基于微机械开关结构的电化学传感器测试分析研

0 引言

20世纪80年代起，微机械加工技术与传感器微型化过程一并发展，使得集成一体化的化学传感器得到黄金发展期。近年召开的第四届国际化学传感器会议（IMCS）和第七届固态传感器和执行器国际会议（Tranducers’93）的相关研究表明，微机械开关的材料、工艺、敏感机理、传感性能等都被有关研究机构充分深化研究并得到有效提升。微结构传感器的开发研究，在美国、日本、德国、瑞士等国家的国家资本介入下，不断被深化推进。

微机械开关作为一种传感器，可以将化学信号的物理量进行充分标准化测量并实现传感，此化学传感性能并未被有效开发。我国在使用微机械开关传感器进行化学量的传感器实现技术上进行的研究，已经取得了一定成绩。所以，本文重点归纳基于微机械开关的电化学传感器实现模式，以期得到国内相关人士重视。

1 微机械开关化学传感器的加工实现

微机械开关属于微米级三维加工工艺，包括：硅基微机械加工技术、超精密机械加工技术、软X射线深层光刻电铸成型技术。后二者可以在非硅基环境下，对其他材料（金属、陶瓷、塑料）等进行加工。而激光精密加工技术在此类加工工艺中受到广泛重视。软X射线深层光刻电铸成型技术又称LIGA，其由德国工程师提出，可用于加工深度超过数百微米，宽度小于1μm的三维深孔，但工艺成本较高。

考虑到硅基材料的电学特性早期研究较为深入，机械性能好，集成电路兼容性好，硅基微孔加工技术较为成熟等原因，本文重点研究硅基材料条件下的微孔结构加工工艺。

1.1 硅基微机械加工技术

综合运用硅基各项异性的蚀刻技术、固相键合技术、硅表面多层膜技术等，可以在不同技术重点和技术组合条件下，实现各种微机械开关的三维成型和三维加工，实现不同的电学特性。与更侧重平面布局的集成电路相比，微机械开关更侧重加工深度和三维成型技术，对微机械开关的结构形状要求更高。所以，虽然微机械开关目前使用的光刻系统属于微米级系统，但其工艺水平仍有待进一步深入研究。

归纳来说，通过硅基板上的逐层连续溶解腐蚀技术，利用化学各向异性腐蚀，将MASK的图案转移到硅基板上，将平面图形形成深度蚀刻的孔、槽、空腔微结构，是微机械开关传感器的核心腐蚀控制过程。该过程可采用基于电化学原理的腐蚀过程，或基于化学制剂直接腐蚀的腐蚀过程。

在该技术条件下，硅膜的几何构型控制过程，使得硅膜薄而均匀，是最核心的技术要求。且腐蚀过程应有自停止机制，包括P+自停止腐蚀和电化学腐蚀终止技术。此技术的硅膜厚度可控制在20μm级别。

该组合技术主要包括了牺牲层技术（Sacrificial Layers）、固相键合技术（SDB）、剥离技术（Lift-Off）。其中：

牺牲层技术属于准三维加工技术，通过在硅基板上构建低压化学气相沉积层，构建一层磷硅玻璃层（PSG），在该层基础上生长一层多晶硅，然后在多晶硅层表面开窗口，将磷硅玻璃层作为牺牲层进行腐蚀，从而形成了单晶硅基板上悬浮的多晶硅桥结构。除PSG外，还可以使用SiO2等材料构建牺牲层。该技术被微结构元件和微传感器阵列的制成工艺广泛应用。但该技术条件下的微孔深度受到了技术工艺限制。

固相键合技术的核心实现工艺是实现硅-硅结构和硅-玻璃结构的直接键合，但其需要1000℃以上的反应条件，该温度下，加之外加电压等辅助条件，可以依靠原子间形成共价键的方式，制成各种精密微结构。该技术是新型微结构传感器的重要制成工艺。

剥离技术的本质是硅基板表面的多层膜成型技术，主要用于腐蚀条件下难以成型的铂金膜。如图1所示，在硅基板上形成光刻图案（A-B），然后进行膜沉积（C），最后用选择性腐蚀溶剂对光刻胶图层进行腐蚀（D），最终获得相应工艺结构（E）。

图1 剥离技术示意图Fig. 1 Schematic diagram of stripping technique

剥离技术的关键是光刻胶的厚度必须足够大，以至于（B）步骤形成的台阶边缘保持足够的不连续性，此时在（D）步骤的光刻胶膨胀剥离过程中才可能形成规整的沉积膜边缘（E）。在进行多次剥离时，应确保不同剥离材料的兼容性，避免二层膜形成过程中破坏下层膜的工艺结构。

1.2 化学传感器微机械开关的制成

美国凯斯西储大学（CWRU）曾经提出一种化学传感器模型，其包含一个基于N型硅片和P型扩散电阻的加热元件，该PN结结构可以构成一个单片3mm×4mm的测温二极管结构，最终可以构成氧化锡气体的传感器。在该结构中，其硅基板厚度为250μm，腐蚀后硅基板最薄仅为6μm，该结构的半导体硅气敏性能较好，能耗较低，使得氧化锡气体传感器的可靠性和稳定性大幅度提升。通过在控制算法中对元件工作温度进行有效控制计算，可以检测其他多种气体的化学信号，如图2所示。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0629/1121.html