1、第第11章章 MEMS传感器传感器11.1 MEMS传感器及特点传感器及特点11.2 MEMS传感器加工技术传感器加工技术11.3 微传感器的应用微传感器的应用习题习题 思考n世界上最先进的世界上最先进的MEMSMEMS加工设备是哪个国家生产的。如加工设备是哪个国家生产的。如果我们引进这样的设备建立实验室，学习和生产的意果我们引进这样的设备建立实验室，学习和生产的意义是什么？义是什么？(从工艺方面考虑从工艺方面考虑)n应如何维护应如何维护MEMSMEMS加工设备的工作环境？加工设备的工作环境？MEMS概念概念MEMS（Micro Electric Mechanical System）：即微）：
2、即微电子机械系统。用微电子技术和微机械技术制造的微电子机械系统。用微电子技术和微机械技术制造的微敏感器件与微执行器的总和。敏感器件与微执行器的总和。MEMSMEMS技术的应用：技术的应用：大屏幕彩电高分辨率大屏幕彩电高分辨率(2048(20481152)1152)投影显示屏投影显示屏DMDDMD；微型卫星、纳米卫星；微型卫星、纳米卫星；DNADNA反应室；反应室；外科手术微米镊对血球及外科手术微米镊对血球及DNADNA操作技术等操作技术等 MEMS传感器（微传感器）：传感器（微传感器）：用用MEMS技术制作的技术制作的传感器；传感器；微传感器：体积小，敏感元件尺寸微传感器：体积小，敏感元件尺寸
3、0.1100m，其结，其结构工艺、设计等许多特殊的现象和规律；构工艺、设计等许多特殊的现象和规律；常见微电子器件：运算放大器；逻辑门电路；微处理常见微电子器件：运算放大器；逻辑门电路；微处理器等；器等；微电技术：使信号处理芯片复杂程度上升和价格的下微电技术：使信号处理芯片复杂程度上升和价格的下降；降；11.1 MEMS11.1 MEMS传感器及特点传感器及特点 传感器传感器+处理器处理器+执行器执行器测控系统测控系统输入信号（被测量）系统边界传感器处理器执行器输出信号测控系统基本组成测控系统基本组成目前测控系统的特点：目前测控系统的特点：处理器性价比较高；处理器性价比较高；传感器和执行器发展滞
4、后；传感器和执行器发展滞后；微传感器三个层次的含义：微传感器三个层次的含义：1）单一敏感元件，尺寸小。采用精密加工、微）单一敏感元件，尺寸小。采用精密加工、微 电技术及电技术及MEMS技术加工；技术加工；2）集成传感器，将微小敏感元件、信号处理、）集成传感器，将微小敏感元件、信号处理、数据处理装置封装在一块芯片上；数据处理装置封装在一块芯片上；3）微型测控系统。包括微传感器、微执行器，）微型测控系统。包括微传感器、微执行器，可以独立工作。也可由多个微传感器组成传可以独立工作。也可由多个微传感器组成传 感网络或通过其它网络实现异地联网；感网络或通过其它网络实现异地联网；体积小，重量轻。体积小，重
5、量轻。利用利用MEMSMEMS技术：技术：微传感器封装后尺寸为毫米量级，微传感器封装后尺寸为毫米量级，或更小；重量一般都在几克或更小；重量一般都在几克 几十克。几十克。如如压力微传感器已经可以小到放在注射针头内，压力微传感器已经可以小到放在注射针头内，送进血管测量血液流动情况；或装载到飞机或发动机叶送进血管测量血液流动情况；或装载到飞机或发动机叶片表面，用来测量气体的流速和压力；片表面，用来测量气体的流速和压力；能耗低能耗低 很多场合，很多场合，传感器及配套的测量系统都是利用电池传感器及配套的测量系统都是利用电池供电的。因此传感器能耗大小，在某种程度上决定了整供电的。因此传感器能耗大小，在某种
6、程度上决定了整个仪器系统可供连续使用的时间。个仪器系统可供连续使用的时间。微传感器优点微传感器优点性能好性能好微传感器在几何尺寸上的微型化，在保持原有敏微传感器在几何尺寸上的微型化，在保持原有敏感特性的同时，提高了温度稳定性，不易受到外界温度感特性的同时，提高了温度稳定性，不易受到外界温度干扰。敏感元件的自谐振频率提高，工作频带加宽，敏干扰。敏感元件的自谐振频率提高，工作频带加宽，敏感区间变小，空间解析度提高。感区间变小，空间解析度提高。易于批量生产，成本低易于批量生产，成本低微传感器的敏感元件一般是利用硅微加工工艺制微传感器的敏感元件一般是利用硅微加工工艺制造的，这种工艺的一个显著特点就是适
7、合于批量生产。造的，这种工艺的一个显著特点就是适合于批量生产。大批量生产使得微传感器单件的生产成本大大降低。大批量生产使得微传感器单件的生产成本大大降低。便于集成化和多功能化。便于集成化和多功能化。微传感器能感知与转换两种以上不同的物理或化微传感器能感知与转换两种以上不同的物理或化学参量；学参量；例如，在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件，例如，在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件，制成同时测量压力和温度的多功能微传感器，将处理电制成同时测量压力和温度的多功能微传感器，将处理电路也制作在同一硅片上，还可以实现温度补偿。路也制作在同一硅片上，还可以实现温度补偿。将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜
8、制造工艺将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜制造工艺制作在同一基片上，制成检测多种气体的多功能微传感制作在同一基片上，制成检测多种气体的多功能微传感器。器。现在已经开发出可同时检测钠、钾和氢离子的微现在已经开发出可同时检测钠、钾和氢离子的微传感器阵列，用于检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，传感器阵列，用于检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾病有重大意义。该微传感器尺寸为对诊断心血管疾病有重大意义。该微传感器尺寸为2.5nm2.5nm0.5nm0.5nm，可直接用导管送到心脏内测量。，可直接用导管送到心脏内测量。提高传感器的智能化水平提高传感器的智能化水平。智能传感器是测量技术、半导体
9、技术、计算智能传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集技术。结合的综合密集技术。与一般传感器相比，智能传感器具有自补与一般传感器相比，智能传感器具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、寻址处理能偿能力、自校准功能、自诊断功能、寻址处理能力、双向通信功能、信息存储、记忆和数字量输力、双向通信功能、信息存储、记忆和数字量输出功能。出功能。MEMSMEMS技术在传感器方面的应用，大大提高技术在传感器方面的应用，大大提高了传感器的智能化水平。利用了传感器的智能化水平。利用MEMSMEMS技术可以将信技术可以将信
10、号调节电路、信号处理电路号调节电路、信号处理电路(甚至包含微处理器甚至包含微处理器)、接口电路等与传感器封装成一体，组成微传感器接口电路等与传感器封装成一体，组成微传感器系统。系统。电子工程测量技术半导体物理微电子无线电工程射频技术1970年1980年2000年1990年2010年测量仪器集成化传感器手机RFIDCMOSGaAsSiGeCMOS/MEMSCMOS+无线传感器微系统微处理器微机械图中显示了微加工技术的进步对微传感器、微图中显示了微加工技术的进步对微传感器、微传感器系统乃至射频通信技术的影响。传感器系统乃至射频通信技术的影响。11.2 MEMS11.2 MEMS传感器加工技术传感器
11、加工技术体微加工技术体微加工技术 利用利用蚀刻工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，主蚀刻工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，主包括蚀刻和停止蚀刻两项关键技术。包括蚀刻和停止蚀刻两项关键技术。表面微加工技术表面微加工技术 采用采用光刻等手段，使得硅片等表面淀积或生长而成的光刻等手段，使得硅片等表面淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形，然后去除某些不需要的多层薄膜分别具有一定的图形，然后去除某些不需要的薄膜层，从而形成三维结构。薄膜层，从而形成三维结构。键合技术键合技术固相键合技术就是不用液态粘结剂而将两固相键合技术就是不用液态粘结剂而将两块固体材料键合在一起，且键合过程中材料始终块固体材料
12、键合在一起，且键合过程中材料始终处于固相状态。（包括阳极键合与直接键合）处于固相状态。（包括阳极键合与直接键合）光刻电铸注塑技术（光刻电铸注塑技术（LIGALIGA）一种基于一种基于X X射线光刻技术的射线光刻技术的MEMSMEMS加工技术。加工技术。主要包括主要包括X X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。复制三个工艺步骤。11.3 11.3 几种典型微传感器的原理和应用几种典型微传感器的原理和应用1 1、电热堆、电热堆组成热电堆的两种金属材料分别为铂组成热电堆的两种金属材料分别为铂(厚厚1 1 m)m)及及锌锑合金锌锑合金(厚厚1 1 m)
13、m)。热端置于帕利灵。热端置于帕利灵(paryleneparylene)薄膜薄膜(厚约厚约25.425.4 m)m)上。帕利灵薄膜作为热绝缘层，将热端上。帕利灵薄膜作为热绝缘层，将热端与冷端隔开。与冷端隔开。氮 化 铝锌 锑 合 金铂辐 射 吸 收 层帕 利 灵热电堆结构示意图2 2、螺旋式热电偶、螺旋式热电偶采用采用N N型多晶硅与铝热电偶。这种结构的优点在于型多晶硅与铝热电偶。这种结构的优点在于利用有限的矩形面积容纳了尽可能长而窄的结构，提高利用有限的矩形面积容纳了尽可能长而窄的结构，提高了热阻，增强了输出信号强度。由于热电偶的结构很窄，了热阻，增强了输出信号强度。由于热电偶的结构很窄，可
14、利用各向同性的干法反应离子刻蚀可利用各向同性的干法反应离子刻蚀(RIE)(RIE)技术，实现对技术，实现对硅基底的加工。由于全部加工工艺与硅基底的加工。由于全部加工工艺与CMOSCMOS工艺兼容，因工艺兼容，因此可将信号放大电路集成在同一芯片上。此可将信号放大电路集成在同一芯片上。12341-为加工的空腔；2-介电层、多晶及铝组成的三明治式螺旋结构；3-热端；4-未刻蚀硅基底上的微传感器输出端采用CMOS工艺制作的螺旋结构热电偶 3 3、石英谐振温度微传感器、石英谐振温度微传感器扭转振动音叉固定块电极引出点音叉结构的石英谐振温度微传感器音叉结构的石英谐振温度微传感器谐振器工作于扭转振动模式，谐
15、振器的谐振频率为谐振器工作于扭转振动模式，谐振器的谐振频率为温度的函数。由于石英晶体谐振器的阻尼所带来的能量损温度的函数。由于石英晶体谐振器的阻尼所带来的能量损耗一般在耗一般在100100 W W的量级，因此这种微传感器在流体环境中的量级，因此这种微传感器在流体环境中的自热现象一般不会对测量结果产生影响的自热现象一般不会对测量结果产生影响。石英晶体谐振器的基本频率石英晶体谐振器的基本频率0可根可根据对温度灵敏度的要求来选取。例据对温度灵敏度的要求来选取。例如，要求温度每变化如，要求温度每变化1时频率变时频率变化化1000Hz，如果谐振器的频率温度，如果谐振器的频率温度系数为系数为35.410-
16、6/，则基本频率，则基本频率应为应为6601000/35.4 1028 10fHz一般石英谐振式温度传感器的参数：一般石英谐振式温度传感器的参数：1）振荡频率：振荡频率：256kHz28MHz；2）温度系数：）温度系数：1910-69010-6/；3）灵敏度：）灵敏度：1000MHz/左右（左右（-5050的的 温度范围内）；温度范围内）；4）分辨率：）分辨率：0.0001；注：注：某些特殊设计的传感器的测量范围可达某些特殊设计的传感器的测量范围可达到到-40300，但线性度比较差。，但线性度比较差。4 4、无源无线声表面波传感器、无源无线声表面波传感器无源无线声表面波传感器的敏感器件有无源无
17、线声表面波传感器的敏感器件有两种形式两种形式：延迟线型及谐振器型，如图所示。延迟线型及谐振器型，如图所示。反射栅压电晶体IDT天线访问信号回波信号访问信号回波信号反射栅压电晶体IDT天线(a)(a)延迟线型延迟线型 (b)(b)谐振器型谐振器型延迟线型无源无线声表面波传感器延迟线型无源无线声表面波传感器：有一组与天线连接有一组与天线连接在一起的在一起的IDTIDT，既作为发射，既作为发射IDTIDT，也作为接收，也作为接收IDTIDT。而延迟。而延迟时间则是通过在器件上与时间则是通过在器件上与IDTIDT间隔一定距离制做声表面波间隔一定距离制做声表面波反射栅的方式实现的。延迟时间则通过提取回波
18、信号的相反射栅的方式实现的。延迟时间则通过提取回波信号的相位差实现。位差实现。谐振器型无源无线声表面波传感器谐振器型无源无线声表面波传感器：其敏感器件与普通：其敏感器件与普通的谐振器型声表面波器件类似，也是通过提取回波信号中的谐振器型声表面波器件类似，也是通过提取回波信号中的谐振频率实现无线检测。谐振频率的检测可采用模拟及的谐振频率实现无线检测。谐振频率的检测可采用模拟及数字两种方法。模拟的方法可采用门控锁相技术进行鉴频；数字两种方法。模拟的方法可采用门控锁相技术进行鉴频；数字的方法则可利用快速傅里叶变换，直接从回波信号中数字的方法则可利用快速傅里叶变换，直接从回波信号中提取谐振频率。提取谐振
19、频率。3.3m反射栅接天线接天线10l3lIDTLiNbO3敏感材料天线微型无源无线声表面波温度传感器应用于温度检测时，这种无源无线声表面波传感应用于温度检测时，这种无源无线声表面波传感器所采用的主要为延迟线型形式。器所采用的主要为延迟线型形式。制作：制作：在陶瓷、玻璃或硅基片上制作一层铌在陶瓷、玻璃或硅基片上制作一层铌酸锂酸锂(LiNbO3)薄膜，金属铝薄膜；薄膜，金属铝薄膜；用平面光刻工艺制作一对连接到微波用平面光刻工艺制作一对连接到微波天线上的天线上的IDT以及一对反射栅；以及一对反射栅；工作原理：工作原理：天线将接收到的信号转换成电信号，通过天线将接收到的信号转换成电信号，通过IDT激
20、励起声表面波；传播激励起声表面波；传播到反射光栅，反射回波到到反射光栅，反射回波到IDT，转换成电磁波发射出去。由于两个反射，转换成电磁波发射出去。由于两个反射栅的位置不同，反射回波的时间间隔与器件温度有关。栅的位置不同，反射回波的时间间隔与器件温度有关。这种温度传感器的检测精度并不是很高，其这种温度传感器的检测精度并不是很高，其突出突出优势在于检测方式优势在于检测方式。因此，在一些严格限制。因此，在一些严格限制不能采用有不能采用有线方式为传感器提供电源的场合非常适用线方式为传感器提供电源的场合非常适用。另外，这种。另外，这种传感器传感器还可嵌入在旋转或运动的部件中还可嵌入在旋转或运动的部件中
21、，如汽车轮胎、，如汽车轮胎、火车车轮、飞机马达等，实现运动部件的温度检测。虽火车车轮、飞机马达等，实现运动部件的温度检测。虽然访问系统的工作频率高，电路组成比较复杂一些，但然访问系统的工作频率高，电路组成比较复杂一些，但器件本身容易采用微细加工工艺制作，成本低廉，是一器件本身容易采用微细加工工艺制作，成本低廉，是一种很有发展前途的传感器种很有发展前途的传感器。5 5、红外光微传感器、红外光微传感器利用微加工技术很容易实现辐射热测量器的设计制作。由利用微加工技术很容易实现辐射热测量器的设计制作。由于可以制作出很好的热绝缘微结构，微传感器的性能也很于可以制作出很好的热绝缘微结构，微传感器的性能也很
22、理想。图示为一种红外光微传感器的结构。理想。图示为一种红外光微传感器的结构。支撑梁硅衬底敏感膜片热辐射衬底热辐射测量器型红外光微传感器结构热辐射测量器型红外光微传感器结构6 6、压力微传感器、压力微传感器Pinput1真空绝对测量Pinput1密封测量PreferencePinput1环境压力非密封测量Pinput1差分测量Pinput2压力微传感器的常见结构形式压力微传感器的常见结构形式其中其中Pinput1及及Pinput2为被测量的压为被测量的压力，力，Preference为参为参考压力。考压力。压力微传感器分类：压力微传感器分类：密封测量：测量与一个密封的参照腔相对压力；密封测量：测量
23、与一个密封的参照腔相对压力；（绝对压力差）（绝对压力差）非密封测量：测量两个端口输入压力差。非密封测量：测量两个端口输入压力差。7 7、单悬臂梁压阻式加速度微传感器、单悬臂梁压阻式加速度微传感器 组成：硅片（敏感质组成：硅片（敏感质量块量块+悬臂梁）悬臂梁）+两块玻两块玻璃；璃；悬臂梁上，通过扩散悬臂梁上，通过扩散法集成了压阻；质量块法集成了压阻；质量块运动运动气隙压敏电阻2mm玻璃盖板上腐蚀的腔的轮廓P+扩散键合盘引线20m玻璃气隙检测质量跨块硅梁导电环氧引线3mm一种具体的单悬臂梁压阻式加速度微传感器结构一种具体的单悬臂梁压阻式加速度微传感器结构悬臂梁弯曲，悬臂梁弯曲，压阻阻值变化。压阻阻
24、值变化。制作这样一个加速度微传感器的基本工艺制作这样一个加速度微传感器的基本工艺背面光刻KOH腐蚀正面光刻KOH腐蚀气隙Si质量梁支撑SiO2硅单悬臂梁压阻式加速度微传感器的制作单悬臂梁压阻式加速度微传感器的制作工艺过程工艺过程1）在硅片上腐蚀定位孔，覆盖）在硅片上腐蚀定位孔，覆盖一层带有一定图形的大约一层带有一定图形的大约1.5m厚的热氧化物；厚的热氧化物；2）两次扩散，形成连接线和压）两次扩散，形成连接线和压阻；阻；3）硅片正面淀积氧化物，对硅）硅片正面淀积氧化物，对硅片背面氧化物图形化，用片背面氧化物图形化，用KON刻蚀形成梁形状；刻蚀形成梁形状；4）对正面氧化物图形化；）对正面氧化物图
25、形化；5）金属化玻璃层形成空腔，玻）金属化玻璃层形成空腔，玻璃上淀积图形化一层铝，形成璃上淀积图形化一层铝，形成缝合盘；缝合盘；6）硅片夹在玻璃之间缝合，划）硅片夹在玻璃之间缝合，划片。片。体积：体积：2mm3mm0.6mm（可植入体内）（可植入体内）测量最低加速度值测量最低加速度值0.001g。8、催化燃烧型可燃气体微传感器催化燃烧型可燃气体微传感器 传感器的检测元件：铂金属电阻（保持传感器的检测元件：铂金属电阻（保持300400C）；）；原理：与可燃气体接触原理：与可燃气体接触 在催化层燃烧在催化层燃烧 铂电阻铂电阻温度上升温度上升 阻值上升阻值上升 测阻值变化知可燃气体浓测阻值变化知可燃
26、气体浓度度可燃性气体环境中的氧气铂或钯催化剂热敏电阻及电热元件硅衬底氮化硅膜铂或钯催化剂铂或钛铂电阻惰性层（如氮化硅）(a)(a)工作原理工作原理(b)(b)微传感结构微传感结构催化燃烧型可燃气体微传感器的结构催化燃烧型可燃气体微传感器的结构9、电导敏感元件、电导敏感元件 在中央部位表面利用纳米材料制作气体敏感薄膜在中央部位表面利用纳米材料制作气体敏感薄膜(如如SnOSnO2 2)，则该元件即成为气体微传感器的基础元件，可用，则该元件即成为气体微传感器的基础元件，可用于制作各种类型的气体微传感器以及微传感器列阵。于制作各种类型的气体微传感器以及微传感器列阵。这种微传感器的这种微传感器的优势优势
27、：体积小、功耗低、可批量生产；：体积小、功耗低、可批量生产；问题问题：硅基底材料的立体加工工艺、元件的可靠性以及元：硅基底材料的立体加工工艺、元件的可靠性以及元件与敏感材料之间的兼容性等。件与敏感材料之间的兼容性等。利用MEMS技术制作的可控温的电导敏感元件1010、SnO SnO2 2氧化物薄膜气体微传感器氧化物薄膜气体微传感器 原理：气体分子在原理：气体分子在 SnO2氧化物薄膜表面的吸氧化物薄膜表面的吸/脱附过程。脱附过程。温度变化的影响：气体分子在表面的吸附量、反应速度、温度变化的影响：气体分子在表面的吸附量、反应速度、微结构的的尺寸等。微结构的的尺寸等。SnO2敏感膜测量电极参杂多晶
28、硅加热器SnO2绝缘层SnO2绝缘层(a)元件俯视图(b)元件的薄膜结构一种基于SnO2氧化物薄膜气体敏感元件悬空结构集成有9个敏感元件的芯片在元件的制作方面，需要考虑的因素主要有加温在元件的制作方面，需要考虑的因素主要有加温元件的位置以及用微结构制作的表面薄膜的控制。可通元件的位置以及用微结构制作的表面薄膜的控制。可通过对元件工作温度的控制，调节敏感元件的气体敏感特过对元件工作温度的控制，调节敏感元件的气体敏感特性。性。图中给出了集成有图中给出了集成有9个敏感元件的器件，这是一种个敏感元件的器件，这是一种与与CMOS工艺兼容的期间，由于体积微小，所以热惯性工艺兼容的期间，由于体积微小，所以热
29、惯性小，温度变化率可达到小，温度变化率可达到105106/s。传感器今后的发展重点是传感器今后的发展重点是微型化微型化、智能化智能化和和多功多功能化能化，为此需要深入研究各种传感器的敏感机理，为此需要深入研究各种传感器的敏感机理，提高敏感材料功能设计能力，灵活的应用微机械加提高敏感材料功能设计能力，灵活的应用微机械加工技术、敏感膜修饰技术、微电子技术、智能技术工技术、敏感膜修饰技术、微电子技术、智能技术等多种技术融合，使传感器的性能实现最优化。等多种技术融合，使传感器的性能实现最优化。习题习题n什么是什么是MEMSMEMS？n简述微型无源无线声表面波温度传感器的简述微型无源无线声表面波温度传感器的工作原理并说明它的主要用途。工作原理并说明它的主要用途。n传感器以后发展的主要优势是什么？我们传感器以后发展的主要优势是什么？我们应该主要去做哪些方面的工作？应该主要去做哪些方面的工作？
