基于MEMS的微传感技术

来源：职称驿站所属分类：智能科学技术论文发布时间：2011-06-24 17:01:10浏览：次

　　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。