新型传感技术及应用 课件 第三部分：敏感结构的材料与工艺

新型传感技术第三部分：敏感结构的材料与工艺第三部分思考题（1）1.有观点“一代材料，一代传感器”，谈谈你的理解2.简要说明材料与工艺对传感器的重要价值发表在MOOC讨论区里2主要内容第一部分：基础知识

第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用3

456周边固支矩形平膜片不同的材料+不同的工艺7周边固支方形平膜片+双端固支梁固支E形膜片+双端固支梁第三部分：敏感结构的材料与工艺3.1敏感结构的材料3.2敏感结构的工艺81.硅材料2.二氧化硅3.压电材料4.石墨烯3.1敏感结构的材料91.硅材料硅单晶硅多晶硅各向同性各向异性单晶硅10单晶硅11单晶硅12单晶硅:MostpopularlyusedinMEMSsensors便于批量生产，易于装配；低密度(2.33g/cm2)，高弹性模量E(130-190GPa)；高熔点(nofailureeveninhightemperaturecondition)；低膨胀系数(8timeslessthanthesteel,10timeslessthanaluminium)；能够实现集成式传感器(integratedsensor)，SOC

CrystaldirectionElasticmodulusPoisson'sratioCuttingmodulusDensitycoefficientofexpansion(ppm/°C)<100>1300.278(N型)79.02.332.62<110>17061.72.332.62<111>1900.18(P型)57.52.332.62单晶硅13单晶硅半导体材料的压阻效应半导体材料的电阻特性单晶硅的晶向、晶面的表示半导体材料的各向异性密勒指数14单晶硅单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD面(100)，<100>15单晶硅16单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD面(100)，<100>2.ADGF面(110)，<110>单晶硅17单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD面(100)，<100>2.ADGF面(110)，<110>3.AHF面(111)，<111>单晶硅18单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD

面(100)，<100>2.ADGF

面(110)，<110>3.AHF

面(111)，<111>4.BCHE

面→FILG面(-110)→(1-10)，<1-10>单晶硅19压阻系数纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力横向应力压阻系数矩阵P型硅：N型硅：可忽略，可忽略，单晶硅20压阻系数P方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦Q方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦任意晶向的压阻系数单晶硅21压阻系数任意晶向的压阻系数计算(001)面上<010>晶向的纵向、横向压阻系数计算实例1压阻系数绘出P型硅(001)面内的纵向和横向压阻系数的分布图计算实例2任意晶向的压阻系数P

方向：Q

方向：单晶硅222.二氧化硅23又称硅石，自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种主要用于介电材料，提供电与热的绝缘层、掩膜保护层、表面加工的牺牲层

→用作绝缘层和掩膜层的SiO22.二氧化硅24SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O→用作牺牲层的SiO23.压电材料25机械能电能压电效应正压电效应逆压电效应压电特性3.压电材料26（1）石英晶体（2）压电陶瓷（3）偏二氟乙烯石英谐振器3.压电材料27（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类石英晶体的性能石英压电谐振器的热敏感性3.压电材料28（1）石英晶体

石英晶体的压电机理光(z)-机(y)-电(x)石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数3.压电材料29（1）石英晶体

应力电荷左旋石英晶体取正号；右旋石英晶体取负号厚度变形/长度变形/面剪切变形/厚度剪切变形3.压电材料30（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类X切族（厚度为x初始方向，旋转而成）3.压电材料31（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类石英晶体的性能压电特性非常稳定，但比较弱；温度特性和长期稳定性非常好；固有频率高，动态响应好；机械强度高，绝缘性能好，迟滞小，重复性好。3.压电材料32（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类石英晶体的性能石英压电谐振器的热敏感性石英温度传感器谐振频率与温度的关系——热灵敏系数Ct正确选择切型和工作模式3.压电材料33（1）石英晶体（2）压电陶瓷（3）偏二氟乙烯压电陶瓷元件压电换能器3.压电材料34（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电常数常用压电陶瓷3.压电材料35（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷：人工合成的多晶压电材料钛酸钡压电陶瓷3.压电材料36（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电常数钛酸钡压电陶瓷3.压电材料37（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电常数常用压电陶瓷

钛酸钡压电陶瓷锆钛酸铅压电陶瓷3.压电材料38（1）石英晶体（2）压电陶瓷（3）偏二氟乙烯一种高分子半晶态聚合物(薄膜)具有较高的电压灵敏度正压电效应输出电信号4.石墨烯392004年，单层石墨烯（Graphene）通过机械剥离法首次被制出，其理论厚度只有0.335nm，其面内杨氏模量为1TPa，断裂强度达130GPa

2010年获诺贝尔物理学奖：安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫4.石墨烯40基于石墨烯优良的机械、电学特性，研究测量流体介质的石墨烯传感器：压阻式、光纤干涉式

、谐振式SmithAD,etal.NanoLetters,2013,13(7):3237-42.MaJ,etal.OpticsLetters,2012,37(13):2493-2495.第三部分：敏感结构的材料与工艺3.1敏感结构的材料3.2敏感结构的工艺413.2敏感结构的工艺421.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术3.键合技术4.特殊精密加工技术3.2敏感结构的工艺431.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀腐蚀停止技术清除硅表面上的污染或修复被划伤了的硅表面；形成单晶硅平膜片；形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案以及具有圆形或椭圆形截面的腔和槽等3.2敏感结构的工艺441.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀(100)／(111)面的腐蚀速率大约为400：1；

而(110)面的腐蚀速率则介于二者之间3.2敏感结构的工艺451.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀腐蚀停止技术单晶硅表面进行硼重掺杂，可实现重掺杂区腐蚀速率远小于其他非重掺杂区，使腐蚀自动停止在两者交界面上；电化学（阳极）腐蚀停止技术3.2敏感结构的工艺461.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀用于高精度，侧面垂直度要求严格的图案(结构)；离子刻蚀包括等离子体刻蚀、反应离子刻蚀(也称反应溅射刻蚀)等干刻蚀方法；这些方法利用气体的等离子体生成物或者溅射进行3.2敏感结构的工艺471.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀①薄膜生成技术②牺牲层技术

（2）表面微加工技术3.2敏感结构的工艺48①薄膜生成技术物理气相淀积技术

利用高真空蒸镀和溅射的方法，使另一种物质在硅片表面上成膜真空蒸镀法蒸镀材料(Al、Au)挂在钨丝加热器上；原子蒸发，碰撞到达衬底２表面，凝聚成膜；制作电极、敏感栅真空蒸镀系统原理图１—真空室；２—衬底；４—接高真空泵；３—钨丝绕制的加热器(挂有被蒸镀的材料)3.2敏感结构的工艺49①薄膜生成技术直流溅射原理图１—靶；２—阴极；３—直流高压电源ＤＣ；４—阳极；５—基片；６—惰性气体入口；７—接真空系统直流溅射法设备复杂，成膜速度慢，但膜牢固；能制出高熔点的金属膜和化合物膜；不能溅射介质膜(绝缘层)

物理气相淀积技术

利用高真空蒸镀和溅射的方法，使另一种物质在硅片表面上成膜3.2敏感结构的工艺50①薄膜生成技术物理气相淀积技术

利用高真空蒸镀和溅射的方法，使另一种物质在硅片表面上成膜磁控射频溅射原理图１—介质靶；２—阴极；３—射频电源ＲＦ；

４—阳极；５—基片；６—接真空系统磁控射频溅射法提高溅射薄膜的均匀性和溅射速率；能制出金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜和半导体膜

3.2敏感结构的工艺51①薄膜生成技术化学气相淀积技术

使气体与衬底材料本身在加热的表面上进行化学反应，使另一种物质在表面上成膜常压化学气相淀积（NPCVD）低压化学气相淀积（LPCVD）

等离子强化化学气相淀积（PECVD）

外延工艺化学气相淀积CVD：ChemicalVaporDeposition高温条件下的利用气态物质在固体表面进行化学反应（分解、还原、氧化、置换）生成固态沉积物的工艺过程，形成薄膜

3.2敏感结构的工艺52①薄膜生成技术②牺牲层技术

3.2敏感结构的工艺531.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术2.LIGA

技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺54①Ｘ光深度同步辐射光刻过程②电铸形成金属微结构③注塑成型LIGA特点(1)制造较大深宽比结构；(2)取材广，金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；(3)可制作任意截面形状图形结构，精度高；(4)可重复复制，符合大批量生产要求，制造成本较低2.LIGA

技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺552.LIGA技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺56①④②③⑤⑥⑦2.LIGA技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺57LIGA牺牲层：SacrificialLayer3.2敏感结构的工艺581.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术3.键合技术3.2敏感结构的工艺593.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；3.2敏感结构的工艺603.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；阳极键合原理3.2敏感结构的工艺613.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；硅与玻璃阳极键合简图及实例参考压力被测压力被测压力3.2敏感结构的工艺623.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；热熔Si-Si键合：形成SOI（Silicon-on-Insulator，绝缘体上的硅）结构3.2敏感结构的工艺633.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；（3）常用的互连材料：金属和硅、硅和硅、金