MEMS傳感器

MEMS器件利用半導(dǎo)體加工技術(shù)來制造三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，三種最常用的MEMS制造技術(shù)包括體微加工（Bulk Micro Machining）、表面微加工（Surface Micro Machining）和LIGA。

MEMS指微機(jī)電系統(tǒng)，這種技術(shù)用于制造由電子和機(jī)械部件組成的微型系統(tǒng)。系統(tǒng)的尺寸可能從幾微米或更小到幾毫米不等。MEMS已經(jīng)被證明是一種高效的、具有巨大潛力的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的一些應(yīng)用實(shí)例包括傳感器、加速度計(jì)、打印機(jī)墨盒、機(jī)器人等。

圖中顯示了3種最常用的MEMS制造技術(shù)

MEMS器件利用半導(dǎo)體加工技術(shù)來制造三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，三種最常用的MEMS制造技術(shù)包括體微加工（Bulk Micro Machining）、表面微加工（Surface Micro Machining）和LIGA。

一、體微機(jī)械加工（Bulk Micro Machining）

在體微機(jī)械加工中，將襯底的大部分，即單晶硅，一種非常穩(wěn)定的機(jī)械材料，被特別地移除，形成三維的MEMS器件。一種用于體微機(jī)械加工的MEMS三維結(jié)構(gòu)示意圖

微器件的體微機(jī)械加工制造通常采用自上而下的制造技術(shù)，即在制備好的硅片上刻蝕，以制造出三維MEMS元件。它是一種減法工藝，使用濕各向異性腐蝕或干法蝕刻，如反應(yīng)離子蝕刻（RIE），以創(chuàng)建大的坑，槽和通道。通常用于濕法蝕刻的材料包括硅和石英，而干法蝕刻通常用于硅、金屬、塑料和陶瓷。

·濕法蝕刻

在濕法蝕刻中，通過將材料（通常是硅片）浸入化學(xué)蝕刻劑的液浴中來去除材料。這些腐蝕劑可以是各向同性的（HNA—HF、HNO3和Ch3COOH的混合物）或各向異性（KOH）。各向異性腐蝕劑在優(yōu)選方向上腐蝕速度更快；蝕刻取決于襯底的晶體取向。

·干法蝕刻

在干法刻蝕中，高能離子在等離子體相內(nèi)加速，向待蝕刻的材料提供反應(yīng)所需的額外能量。MEMS最常見的形式是反應(yīng)離子刻蝕（RIE），它利用射頻（RF）功率形式的附加能量來驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。

·深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）

深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）是一種高深寬比的蝕刻方法，它包括高密度等離子體刻蝕（如RIE）和保護(hù)性聚合物沉積交替進(jìn)行，以獲得更大的縱橫比。

壓阻效應(yīng)是體積微機(jī)械傳感器（如壓力傳感器）中廣泛應(yīng)用的一種轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。在壓阻材料中，應(yīng)力的變化引起應(yīng)變和相應(yīng)的電阻變化。因此，當(dāng)注入的壓阻在隔膜的最大應(yīng)力點(diǎn)形成時(shí)（對(duì)于壓力傳感器），施加壓力下的偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致電阻的變化。

二、表面微加工

在表面微機(jī)械加工中，三維結(jié)構(gòu)是通過在晶圓表面上有序地添加和移除一系列薄膜層來構(gòu)建的，這些薄膜層分別稱為結(jié)構(gòu)層和犧牲層。犧牲層沉積，然后移除，形成結(jié)構(gòu)層之間的機(jī)械空間或間隙。表面微機(jī)械懸臂梁的工藝步驟如下：

該圖顯示了表面微機(jī)械懸臂的不同處理步驟

許多表面微機(jī)械傳感器采用電容轉(zhuǎn)換方法將輸入的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效的電信號(hào)。在電容傳導(dǎo)法中，傳感器可以被認(rèn)為是一個(gè)機(jī)械電容器，其中一個(gè)板相對(duì)于所施加的物理刺激而移動(dòng)。這改變了兩個(gè)電極之間的間隙，相應(yīng)地改變了電容。這種電容的變化相當(dāng)于輸入的機(jī)械刺激。

三、LIGA

LIGA是一個(gè)德語首字母縮寫，由字母LI（倫琴平版印刷術(shù)，意思是X射線光刻術(shù)）、G（鍍鋅，意思是電沉積）和a（Abformung，意思是將其他材料模制成高寬高比結(jié)構(gòu)）組成。因此，在這種技術(shù)中，厚的光刻膠暴露在X射線下以產(chǎn)生隨后用于形成高縱橫比電鍍?nèi)S結(jié)構(gòu)的模具。LIGA工藝可以制造出比傳統(tǒng)加工工藝更小、也比表面微加工零件更大的微零件。LIGA的工藝步驟如下圖所示。

LIGA的處理步驟的圖

·熔焊

為了形成復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，可以采用熔焊工藝（采用體加工和表面微機(jī)械加工）。它需要通過原子鍵合各種晶圓來建立一個(gè)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，空腔在底部晶圓中被整體蝕刻。然后，第二片晶片然后粘合形成埋腔。隨后在頂部晶圓上刻印DRIE掩模材料。然后進(jìn)行各向異性蝕刻以釋放微結(jié)構(gòu)，然后移除DRIE掩蔽材料以制造最終器件。

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