基于Si基集成技術(shù)的智能傳感器應(yīng)用

吳開(kāi)拓 張繼華 張萬(wàn)里

摘 要：隨著傳感器向小型化、集成化、智能化方向發(fā)展，以微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和集成電路（IC）工藝技術(shù)為基礎(chǔ)制備智能傳感器，已成為傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文介紹了傳感器發(fā)展的歷程，詳述了智能傳感器中Si基集成技術(shù)的單片集成（異質(zhì)生長(zhǎng)和離子注入剝離）和混合集成技術(shù)兩類三種實(shí)現(xiàn)方法，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，介紹了其在磁性、紅外、熱敏傳感器的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Si基集成技術(shù) 智能傳感器 MEMS IC

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（b）-0106-02

傳感器是一種能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求的檢測(cè)裝置，其與通信、計(jì)算機(jī)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)BCC Research的數(shù)據(jù)，2016年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1235億美元，預(yù)計(jì)到2022年接近2403億，2017—2022的年復(fù)合增長(zhǎng)率為11.8%，到2025年，以傳感器為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將在2.7萬(wàn)億到6.2萬(wàn)億美元之間[1]。

目前，傳感器的發(fā)展已進(jìn)入智能化階段，它是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲(chǔ)功能的多元件集成電路，是集成傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品[2-3]。2017年11月20日，工信部制定的“智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南（2017—2019年）”正式印發(fā)，明確了傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)和方向就是智能化傳感器，并制定了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，確定了MEMS工藝和集成電路工藝相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑以及以市場(chǎng)應(yīng)用為主導(dǎo)的政策扶持原則[4]。可以看出，智能傳感器是決定未來(lái)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心與基礎(chǔ)。

1 Si基集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)

Si基集成技術(shù)是指將敏感材料薄膜化，通過(guò)MEMS工藝與IC集成在一起的一種智能傳感器芯片制備技術(shù)。這種集成技術(shù)使只有單一信號(hào)變換功能的傳感器擴(kuò)展為有信號(hào)放大、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)裙δ艿膫鞲衅餍酒婢吒哽`敏度、低功耗、小型化、智能化、低成本、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，且適用于多類傳感器芯片制備，是一種關(guān)鍵共性技術(shù)，已成為傳感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。從敏感單元與IC集成的形式看，Si基集成技術(shù)可分為單片集成和混合集成兩大類。

1.1 單片集成技術(shù)

單片集成技術(shù)即是將薄膜敏感單元直接制備在IC上，形成“單片式”傳感器芯片，根據(jù)敏感薄膜材料的制備方法，還可細(xì)分為異質(zhì)生長(zhǎng)技術(shù)和離子注入剝離技術(shù)。

對(duì)于能夠使用CVD、PVD等方法大面積制備，且制備與MEMS、集成電路工藝兼容的敏感薄膜材料，可采用異質(zhì)生長(zhǎng)技術(shù)在Si基IC上生長(zhǎng)敏感薄膜，進(jìn)而制備集成傳感器芯片。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、制備成本低，但對(duì)敏感材料的特性有較為苛刻的要求，研究重點(diǎn)是如何結(jié)合緩沖層技術(shù)解決敏感薄膜與Si基IC間界面失配問(wèn)題，如何在不平整的IC晶圓鈍化層上和不破壞Si基IC的條件下，沉積晶圓級(jí)高品質(zhì)敏感薄膜，如何使用無(wú)源敏感薄膜在線無(wú)損測(cè)試技術(shù)，優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)源敏感薄膜材料厚度和性能均勻性的有效控制。

對(duì)于晶格失配較大、不能大面積異質(zhì)生長(zhǎng)、制備溫度較高（大于400℃）的敏感薄膜材料，可采用Smart-Cut（離子注入剝離）單晶薄膜制備技術(shù)，將薄膜材料從單晶塊材上剝離并轉(zhuǎn)移到Si基IC上實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成，可解決敏感材料與Si基IC集成過(guò)程中的工藝兼容性問(wèn)題。該技術(shù)適用材料廣泛，但工藝較為復(fù)雜、成本較高，研究重點(diǎn)是如何有效降低敏感薄膜與Si晶圓界面熱失配應(yīng)力，以確保晶圓級(jí)敏感薄膜的完整性。

1.2 混合集成技術(shù)

混合集成技術(shù)是指敏感薄膜未直接沉積在Si基IC上，而是和IC互連封裝在一起，形成“混合式”傳感器芯片。對(duì)于敏感單元與IC有隔離要求的傳感器以及單片集成不能得到優(yōu)異性能的敏感材料宜采用此類集成方法。敏感單元與IC分別制備、互聯(lián)集成，克服了工藝兼容性，降低了工藝復(fù)雜性和成本。

從集成方式上看，混合集成技術(shù)在襯底類型、工藝條件方面選擇靈活，集成方式簡(jiǎn)單，工藝移植性好，可集成傳感器種類多。盡管集成度相對(duì)單片集成較低，仍是目前傳感器集成技術(shù)的主流方向。如何采用先進(jìn)技術(shù)制備出更高性能的晶圓級(jí)敏感薄膜材料，如何實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該類技術(shù)的研究重點(diǎn)。

2 典型應(yīng)用

2.1 磁阻傳感器

磁阻傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的一種磁場(chǎng)探測(cè)裝置。美國(guó)Honeywell公司、電子科技大學(xué)[5]等相繼研究了磁阻傳感器芯片，其使用了基于異質(zhì)生長(zhǎng)薄膜的單片集成技術(shù)，將具有各向異性磁阻效應(yīng)（AMR）的磁性薄膜直接沉積在Si基IC上，并通過(guò)切割、封裝、測(cè)試得到傳感器芯片。磁阻傳感器芯片具有超低功耗、低成本、小尺寸（1.3×2.9）mm、可表面貼裝等優(yōu)點(diǎn)，其中Honeywell公司SM351LT型號(hào)電流消耗僅為360nA，卻能提供超高磁敏度（典型為7 高斯），且其探測(cè)氣隙距離的能力是霍爾效應(yīng)傳感器的兩倍[6]。目前主要應(yīng)用于水表、煤氣表、電表、工業(yè)煙霧警報(bào)器、健身設(shè)備、安防系統(tǒng)、手持式計(jì)算機(jī)、掃描儀、大型家用電器（如洗碗機(jī)、微波爐、洗衣機(jī)、冰箱和咖啡機(jī)）、醫(yī)療設(shè)備（如病床、藥物分發(fā)柜和輸液泵）以及消費(fèi)性電子產(chǎn)品（如筆記本電腦、無(wú)線揚(yáng)聲器）。

2.2 紅外傳感器

紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。由于集成加工技術(shù)的限制，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的單片集成傳感器。隨著紅外光源、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展，非分光紅外（NDIR）氣體傳感器在國(guó)外得到了迅速的發(fā)展，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所與電子科技大學(xué)合作針對(duì)當(dāng)前紅外氣體傳感器存在體積大、功耗高、成本高和無(wú)法集成的問(wèn)題，開(kāi)展新一代紅外氣體傳感器研制[7]，其主要基于離子注入剝離單晶薄膜制備和MEMS加工技術(shù)，突破單晶薄膜熱釋電探測(cè)器制備、Si基微型氣室設(shè)計(jì)與加工、高精度信號(hào)處理專用集成電路設(shè)計(jì)與加工、傳感器三維集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅外氣體傳感器體積（預(yù)計(jì)<（10×100×3）mm3，表面貼裝）、重量和成本的數(shù)量級(jí)降低。其研發(fā)成功將促進(jìn)紅外氣體傳感器在文物保守、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用，并拓展其在高端檢測(cè)儀器、智能終端、單兵監(jiān)護(hù)等新領(lǐng)域的應(yīng)用。

英國(guó)PYREOS公司研究熱釋電薄膜紅外敏感元件與IC的混合集成技術(shù)（鋯鈦酸鉛薄膜與IC互連封裝），研制出PY02XX系列雙通道氣體傳感器、PY07XX系列線列傳感器產(chǎn)品，與傳統(tǒng)傳感器相比，其單只體積及成本大大降低，廣泛應(yīng)用于氣體檢測(cè)、太赫茲探測(cè)、流體分析等。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所開(kāi)展了高溫制備熱敏薄膜材料及其與Si基IC的互連和鍵合集成方法研究，研制溫度傳感器芯片[8]。相對(duì)傳統(tǒng)溫度傳感器，由于實(shí)現(xiàn)了敏感材料薄膜化及器件集成化，此類集成式溫度傳感器在測(cè)溫精度、響應(yīng)速度等關(guān)鍵性能指標(biāo)都有較大提升，其海水測(cè)溫產(chǎn)品測(cè)溫范圍-5℃～+50℃，熱時(shí)間常數(shù)10～500ms（在水中），年穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01℃，且體積小，可貼裝，大大促進(jìn)了其在海洋水文、智能家電等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)水平的提高使得人們對(duì)傳感器技術(shù)的要求越來(lái)越高，但由于傳感器種類眾多，應(yīng)用廣泛，對(duì)于特定傳感器的技術(shù)指標(biāo)和發(fā)展方向應(yīng)與其應(yīng)用相結(jié)合。例如：家居用溫度傳感器要求其低成本，裝備用溫度傳感器要求其集成化、智能化，海洋測(cè)溫溫度傳感器用要求其快響應(yīng)、高精度。但總體上講，隨著傳感器中新材料、新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、新工藝的研究與應(yīng)用，基于敏感材料制備方法創(chuàng)新和MEMS、IC工藝進(jìn)步的Si基集成技術(shù)，是未來(lái)傳感器行業(yè)發(fā)展的必然選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] SRINIVASA R.Global Markets and Technologies for Sensors[M].New York：BBC Research，2017.

[2] 中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書[Z].工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，2014.

[3] VOLKER G，DETLEF H，RALF M，et al.Sensor Trends 2014[M].Wunstorf：AMA Association for Sensor Technology，2014.

[4] 智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南[R].工業(yè)和信息化部，2017.

[5] 艾明哲，賈雅婷，陳忠志，等.基于各向異性磁阻的開(kāi)關(guān)芯片的制備與優(yōu)化[J].功能材料，2013（4）：54-55.

[6] 董姣.霍尼韋爾在中國(guó)市場(chǎng)推出納安級(jí)超低功耗磁阻傳感器集成電路[Z/EB].http：//www.honeywell.com.cn/news-center/press-releases/2014/q2/honeywell-introduces-nanoampshttp：//www.honeywell.com.cn/news-center/press-releases/2014/q2/honeywell -introduces-nanoamps.

[7] BAI X，SHUAI Y，GONG C，et al.Surface modifications of crystal-ion-sliced LiNbO3 thin films by low energy ion irradiations[J].Applied Surface Science，2018，434（8）：669-673.

[8] 常愛(ài)民.新疆理化所負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻材料研究取得進(jìn)展[J].電子元件與材料，2014，33（6）：32.