摘要：基于微機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的傳感器，作為微機(jī)械加工技術(shù)與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，已經(jīng)展現(xiàn)出其在新一代傳感器技術(shù)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)各類(lèi)微機(jī)械開(kāi)關(guān)傳感器進(jìn)行了綜合測(cè)試，其目的是為綜合比較不同微型傳感器的性能及優(yōu)勢(shì)，為日后硅基板微加工技術(shù)的進(jìn)一步探索提供相應(yīng)支撐，同時(shí)也為微機(jī)械開(kāi)關(guān)傳感器在船舶開(kāi)關(guān)電器的發(fā)展方面提供新的探索思路。本文經(jīng)測(cè)試研究表明各類(lèi)傳感器在反應(yīng)速度、樣品量需求、靈敏度以及人體植入監(jiān)測(cè)等方面均表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，隨著元件尺寸的縮小，傳感器的性能得到了顯著提升。隨著硅基微機(jī)械加工技術(shù)的不斷提升，傳感器元件的尺寸有望進(jìn)一步縮小，推動(dòng)電化學(xué)傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

從近年來(lái)舉辦的化學(xué)和固態(tài)傳感器相關(guān)會(huì)議及學(xué)術(shù)研究看，科研單位對(duì)微機(jī)械開(kāi)關(guān)的傳感指標(biāo)、加工工藝、敏感機(jī)理等方面進(jìn)行了大力研究，并極大的提升了機(jī)械開(kāi)關(guān)的相關(guān)性能。以美國(guó)為代表的眾多發(fā)達(dá)國(guó)家不斷的增加了微機(jī)械開(kāi)關(guān)的研究投入力度，極大的推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

微機(jī)械開(kāi)關(guān)傳感器微機(jī)械開(kāi)關(guān)傳感器體積小巧，便于在船舶有限的空間內(nèi)安裝和布局，同時(shí)也更容易與其他電子設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，在船舶電器方面也具備重要的應(yīng)用價(jià)值。主要可用于檢測(cè)船舶設(shè)備的狀態(tài)，如艙門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、通風(fēng)系統(tǒng)的啟停等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)特定部位的狀態(tài)，在異常情況發(fā)生時(shí)及時(shí)觸發(fā)報(bào)警或采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保障船舶及人員的安全。微機(jī)械開(kāi)關(guān)傳感器的采用可優(yōu)化船舶的能源管理。例如根據(jù)實(shí)際需求自動(dòng)控制某些設(shè)備的開(kāi)關(guān)，避免不必要的能源消耗。同時(shí)，其快速動(dòng)作和穩(wěn)定的性能有助于確保船電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，減少因傳感器故障導(dǎo)致的系統(tǒng)誤操作或失效的風(fēng)險(xiǎn)。

微機(jī)械開(kāi)關(guān)屬于諸多傳感器的一種，其大致工作機(jī)理是首先將電化學(xué)信號(hào)進(jìn)行采集，隨后將采集的物理量進(jìn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，最后將規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)后的結(jié)果進(jìn)行傳感。但是目前在整個(gè)過(guò)程中，化學(xué)傳感器的性能及效率仍然偏低。在微機(jī)械開(kāi)關(guān)方面，我們國(guó)家在化學(xué)量的傳感器實(shí)現(xiàn)技術(shù)上進(jìn)行了充分的論證與研究，并且研發(fā)出一系列的成果。因此，本文就目前電化學(xué)傳感器（微機(jī)械開(kāi)關(guān)為基礎(chǔ)）的實(shí)現(xiàn)模式方面進(jìn)行了分析與研究。

1微機(jī)械開(kāi)關(guān)化學(xué)傳感器的加工

微機(jī)械開(kāi)關(guān)的加工精度相對(duì)較高，主要的工藝包含硅基微機(jī)械加工技術(shù)、超精密機(jī)械加工技術(shù)和軟X射線深層光刻電鑄成型技術(shù)三種。其中，超精密機(jī)械加工和軟X射線深層光刻電鑄成型兩種技術(shù)可以不依于硅基環(huán)境對(duì)陶瓷等其他材料進(jìn)行加工。與此同時(shí)，激光精密加工技術(shù)由于具備精度高和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在此類(lèi)加工技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛。

鑒于硅基材料具備微孔加工技術(shù)成熟、通用性強(qiáng)和在集成電路中具備較好的兼容性等等原因，本次就硅基材料條件下的微孔結(jié)構(gòu)加工工藝方面進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)展測(cè)試探索。

1.1硅基微機(jī)械加工技術(shù)

微機(jī)械開(kāi)關(guān)在三維成型與加工過(guò)程，可借助于多層膜、異性蝕刻及固相鍵合等方面的技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)不一樣的電化學(xué)特性。微機(jī)械開(kāi)關(guān)的加工技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的集成電路而言，更加側(cè)重于三維成型技術(shù)及加工深度。因此，在結(jié)構(gòu)形狀的要求上更為苛刻。目前廣泛應(yīng)用的光刻技術(shù)相對(duì)而言雖然具有微米級(jí)的精度，但是在加工工藝、加工效率等方面需要做出進(jìn)一步的測(cè)試及探索。

對(duì)于微機(jī)械開(kāi)關(guān)傳感器而言，其孔、腔、槽等微型結(jié)構(gòu)成型的控制腐蝕過(guò)程，重點(diǎn)是利用化學(xué)各向異性腐蝕的特性，通過(guò)連續(xù)溶解腐蝕技術(shù)對(duì)硅基板進(jìn)行逐層腐蝕，將MASK的圖形轉(zhuǎn)移到硅基板上。加工過(guò)程的關(guān)鍵要求是通過(guò)硅膜的幾何構(gòu)型控制，從而使得硅膜20微米級(jí)別的均勻厚度控制。整個(gè)腐蝕工作過(guò)程基于化學(xué)制劑直接腐蝕與電化學(xué)腐蝕兩種技術(shù)，同時(shí)應(yīng)該具備電化學(xué)腐蝕和P+自停止腐蝕等相關(guān)的過(guò)程停止控制，以便于在整個(gè)腐蝕過(guò)程隨時(shí)終止。

加工技術(shù)主要有剝離技術(shù)（Lift-Off）、犧牲層技術(shù)（Sacrificial Layers）、固相鍵合技術(shù)（SDB）三種技術(shù)。

剝離技術(shù)的根本是在硅基板表面進(jìn)行多層膜的成型。其具體流程如圖1所示，A、B表示是光刻圖案在硅基板上的生成。C步驟表示的是硅基板的膜沉積。隨后D步驟為光刻涂層在腐蝕溶劑下得復(fù)試。最后形成完整的沉積膜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝架構(gòu)。

圖1剝離技術(shù)示意圖

該技術(shù)的核心在于厚度的選擇與處理，其要求是光刻膠需要具備充足的厚度，這樣才能確保步驟B的臺(tái)階邊緣無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)，如此便可以在步驟D中的剝離過(guò)程中，形成完整且相對(duì)規(guī)則的沉積膜邊緣。同時(shí)，需要注意在反復(fù)剝離的過(guò)程中，為防止上層膜對(duì)下層膜產(chǎn)生影響，應(yīng)避免材料之間的兼容性。

犧牲層技術(shù)是在微納制造工藝中的準(zhǔn)三維加工技術(shù)，它是指在形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)的空腔或可活動(dòng)的微結(jié)構(gòu)過(guò)程中，先在下層薄膜上用結(jié)構(gòu)材料（如SiO2）淀積所需的各種特殊結(jié)構(gòu)件，再用化學(xué)刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結(jié)構(gòu)件，然后得到上層薄膜結(jié)構(gòu)。在硅基板上搭建單層的玻璃層（PSG）或者利用SiO2等材料來(lái)形成犧牲層。利用在犧牲層產(chǎn)生的多晶硅開(kāi)窗口的前提下進(jìn)行腐蝕，進(jìn)而在犧牲層上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的搭建。

犧牲層技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以制造出多種活動(dòng)的微結(jié)構(gòu)，如微型橋、懸臂梁及懸臂塊等。

固相鍵合技術(shù)是指在材料連接過(guò)程中不使用液態(tài)粘連劑，而是讓兩塊固體材料（如現(xiàn)硅-硅結(jié)構(gòu)或者硅-玻璃結(jié)構(gòu)）直接鍵合在一起，且鍵合過(guò)程中材料始終處于固相狀態(tài)的方法。主要包括陽(yáng)極鍵合和直接鍵合兩種。其中，陽(yáng)極鍵合是指通過(guò)施加電流在兩塊硅片之間形成化學(xué)鍵的過(guò)程；直接鍵合則是指在高溫、高壓和高真空條件下，兩塊硅片的表面直接接觸并發(fā)生原子擴(kuò)散，從而形成化學(xué)鍵的過(guò)程。固相鍵合技術(shù)具有結(jié)構(gòu)特性穩(wěn)定、可靠性高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)往往需要具備1000℃以上的反應(yīng)條件。

1.2微機(jī)械開(kāi)關(guān)的成形

經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)曾提出過(guò)氧化錫氣體的傳感器，該傳感器為微機(jī)械開(kāi)關(guān)化學(xué)傳感器，其模型包含一個(gè)基于N型硅片和P型擴(kuò)散電阻為加熱元件，該模型的單片3mm×4mm的測(cè)溫二極管結(jié)構(gòu)由PN結(jié)結(jié)構(gòu)組成。該研究可將250 um厚度的硅基板腐蝕至6 um。在工作過(guò)程中通過(guò)控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，可檢測(cè)多種氣體類(lèi)化學(xué)信號(hào)。對(duì)該傳感器相比同類(lèi)傳感器穩(wěn)定性和可靠性更高，主要原因在于半導(dǎo)體硅較低的能耗和較好的氣敏性能。該傳感器的示意圖如圖2所示：

圖2 CWRU化學(xué)氣體傳感器示意圖

2微結(jié)構(gòu)型電化學(xué)傳感器及其測(cè)試

2.1 Clark氧電極傳感器

該傳感器是一種早期的基于微機(jī)械結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，其將電解液、透氣膜和陰陽(yáng)極一次成型，主要在利用電流反饋信號(hào)的原理。之所以未能在現(xiàn)代中普遍應(yīng)用，原因主要受限于結(jié)構(gòu)仍然相對(duì)較大，且腐蝕性能較弱。

研究硅基微機(jī)械開(kāi)關(guān)的成型模式時(shí)，Clark氧電極提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決思路，解決以下兩大關(guān)鍵問(wèn)題，可以得到相應(yīng)的推廣應(yīng)用。首先，通過(guò)優(yōu)化電極成型技術(shù)與結(jié)構(gòu)，有效抑制了電極間的Cro-s-talk現(xiàn)象。與此同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)電解質(zhì)透氣膜的化學(xué)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的小型化和集成化。

通過(guò)采用分步制作后鍵合的方式，在工藝上我們可以避免在硅片上腐蝕深溝槽時(shí)制作電極的難點(diǎn)。同時(shí)，使用玻璃基片作為電極襯底，電化學(xué)噪音得到了有效消除。這種工藝的電極三維結(jié)構(gòu)和凝膠電解質(zhì)選擇多樣，有助于更好地控制電化學(xué)噪音串音。

2.2微電極和微電極陣列

金屬絲玻璃封裝工藝在構(gòu)建微電極陣列時(shí)可能會(huì)遇到批量集成化生產(chǎn)工藝的挑戰(zhàn)。相比之下，電化學(xué)法為微電極和微電極陣列的制造提供了一種有效的解決方案。采用電化學(xué)法制成的微電極陣列，其構(gòu)型如電流法常溫二氧化碳薄膜微電極微機(jī)械開(kāi)關(guān)所示，這種構(gòu)型展示了電化學(xué)法在微電極制造中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在硅基襯底上，通過(guò)使用EPW腐蝕液構(gòu)建雙面套準(zhǔn)光刻各向異性腐蝕結(jié)構(gòu)，確保了微電極陣列的精確性和穩(wěn)定性。

此外，掩膜剝離技術(shù)的運(yùn)用使得Pt沉積膜的形成成為可能，這一層膜不僅具有導(dǎo)電性，而且具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。在此基礎(chǔ)上，再布置一層SiO2膜，進(jìn)一步增強(qiáng)了微電極陣列的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和絕緣性能。

蝕刻半徑為20微米的微圓盤(pán)工作電極的制造，更是展現(xiàn)了電化學(xué)法在微細(xì)加工方面的卓越能力。這種微電極的小尺寸使得其在電化學(xué)信號(hào)采集方面具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。最后，通過(guò)在Pt電極上沉積一層Ag，并經(jīng)過(guò)電氯化處理形成Ag/AgCl參比電極，進(jìn)一步提高了微電極陣列的電化學(xué)性能。

圖3微電極陣列示意圖

近年來(lái)，微電極陣列的蝕刻工藝取得了顯著進(jìn)步，這一技術(shù)突破使得我們能夠制作出直徑僅為1微米的Pt電極。更令人振奮的是，現(xiàn)在可以在一個(gè)硅基板上構(gòu)建超過(guò)2000個(gè)微電極構(gòu)成陣列，同時(shí)確保芯片面積控制在小于1.6×1.6 mm的范圍內(nèi)。這種高密度、小尺寸的微電極陣列在電化學(xué)信號(hào)采集方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，為生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

如果使用這種先進(jìn)的蝕刻工藝來(lái)構(gòu)建Clark氧電極，其性能將得到大幅提升。具體而言，氧濃度變化的電流響應(yīng)時(shí)間將被控制在1秒以內(nèi)，這意味著傳感器能夠迅速、準(zhǔn)確地響應(yīng)氧氣濃度的變化。這一特性在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中尤為重要，例如在置入型血氧監(jiān)測(cè)方面。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者體內(nèi)的血氧水平，醫(yī)生可以及時(shí)調(diào)整治療方案，確?；颊叩纳踩?