MEMS壓力傳感器技術的主要組成

2020-12-13 電子發燒友

MEMS壓力傳感器技術的主要組成

傳感器專家網 發表於 2020-03-07 11:27:00

MEMS，微機電系統，是1959年12月由理察·費曼最早提出的概念，是將微觀模擬機械元件機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、信號傳輸和電源等集成於一體構築而成的可以批量製作的複雜的微型器件或包括該器件的系統。其開發始於20世紀60年代，在20世紀80年代進入了飛速發展的階段，在各個領域都具有廣闊的發展前景，近年來MEMS器件的製造和銷售呈迅速增長之勢。

MEMS壓力傳感器是目前MEMS器件的重要應用領域，大致可以分為電容式、壓阻式、壓電式、金屬應變式、光纖式等種類，MEMS壓力傳感器的性能隨著材料和製造工藝的進步提高了幾個數量級，並通過使用類似與集成電路的設計技術和製造工藝，實現了高精度、低成本的批量生產，並在未來具有廣泛的產業應用和良好的發展前景。

MEMS壓力傳感器的技術組成主要包括以下幾個分支。

MEMS壓力傳感器基底材料

基底材料是製造MEMS壓力傳感器的基礎，不同的基底材料的選擇不但影響了MEMS壓力傳感器的性能，也決定了器件製備過程中的工藝選擇，目前進行MEMS壓力傳感器加工的基底材料主要分為矽基材料和非矽基材料，其中矽基器件的加工工藝由於其與現有集成電路加工工藝的兼容性目前得到廣泛的應用。

矽基材料類型主要分為包括多晶矽、單晶矽、非晶矽的矽材料，包括SOI和SOG的絕緣體上矽，新興的碳化矽半導體材料。

早期的MEMS壓力傳感器是基於常規壓力器件的材料銅作為基底材料進行製造，進入90年代以後，以常規矽材料例如非晶矽、單晶矽、多晶矽等作為基底材料進行MEMS器件製造由於具有矽集成電路加工的基礎，成為了MEMS器件加工和產業化的主流工藝，但由於MEMS器件相對於集成電路在器件性能和尺寸方面具有更高要求。為了改善在製造不同類型和應用的MEMS器件常規矽基底材料在結構和性能方面的不足，基於對於常規矽基基底材料的改進，西門子公司提出了使用SOI基底製造MEMS壓力傳感器，史丹福大學提出了可以使用整塊碳化矽作為基底製造MEMS壓力傳感器。

此後由於矽基材料製備MEMS器件集成產業化的需求，基於基底材料製造完整的MEMS傳感器結構和配套ASIC系統以實現完整的集成壓力傳感系統的需求，荷蘭NX公司提出了使用SOI基底製作MEMS傳感器和電路結構集成系統，MEMS-VISION公司提出了使用碳化矽基底製作MEMS傳感器和電路結構集成系統。

此外，隨著壓力傳感器研究和應用領域的不斷推廣，基於器件類型的不同，目前開始選擇具有特定性能的例如電致收縮材料、磁性材料、壓電陶瓷、記憶合金、聚合物材料等其他材料進行器件製造。

MEMS壓力傳感器的蝕刻工藝

蝕刻工藝是基於MEMS基底材料構建器件圖形和結構的關鍵工藝，不同的蝕刻工藝的選擇對器件圖形的精度以及器件的性能有重要影響，目前的蝕刻工藝包括使用鹼性/有機溶液進行的溼法刻蝕工藝和幹法蝕刻工藝，目前主要使用的幹法蝕刻工藝包等離子刻蝕工藝（PE），反應離子刻蝕工藝（RIE）和感應耦合等離子刻蝕工藝（ICP）。

由於MEMS傳感器的製造技術是基於較為成熟的集成電路的製造工藝，而基於常規矽基底材料進行集成電路工藝中半導體器件製造的幹法和溼法蝕刻工藝在MEMS器件出現以前就已經經歷的很長時間的發展和演進。

關於常規矽材料進行各向同性和各向異性得到特定器件圖形的相關幹法和溼法蝕刻工藝已經發展的比較成熟，而幹法刻蝕由於相對於溼法刻蝕工藝具有解析度高，各向異性腐蝕能力強，不易產生器件結構粘結等特點，在器件製備過程的尺寸控制中具有明顯的優勢。

其中通過離子反應刻蝕取得高深寬比矽圖案的博世工藝出現後，幹法刻蝕工藝由於能夠控制蝕刻速率製造高深寬比的器件圖形結構，逐漸成為了器件刻蝕的主要方式，推動著MEMS壓力傳感器的製造工藝正在向更高分辨的方向發展。

MEMS壓力傳感器的封裝工藝

封裝工藝是實現MEMS壓力傳感器產業化的關鍵工藝，佔MEMS壓力傳感器製造總成本的60%～80%。

而MEMS壓力傳感器需要在封裝過程中經過鍵合實現與對於器件結構的支撐和保護以及實現器件結構與外部電路的電學連接，它雖然不是直接進行MEMS壓力傳感器器件結構加工的技術，但是對於實現器件的應用和功能起著決定性的作用。

依託於半導體加工工藝，實現MEMS器件的元件鍵合具有多種手段，包括通過黏合劑黏接的鍵合工藝，通過焊料焊接的鍵合工藝，通過中間材料熔融連接的鍵合工藝，矽矽直接熱鍵合工藝，通過電荷積累原理實現的矽玻靜電鍵合以及通過金屬與矽或金屬間反應形成共晶物實現鍵合的金屬共晶鍵合工藝。但是由於MEMS器件具有多種立體結構和不同組成的材料層，對於器件中元件工作環境的真空度要求高，使用粘合劑進行封裝的鍵合工藝不能滿足器件加工需求。

目前在MEMS器件的封裝過程採用的鍵合工藝是不使用任何粘合劑，僅通過化學鍵和物理作用實現器件結構間緊密結合的方法，主要是矽矽直接鍵合，矽玻靜電鍵合以及共晶鍵合三種。鍵合工藝在MEMS壓力器件出現前就已經隨著矽半導體工藝的進步發展地比較成熟，在器件製造過程中基於材料的不同和器件連接性能的要求不同選擇不同的鍵合工藝實現器件的組裝和連接一直作為器件加工過程中的常規手段，但是由於MEMS壓力傳感器件在尺寸、結構和工作原理方面特殊性，MEMS器件的鍵合工藝在常規半導體鍵合工藝的技術上具有一定的改進。

在矽矽直接鍵合和靜電鍵合技術方面，由於其在鍵合過程中需要使用接近1 000℃的高溫會造成器件中產生應力引起翹曲變形，因此，MEMS壓力傳感器鍵合過程中通過對鍵合區域進行優化改進以減小鍵合過程中的溫度不均和器件結構變形；在共晶鍵合技術方面，此後隨著由於MEMS壓力傳感器與ASIC系統集成連接的需要，共晶鍵合由於在形成電連接方面的優勢成為MEMS器件集成製造中的主要鍵合方式，未來隨著對MEMS壓力傳感器件尺寸和性能的發展，其在與系統中其他晶片鍵合過程中實現電互連的要求也會不斷提高，未來共晶鍵合將會是MEMS壓力傳感器鍵合工藝的主要方式。

結語：

經過多年的發展，MEMS壓力傳感器技術已經進入到了各個領域和行業，在給世界帶來變革的同時也對我們的生活產生了深遠的影響，未來MEMS壓力傳感器技術將迎來廣闊的發展和應用前景。

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