MEMS傳感器

MEMS器件利用半導體加工技術來制造三維機械結構，三種最常用的MEMS制造技術包括體微加工（Bulk Micro Machining）、表面微加工（Surface Micro Machining）和LIGA。

MEMS指微機電系統，這種技術用于制造由電子和機械部件組成的微型系統。系統的尺寸可能從幾微米或更小到幾毫米不等。MEMS已經被證明是一種高效的、具有巨大潛力的技術。這項技術的一些應用實例包括傳感器、加速度計、打印機墨盒、機器人等。

圖中顯示了3種最常用的MEMS制造技術

MEMS器件利用半導體加工技術來制造三維機械結構，三種最常用的MEMS制造技術包括體微加工（Bulk Micro Machining）、表面微加工（Surface Micro Machining）和LIGA。

一、體微機械加工（Bulk Micro Machining）

在體微機械加工中，將襯底的大部分，即單晶硅，一種非常穩定的機械材料，被特別地移除，形成三維的MEMS器件。一種用于體微機械加工的MEMS三維結構示意圖

微器件的體微機械加工制造通常采用自上而下的制造技術，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，如反應離子蝕刻（RIE），以創建大的坑，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加速，向待蝕刻的材料提供反應所需的額外能量。MEMS最常見的形式是反應離子刻蝕（RIE），它利用射頻（RF）功率形式的附加能量來驅動化學反應。

·深度反應離子刻蝕（DRIE）

深度反應離子刻蝕（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）和保護性聚合物沉積交替進行，以獲得更大的縱橫比。

壓阻效應是體積微機械傳感器（如壓力傳感器）中廣泛應用的一種轉導機制。在壓阻材料中，應力的變化引起應變和相應的電阻變化。因此，當注入的壓阻在隔膜的最大應力點形成時（對于壓力傳感器），施加壓力下的偏轉會導致電阻的變化。

二、表面微加工

在表面微機械加工中，三維結構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建的，這些薄膜層分別稱為結構層和犧牲層。犧牲層沉積，然后移除，形成結構層之間的機械空間或間隙。表面微機械懸臂梁的工藝步驟如下：

該圖顯示了表面微機械懸臂的不同處理步驟

許多表面微機械傳感器采用電容轉換方法將輸入的機械信號轉換為等效的電信號。在電容傳導法中，傳感器可以被認為是一個機械電容器，其中一個板相對于所施加的物理刺激而移動。這改變了兩個電極之間的間隙，相應地改變了電容。這種電容的變化相當于輸入的機械刺激。

三、LIGA

LIGA是一個德語首字母縮寫，由字母LI（倫琴平版印刷術，意思是X射線光刻術）、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構）組成。因此，在這種技術中，厚的光刻膠暴露在X射線下以產生隨后用于形成高縱橫比電鍍三維結構的模具。LIGA工藝可以制造出比傳統加工工藝更小、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

為了形成復雜的大型結構，可以采用熔焊工藝（采用體加工和表面微機械加工）。它需要通過原子鍵合各種晶圓來建立一個結構。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。然后進行各向異性蝕刻以釋放微結構，然后移除DRIE掩蔽材料以制造最終器件。

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