纸可以，但是要按图把它加工出来有一定的难度。2)测试技术，例如晶圆测试和美国、日本、德国有差距。3)产业化推进，需要更多的会议/展会，更多地和用户共同开发产品。德国的经验是：德国有四大院所系统，模式是和企业合作，而且向企业收费，即更加市场化。四大院所研发的产品、做的工艺都是为企业服务的，因为企业不可能建这么大的平台。

　　2 我国的MEMS技术工艺和制造特点

　　国外的MEMS已经形成了规模和实现了量产。我国目前还是比较分散的，相对地没有几家在芯片级做得比较可靠。究其原因就是在技术工艺和制造上。

　　关于技术工艺和制造，本文介绍两点：传统的MEMS工艺、SOI(绝缘层上硅)的简单工艺。实际上就是把IC工艺和微系统加工工艺的结合，其中用到了很多在IC方面的工艺手段，例如光刻。如果是SOI要进行高温氧化，还有一层层往上生长、注入。有一点区别是，原来IC工艺大部分是属于二维加工，但是MEMS的加工大多数属于三维加工，所以MEMS的工艺难度和复杂度大大提高。

　　关于MEMS的特点，行业内有一条法则：一类产品，一个生产流程，一种组装方式。不像IC，IC还有摩尔定律可循，IC能把一个复杂的设计做成标准的工艺化，所以IC上批量很快，甚至有人称卖IC和卖白菜差不多，因为IC已经工艺化和模块化了。但是MEMS还是各自为政的状态，压力、加速度、位移等每种结构都不一样，有独特的封装模式。

　　我国MEMS在三方面落后于国外先进水平，尚需提高。

　　第一，设计。难在不是设计本身，而是验证设计。例如压力有一对相对的矛盾，传感器的灵敏度和过压是一对不可调和的矛盾，例如我做成15mm或者是18mm的，它的灵敏度高，但是过压又差了，这些过程如何在设计时就可以判断、分析出来?因为MEMS流片的成本较高，如果我们设计得不到位，会提升前期研发成本。这就需要很多的模拟仪器设备，这类模拟设备在全球比较少，生产厂家也往往是定制化的。因此希望政府或联盟有这样的测试和分析的设备平台。例如在德国的科研院所或高校有为数不多的几台，是公开供企业或个人使用的，只要你愿意承担费用，而且里面的技术人员会告诉你如何测试，会验证你的设计思路。

　　第二，加工和代工。德尔森一年前刚刚回到中国，选择了江苏，因为江苏是芯片制造和MEMS较大的代工基地。然而当前的问题是国内尽管目前单体设备挺好，但是还没有连成线、批量生产，即没有在生产状态，也就是加工的经验和工艺方面并不成熟。可见，我国的代工厂主要集中在IC代工，成熟的MEMS，特别是MEMS压力传感器的代工厂在国内还缺乏。

　　第三，封装。虽然这属于后工艺，但是在IC行业的封装已经很成熟了，一个IC封装的成本可能就几分钱，因为IC的封装对信号的影响不大。但是如果是传感器，尽管它是水平后道工艺，但是其封装会对传感器起到决定性的影响。例如压力传感器的封装是封装在什么金属及什么样的温度，这对于它的特性有影响。所以我国的一次封装技术还是处于初级阶段，一些工厂的封装还处于半自动状态，大部分是靠人的经验做，这样会影响传感器的一致性。

　　3 工业MEMS压力传感器的三个趋势

　　第一，集成。会把更多的器件集成在传感器上，让传感器更加智能化。但是这个过程会有一个矛盾，德尔森也做过这样的尝试，把一个温度二极管做在了传感器里，后来不用这个温度二极管了，因为用了以后会对压力测量产生影响或波动，做工业级也许没有问题，但是如果做PA(过程自动化)，特别是做差压的时候会有影响。所以“集成”应该是两个方向，在一些特定的行业，例如汽车、船舶或工业设备上集成度越高越好，这样体积越小、成本越低。但是对于过程控制、流程控制等PA级应用，测压力的应该是独立测压力的，希望在封装的时候做到集成化。例如德尔森做的硅杯封装，会把集成电路直接封装在里面，它已经做到数字化输出，在小小的泛15mm、泛18mm、泛19mm的硅组模块里做到数字化输出。同时，芯片对压力信号的特性不影响。

　　第二，灵敏度。预计未来三五年压力MEMS传感器会进入红海市场。但是国内的企业和博世、霍尼韦尔这样的公司竞争还有一定的差距和难度。当然，本土企业也有自己的优势，所以本土企业可以往一些特定行业发展，诸如微压力、微差压等方面的芯片传感器，因为它的附加值较高，这就需要改变它的结构，例如增大桥阻值，同时还要做到微量程的过压性能，例如船舶、汽车等行业。船舶级别验证必须要求过压。

　　第三，面向高温型或者是宽温区的MEMS传感器。让MEMS技术和SOI工艺结合，把MEMS的天生缺陷补足。因为一般的适用温度是150℃，现在SOI的瓶颈是到600℃，600℃以上单晶硅材质本身就变化很大。另外还有封装工艺的问题，也是一个课题。

　　4 MEMS传感器的应用

　　MEMS的应用和差压传感器是比较广泛的。

　　第一，传统的PA和FA(工厂自动化)。我们补充传统电容、补充陶瓷，因为MEMS的差压有很好的一致性和稳定性，特别是单晶硅材。横河仪表宣传7年不需要校阻，是因为单晶硅本身就有这个特性。除了传统的工业应用之外，另外几块应用也是国内比较关注的，一是船舶及海上作业平台，这方面扩散硅的传感器有一定的缺陷，包括原来的金属式和陶瓷式在这些应用上有缺陷，所以MEMS在船舶、海上作业上可以有更多的智能化，信号更好处理，而且可靠性更强，因为这些地方的调试和维修成本相当高。

　　第二，汽车与机修设备。汽车的机械部分已经发展得比较成熟，下一个十年主要竞争是在电子部分。汽车的MEMS传感器从加速度、陀螺、位移、胎压、油管的进/出量等都已经采用MEMS传感器，现在博世、英飞凌和森萨塔等公司垄断了这块市场。

　　第三，物联网、医疗卫生、环境技术和能源管理等，也可利用MEMS传感器高集成度的特性，和互联网相结合。例如德尔森最近获得了农业方面的订单，需要对农业信号进行集中采集，特点是传感器越小越好。

　　5 德尔森单晶硅

　　MEMS压力传感器

　　第一，如果做高端传感器，建议采用高纯度的单晶硅材质，材质的纯度越高，稳定性包括温度影响都越小，而且建议不要采用硅玻璃方式，硅玻璃的成本比较低，但是玻璃的温度特性和形变特性与硅有一定的差距，所以建议采用全硅的硅杯。有多种的建核方式，用硅杯建核力度不够，或者是微玻璃硅，被称为三明治式硅。单晶硅整体性能会与复合硅和扩散硅不同。

　　第二，德尔森采用的是双梁悬浮式MEMS结构，特点是降低了温度的影响，提高了阻值。德尔森的产品阻值是10kΩ，可谓业内最高。阻值高了以后灵敏度增加，噪声降低，但是阻值也不能太高。德尔森试图做30kPa，但是发热量有一点大。

　　同时德尔森产品从外形结构上一共有6款芯片，现在都已批量生产。标准量程从最小的1kPa开始，做到了最小，这不是把芯片磨薄做小量程，这里的1kPa做压缩的时候压缩比也保证了，使精度不会损失太多，并且可以提高稳定性和一致性。

　　另外两个特点。德尔森的涡压特性做到最好，特别是在小量程，包括中量程，像1kPa是背向过压，因为正向过压会更好，间隔点是薄弱点，背向过压达到了1500倍，可以到1.5MPa，4kPa可以到2.5MPa，40kPa可以到4MPa，这样对于微量程的应用，无需中芯的保护机构。因为机械的中芯保护结构会影响传感器特性，所以芯片本身的特性好。第一本着德国风格要皮实，第二结构简单，可降低工艺成本和制造成本。长期稳定性可以看到温度变化下的回差，40kPa可以做到十万分之七和十万分之二的精度。所以除了工业应用外，现在也在往实验室仪器级的等级去做。德尔森也有离散型测试，而且是整个批量测试的结果来保证产品的一致性。

好产品不仅是制造出来的，更是测试与管理出来的

　　北京康斯特仪表科技公司总工程师赵士春介绍了其传感器应用和智能制造的经验。

　　康斯特做智能制造和互联互通的标准化有十多年了，认为互联互通的标准化是智能制造的基础，大研发是智能制造的基本保证，信息化和自动化是智能制造最明显的特点。

　　康斯特仪表在很早以前就意识到通讯标准和智能化仪器仪表对未来生产制造的影响非常大，所以在2003年制定了第一个产品的通讯协议标准，后来修订过一次。有了这个标准以后，可以做到所有生产的产品可在一个生产制造平台进行智能化制造。

　　第二，大研发是智能制造的一个基本保证。这些年康斯特从几个人到现在的70多人，智能制造的人才更多，对产品要求更高。并不是所有的产品随便设计就可以达到智能制造的标准，这个产品应该具备以下特征，才能够实现智能制造。

　　1)高度的设计可靠性，因为产品的可靠性更多来自于设计。

　　2)适合智能制造的结构设计。

　　3)成熟的制造工艺流程。

　　说白了，是要在生产过程中保持不变，如果经常改的产品肯定不适合智能制造。

　　第三，产品的设计智能制造的要求是要有合理的部件划分，因为这些部件的划分要体现出智能制造的要求。

　　1)尽量标准化的物理接口和电气接口。

　　2)标准化的内部通讯协议(如果有的话)。

　　3)符合物料信息化管理的需求。

　　4)可以通过工装，进行自动化测试及质量评定。

　　有了智能制造以后，所有的组件部件在生产过程中都要保证其可靠性，也就是每一个部件都要做到可以测试和可以控制，而且需要在设计结构的时候，就要把这些考虑进来，这样对结构工程师和系统工程师的要求非常高，工作量非常大。结构设计的要求增加了工作量和难易度，这意味着你需要更多的工程师和水平更高的工程师。

　　对于智能制造关键的部件，康斯特要自己去设计专用的测试工装。

　　关于成熟的制造工艺流程，一个是PCBA通用的生产工艺，做校准的一般满足不了康斯特的工艺要求。第二是压力传感器的处理工艺，也就是应用方法，如果想把压力传感器用好，一定要知道压力传感器的所有特性，因为康斯特是做校准产品的，每一支压力传感器入厂后都要对它所有特性进行测试，后面的工序是根据测试数据进行针对性工作，这个工作量很大。

　　第四，信息化与自动化是智能制造的明显特点。除了采用自动化设备，康斯特现在还有ERP(企业资源计划)系统，即把很多信息流通过计算机装起来。未来目标是用户下订单，通过ERP系统能走到产品线。这就等于智能制造。

到国际舞台去竞争

　　西安中星测控有限公司技术总监郭和平分享了该公司多年来在压力传感器国际化上的经验。

　　1 为什么要进入国际市场?

　　中国虽然现在在全球GDP里占10%左右，但也要看到全球90%的市场。所以中星测控在2005年时决定进入全球市场。

　　进入国际市场对国内企业在十年前是一件非常艰难的事，当2005年中星测控第一次参加德国的纽伦堡传感器展时，那时中国只有中星测控一家去参展，参展时，有人认为中星测控是疯子，中国的产品怎能拿到国际上卖!确实这个人说的是对的。为什么?中星测控去了以后才看到产品的差距，从性能、外形到相关的资料以及竞价和国际上格格不入。通过这次参展，中星测控收集了一些客户信息。国外对中星测控的评价是做工粗糙、性能不稳定、价格尚可、服务一流，产品的基数和质量元素匮乏。总之，无法满足国际市场的要求。

　　经过十年努力，到2016年为止，中星测控的传感器在国际上的销售额远远大于国内的销售额。而且和国外公司合作，给他们做OEM(原始设备制造商)，比如空调制冷行业，中星测控与美国、挪威和丹麦的公司合作，给他们做OEM。通过合作提高了产品的全方位性能。和艾默生合作提高了中星测控设计能力、生产能力和质量控制能力。在压缩机等行业，五六年前几乎被国外市场垄断，在2009年，中星测控进入这个行业时，清一色是丹麦某公司的产品，国内几乎没有一家，到现在为止，国产压缩机是主流，国外是少量，这也是国内的一些企业这么多年努力的成果。

　　2 进入哪些国际市场?

　　有些市场在短时间内可能没有机会。例如，森萨塔做的汽车行业，国内企业在十年之内可能很难竞争，除非有大投入或者请一些高水平的设计人员，才有可能在局部竞争。因为森萨塔拥有品牌、质量、价格方面的优势。

　　2009年中星测控想做汽车传感器时，曾绕了很大一个弯：找了一家汽车发动机厂的总工，还是总工的上级给介绍的。去了多次，每次总工都热情交流，去得次数多了，最后总工不好意思地劝中星测控不要再来了。因为一部发动机卖4万多元，一个传感器120元，他担不起这个风险。虽说传感器在这里面的价格不高，但是一旦出了问题可能就是要命的事。总工首先对中星测控的品牌不信任，因为在汽车行业还有一个非常重要的指标是安全性。你在什么地方做，在什么地方用过，你能不能提供一些证据?但是中星测控拿不出来，就没法进入。这是国外品牌的优势。

　　当然国外品牌也有劣势。因为一般国外公司很大，不可能给小客户做单，而且要审核你的资质，我国一些企业刚刚起步，也用不了多少量，大公司可能不会给你专门研发或配套一个产品。这刚好给中星测控这些刚进入行业的企业一个机会。

　　再就是国外大企业的研发队伍的战线比较长，研发的成本较高。国外公司质量控制很严格，换任何一个零部件都要申请，得到批准才可以。大公司更换产品时，也要看对其利益有没有影响，如果对其长远利益可能有影响，就不换了。

　　另外，工业市场的需求千差万别，接口有几十种，甚至是上百种，外形各式各样，大公司也不可能全部覆盖到，中星测控就找这些市场机会。

　　3 保证质量

　　要进入国际市场靠什么来赢得客户的信任?和所有产品一样，只有质量。当然有一些对市场理解肤浅的人认为是关系，这是一个扭曲的理解。例如，国外很多公司本身就不在中国，哪来的关系?是靠品牌和质量来进入。质量差，顾客就会抱怨，就会失去顾客。你的质量好，满足顾客的要求，顾客就会再一次购买。如果你的质量很好，远远超出了顾客的预期，就会提高顾客的忠诚度，如果客户有需求的话下一次肯定考虑你。

　　那么怎样把质量做好?这就需要一步步地分析产品。质量对于一个企业来说有两个层面：管理层面和技术层面。从用户角度来看就是这个产品好不好。

　　第一，管理层面，包括价格、供货时间、发货方式、包装方式、付款方式等。例如中星测控有一次给中东客户发货，被退回来了，原因是包装的外形要有圆形元素，例如桶状。因为一些中东国家喜欢圆形，例如他们的房子、门都有圆形元素，相反不喜欢有棱角的。当然顾客所有的不满意归根到底就是不符合质量要求。

　　第二，技术层面。有一些是显性的，例如基本的参数。还有很多是隐性的。做的时候必须要熟悉，所以要知道客户在什么行业、什么环境下应用。例如用在汽车上，你拿船舶的标准给他用，他也可能用，但是太大。再例如你的功能可能有很多的冗余，诸如汽车上装一个有防雷功能的产品，但是汽车不需要防雷。汽车上的线总长也不会超过5米，但是你给了一条30米的防雷线，也没必要。即在设计的过程中要了解每个客户的现场环境，选择最佳方案给他们，一是满足客户的要求，再一个对生产企业来说成本也是最低的。

　　质量贯穿产品的每一个环节，在任何一个环节出现问题都会导致最终产品质量的不合适。

　　做传感器的人都清楚，传感器不太大，做出来容易，但要做好的确很难。因为压力传感器是机电一体化的元件，里面涉及的内容很多，诸如力学、材料、电路、环境适应性等，对于一般人或学校老师，他们可能只注重基本参数，但是对于做传感器或设计传感器的人来说可能更重要的是要考虑可靠性、维修性、保障性、环境适应性和测试性。传感器的基本参数可能在中星测控的传感器设计里面占的工作量，不到5%，其他的比重是测试安全性、环境试验性等方面。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第7页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。