MEMS传感器加工工艺的原理和应用

技术前沿：MEMS传感器加工工艺

传感器的功能

通常将传感器的功能与人类的五大感觉器官相比拟：

光敏传感器——视觉

声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉

化学传感器——味觉

压敏、温敏、流体传感器——触觉

①物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应；

②化学类：基于化学反应的原理；

③生物类：基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

人类在计算机的时代，解决了大脑的模拟问题，相当于用0和1实现了信息的数字化，利用布尔逻辑解决问题；现在是后计算机时代，开始模拟五官。

但模拟人的五官，只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的，还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉，从传感器的角度来看，大部分不是很成熟。

视觉、听觉可认为是物理量，相对好一些，触觉就比较差一些，至于嗅觉及味觉，由于涉及到生物化学量的测量，工作机理比较复杂，远未达到技术成熟的阶段。

传感器的市场，其实是由应用推动的。比如，化学工业中，压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中，转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟，对汽车工业的需求拉动功不可没。

在传感器这一概念“出现”之前，早期的测量仪器中其实就有传感器，只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以，中国在1980年以前，介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。

传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后，传感器从整套仪器系统中独立出来，单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

MEMS传感器加工工艺

体微加工技术和表面微加工常用的MEMS加工工艺的原理、加工方法及应用

体微加工技术

体微加工技术：通过对硅衬底材料进行深硅刻蚀工艺，得到较大纵向尺寸的微机械结构。深硅刻蚀工艺为湿法刻蚀或干法刻蚀。该工艺的优点是获得的结构几何尺寸较大、机械性能较好。

（1）湿法刻蚀

湿法刻蚀凭借其工艺简单、成本较低等优势在加速度传感器、压力传感器等器件中有着广泛的应用。有研究人员利用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液湿法刻蚀实现了大尺寸晶圆微台面结构的工程化制备，其工艺流程如图1所示。首先，在硅片上下两侧同时生成二氧化硅（SiO2）介质掩膜层，通过光刻技术及SiO2刻蚀工艺，将掩膜层刻印出图形，清洗去除光刻胶后，利用TMAH溶液进行湿法刻蚀制备出微台面结构。

图1TMAH体硅腐蚀工艺制备硅微台面结构工艺流程图

在实际应用中，湿法刻蚀会出现刻蚀表面不平整等现象。为了优化刻蚀结果，研究人员多从刻蚀溶液入手，通过实验改进溶液配方和刻蚀条件，如加入异丙醇等添加剂以改善硅腐蚀表面的平整度，控制刻蚀温度，改进刻蚀溶液循环速率等手段，有效提高了微机械结构的机械性能。湿法刻蚀技术历久弥新，未来仍有很大的发展空间，如利用负压技术改变刻蚀环境气压等方式优化刻蚀效果，具有一定的研究价值。

（2）干法深刻蚀

干法深刻蚀具有以下特点：刻蚀速率较高，可以达到湿法刻蚀速率的2~15倍；具有大的深宽比，能够穿透整个硅片；被刻蚀材料的晶向对刻蚀结构基本无影响，能够刻蚀出任意形状的垂直结构；被刻蚀材料与阻挡材料的刻蚀选择比高，容易保护。

有研究人员基于电磁耦合等离子体对硅进行深反应离子刻蚀（DRIE），制备了一种新型的具有高灵敏度和高反应速度的电容式湿度传感器，如图2所示。传感器的结构如图3所示，首先在硅衬底上沉积氮化硅与下电极材料；用光刻技术刻制图案；旋涂具有湿度敏感特性的聚酰亚胺薄膜并固化；在薄膜上沉积多孔铬（Cr）膜形成上电极；最后通过DRIE进行微细加工，利用三氟甲烷（CHF3）/氧气（O2）和六氟化硫（SF6）/O2两组气体先后通入以实现高深度刻蚀硅衬底，最终形成悬浮的氮化硅膜结构。

图2（a）传感器图像；（b）图a中转角区域的特写视图

图3湿度传感器设计结构图

干法深刻蚀技术也可以应用于纳米生物技术领域，有研究人员利用DRIE技术加工出用于原子力显微镜（AFM）悬臂梁的纳米针，如图4所示，纳米针可以将蛋白质、氨基酸等物质注射入活细胞中。实验采用多晶金刚石薄膜作为衬底，利用四氟化碳（CF4）和O2混合气体深刻蚀，通过改变偏置功率得到更加平滑的纳米针。

图4金刚石纳米探针的扫描电子显微镜图像：（a）低偏置功率（100W）；（b）高偏置功率（200W）；（c）图b的近景图像

表面微加工技术

表面微加工技术通过在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，再移除牺牲层释放结构层，从而达到结构可动的目的，其主要步骤包括淀积薄膜、光刻图形化、淀积牺牲层薄膜、牺牲层图形化、淀积机械结构层薄膜、机械结构层图形化、去除牺牲层（释放结构）。

表面微加工技术已经在多种MEMS产品上得到了应用，有研究人员基于表面微加工工艺制作了一种新型的变形镜驱动器，如图5。变形镜主要应用于各种自适应光学系统，在外加电压控制下，变形镜的镜面可以产生形变以达到实验目的。其主要加工工艺如图6所示，首先将氮化硅材料的绝缘层沉积在硅衬底上；接着，沉积并刻蚀多晶硅作为驱动器的下电极；随后沉积一层SiO2牺牲层，并刻蚀牺牲层构成上电极的定位点；接着，沉积并刻蚀多晶硅作为驱动器的上电极；最后，湿法刻蚀SiO2牺牲层，形成最终的结构，并进行烘干。

图5变形镜驱动器实物照片

图6变形镜驱动器加工流程图

总体而言，目前，体微加工和表面微加工两大MEMS加工技术有着各自特点和应用，在未来的研究中可尝试通过改变其加工条件，如改变湿法刻蚀溶液的配比、改变刻蚀环境压强等方式进一步探究优化MEMS器件性能的可行性，为MEMS发展指明方向。

审核编辑：汤梓红