基于MEMS的微传感技术

　　摘要：微电子机械系统（MicroElectroMechanicalsystems，简称MEMS）技术是建立在微米纳米技术基础上的21世纪前沿技术。它用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。本文首先介绍MEMS工艺与传统机械加工工艺的区别，阐明只有MEMS工艺才能满足制作微传感器的要求，而传统机械加工已无能为力；其次介绍目前比较成熟的和发展中的MEMS工艺；最后介绍基于MEMS技术的成熟微传感器的原理和应用情况。基于MEMS的微传感器具有十分广阔的应用前景，应该引起科研结构相关政府部门的足够重视。
　　关键词：MEMS，微传感器
　　中图分类号：TP212
　　
　　1引言
　　MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
　　随着我国汽车电子、新型数字消费电子和医疗电子等产业的快速发展，对MEMS传感器的各种新需求和基于该技术的创新不断涌现，MEMS传感器市场面临空前机遇。
　　2MEMS工艺简介
　　2.1MEMS工艺与传统机械加工工艺的区别
　　传统的机械加工工艺如车、铣、刨、磨、钻、镗、主要是物理加工为主，后续以电化学原理为基础所发展的特种加工工艺，如电火花和线切割，其加工精度至多也只能达到IT5级，表面粗糙度至多也只能达到Ra0.2。
　　对于微细加工来说，传统的机械加工已经无能为力。0.1mm直径的钢元上大约只包含20个晶粒。如果刀削加工深度小于晶粒直径，则刀削在晶粒内进行。切削深度为0.1mm时，切削阻力为20～30kg/mm2；当切削深度为50μm时，切削阻力为100kg/mm2；当切削深度为1μm以下的磨削加工，切削阻力急剧增加到为1300kg/mm2，接近于软钢的理论剪切强度1400kg/mm2。微细加工的要求一般在微米以下，由微电子技术发展而来的MEMS工艺有力地推动了微传感器的发展。
　　2.2成熟的MEMS工艺
　　(1)光刻工艺。属于表面微加工工艺。光刻过程如下：在衬底上旋涂光刻胶，掩膜版至于旋涂光刻胶的硅片上，在紫外光下曝光。曝光改变了光刻胶的溶解性，在显影阶段可以选择性的去除光刻胶；
　　(2)刻蚀工艺。是与光刻相联系的图形化处理的一种主要工艺。所谓刻蚀，狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀最简单最常用分类是：干法刻蚀和湿法刻蚀。
　　(3)薄膜工艺。薄膜是指衬底上的一层薄层材料。其厚度是数埃至数微米。材料可以是金属、半导体和绝缘体。制备方法包含气相方法和液相方法。
　　(4)LIGA工艺。是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。运用LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它微制造技术所无法实现的。
　　(5)键合工艺。将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。主要分为直接键合和通过沉积层间接键合。
　　2.3发展中的MEMS工艺
　　(1)化学机械抛光（CMP）工艺。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，在工件表面产生化学反应，改变工件表面材料的化学键，生成一层容易去除的反应膜；工件表面形成的化学反应膜由磨粒和抛光垫的机械作用去除，在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工。CMP是仅仅在20世纪80年代后期才出现在微电子技术中。目前已经逐渐运用于MEMS技术中。通过CMP工艺可以获得高品质从2μm至100μm不同材料的薄膜。
　　(2)深硅刻蚀。该工艺涉及到硅刻蚀和用于硅侧墙保护的聚合物淀积之间的快速切换，分别使用SF6和C4F8作为刻蚀和淀积循环的主要工艺气体。采用切换工序（通常步长为1-3秒）的优点是能够获得单步硅刻蚀方法所无法达到的高刻蚀速率和大的掩模刻蚀选择比。基于Bosch气体切换的深硅刻蚀技术最早用于制造MEMS器件。深硅刻蚀可以实现微细孔径的通孔，硅通孔技术将集成电路垂直堆叠,在更小的面积上大幅地提升芯片性能并增加芯片功能，实现器件的三维封装。
　　3基于MEMS技术的成熟微传感器
　　3.1微型压力传感器[1]
　　微型压力传感器是发展最早，且市场占有率极大的微型传感器。微型压力传感器最早的批量实际应用源于汽车电子产业。一般微型压力传感器采用体硅加工工艺制作。可分为压阻式和电容式。
　　压阻式传感器其敏感单元是“硅杯”。在硅膜上用扩散掺杂法作成4个相等的P型硅的压敏电阻，并用蒸镀的方法制成电极，构成惠斯登电桥。膜片一侧与被测系统相连接，称为“高压腔”，另一侧称为“低压腔”。低压腔可以与大气相连，可通参考气压，也可抽真空。根据压阻效应，当膜片两侧存在压差时，膜片变形。膜上相应各点的应变使电桥上各电阻阻值变化，电桥失去平衡，输出相应电压。从电压大小可推算出所测压力大小。
　　电容式传感器的基本结构是双层平行班电容器：上极板为几个微米厚的薄膜，其材料可为硅、聚合物、氮化硅、金属或者陶瓷薄膜，下极板以硅、玻璃或者其他绝缘性材料为衬底。下极板表面上附有一层厚度为几百纳米的绝缘层。当上极板膜承受的载荷不同时，它的弯曲程度不同。从而电容大小不同。
　　3.2光学微传感器
　　光学微传感以图像传感器为例，其作为摄像机、数码相机的成像器件，举足轻重地决定着图像的质量和性能指标。图像传感器有CCD和CMOS两种，CCD（ChargeCoupledDevice）意为“电荷耦合器件”；CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）意为“互补金属氧化物半导体”。二者的基本作用是完全一样的：都是将不同强度的光线转换为不同幅度的图像信号。[!--empirenews.page--]
　　构成CCD的基本单元是半导体MOS结构（金属一氧化物一半导体）。光栅型就是MOS电容器型，它是在p型Si衬底表面上用氧化的办法生成一层厚度为1000nm－1500nm的SiO2，再在表面蒸镀一金属层（或多晶硅），最后在衬底和金属电极之间加上一个偏置电压，就形成一个MOS电容器
　　目前构成CMOS的基本单元主要是半导体MOS结构和p-n结二极管。半导体MOS结构（光栅型）前面已经有所叙述。光敏二极管型是在p型Si衬底上扩散一个n区域以形成p-n结二极管，其结构如图1所示，通过两端加反向偏置电压，在二极管中产生一个耗尽区。耗尽区对带负电的电子而言，是一个势能特别低的区域，因此通常又称为势阱。入射光产生的电荷就存储在势阱中。
　　3.3生物微传感器[2]
　　酶电极生物传感器是最早出现的生物微传感器，目前已经广泛应用于血糖、氨基酸、激素等测定中。此生物传感器是利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分。
　　电化学装置转换成电信号的方式有电位法和电流法两种。电位法是指根据各种离子在感应膜上产生的电位，电位信号大小与底物溶度的对数值成线性关系，进而显示出参与反应的各种离子浓度，所需元件有pH电极、气敏电极等。电流法是指通过电极活性物质(如某些离子)的正负电极处发生化学反应所产生的电流值来检测被测物质浓度。如果酶促反应是耗氧反应，就可以使用O2电极或者是H2O2电极作为基础电极，若酶反应为产酸过程，则可使用pH电极。
　　3.4微能源
　　没有微型化的能源持续为微传感器提供能量，微小器件将难以发挥其微小型化的优势来完成其预订的功能，甚至可能失去其微型化的本来的意义，因此微能源的技术越来越获得人们的关注，已逐渐成为MEMS领域中一个研究和开发的热点。
　　微型薄膜锂电池是目前相对比较成熟的微能源，广泛应用于智能卡当中。
　　微型薄膜锂电池是通过锂离子阴极、阳极的嵌入与脱出来实现冲放电的。充电时电压驱使锂离子从阴极脱出，经固体电解质传输，在阳极嵌入。以此来实现对电能的存储；放电时，锂离子从阳极脱出，经固体电解质传输，在阴极嵌入，同时会有等量的电荷以电子转移的形式在外电路传输，以此来平衡内部电荷的转移，这样就实现了对外电路的供电。
　　4结语
　　MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。MEMS传感器研究具有非常强的针对性和实用性，能够确实地推动国民经济的发展和科技的进步，应该引起科研结构相关政府部门的足够重视。
　　
　　参考文献：
　　[1] 黄元庆.现代传感技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
　　[2] 陈裕泉,葛文勋.现代传感器原理及应用[M].北京:科学出版社,2007

《基于MEMS的微传感技术》

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