基于Si基集成技術的智能傳感器應用

吳開拓 張繼華 張萬里

摘 要：隨著傳感器向小型化、集成化、智能化方向發展，以微機電系統（MEMS）和集成電路（IC）工藝技術為基礎制備智能傳感器，已成為傳感器領域的研究熱點。本文介紹了傳感器發展的歷程，詳述了智能傳感器中Si基集成技術的單片集成（異質生長和離子注入剝離）和混合集成技術兩類三種實現方法，并結合國內外現狀，介紹了其在磁性、紅外、熱敏傳感器的典型應用。

關鍵詞：Si基集成技術 智能傳感器 MEMS IC

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（b）-0106-02

傳感器是一種能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置，其與通信、計算機被稱為現代信息技術的三大支柱，已被國內外公認為是最具有發展前途的高技術產業之一。根據BCC Research的數據，2016年全球傳感器市場規模達到1235億美元，預計到2022年接近2403億，2017—2022的年復合增長率為11.8%，到2025年，以傳感器為基礎的物聯網帶來的經濟效益將在2.7萬億到6.2萬億美元之間[1]。

目前，傳感器的發展已進入智能化階段，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、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品[2-3]。2017年11月20日，工信部制定的“智能傳感器產業三年行動指南（2017—2019年）”正式印發，明確了傳感器產業發展目標和方向就是智能化傳感器，并制定了相應的產業發展路線圖，確定了MEMS工藝和集成電路工藝相結合的產業發展路徑以及以市場應用為主導的政策扶持原則[4]。可以看出，智能傳感器是決定未來信息技術產業發展的核心與基礎。

1 Si基集成技術實現

Si基集成技術是指將敏感材料薄膜化，通過MEMS工藝與IC集成在一起的一種智能傳感器芯片制備技術。這種集成技術使只有單一信號變換功能的傳感器擴展為有信號放大、運算、補償等功能的傳感器芯片，兼具高靈敏度、低功耗、小型化、智能化、低成本、易產業化等優點，且適用于多類傳感器芯片制備，是一種關鍵共性技術，已成為傳感器技術發展的必然趨勢。從敏感單元與IC集成的形式看，Si基集成技術可分為單片集成和混合集成兩大類。

1.1 單片集成技術

單片集成技術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，根據敏感薄膜材料的制備方法，還可細分為異質生長技術和離子注入剝離技術。

對于能夠使用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，可采用異質生長技術在Si基IC上生長敏感薄膜，進而制備集成傳感器芯片。該技術工藝簡單、制備成本低，但對敏感材料的特性有較為苛刻的要求，研究重點是如何結合緩沖層技術解決敏感薄膜與Si基IC間界面失配問題，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，沉積晶圓級高品質敏感薄膜，如何使用無源敏感薄膜在線無損測試技術，優化生長參數，實現對無源敏感薄膜材料厚度和性能均勻性的有效控制。

對于晶格失配較大、不能大面積異質生長、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，將薄膜材料從單晶塊材上剝離并轉移到Si基IC上實現異質集成，可解決敏感材料與Si基IC集成過程中的工藝兼容性問題。該技術適用材料廣泛，但工藝較為復雜、成本較高，研究重點是如何有效降低敏感薄膜與Si晶圓界面熱失配應力，以確保晶圓級敏感薄膜的完整性。

1.2 混合集成技術

混合集成技術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、互聯集成，克服了工藝兼容性，降低了工藝復雜性和成本。

從集成方式上看，混合集成技術在襯底類型、工藝條件方面選擇靈活，集成方式簡單，工藝移植性好，可集成傳感器種類多。盡管集成度相對單片集成較低，仍是目前傳感器集成技術的主流方向。如何采用先進技術制備出更高性能的晶圓級敏感薄膜材料，如何實現更優化的集成結構設計是該類技術的研究重點。

2 典型應用

2.1 磁阻傳感器

磁阻傳感器是根據磁性材料的磁阻效應制成的一種磁場探測裝置。美國Honeywell公司、電子科技大學[5]等相繼研究了磁阻傳感器芯片，其使用了基于異質生長薄膜的單片集成技術，將具有各向異性磁阻效應（AMR）的磁性薄膜直接沉積在Si基IC上，并通過切割、封裝、測試得到傳感器芯片。磁阻傳感器芯片具有超低功耗、低成本、小尺寸（1.3×2.9）mm、可表面貼裝等優點，其中Honeywell公司SM351LT型號電流消耗僅為360nA，卻能提供超高磁敏度（典型為7 高斯），且其探測氣隙距離的能力是霍爾效應傳感器的兩倍[6]。目前主要應用于水表、煤氣表、電表、工業煙霧警報器、健身設備、安防系統、手持式計算機、掃描儀、大型家用電器（如洗碗機、微波爐、洗衣機、冰箱和咖啡機）、醫療設備（如病床、藥物分發柜和輸液泵）以及消費性電子產品（如筆記本電腦、無線揚聲器）。

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度關系（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。由于集成加工技術的限制，目前國內外還沒有成熟的單片集成傳感器。隨著紅外光源、傳感器及電子技術的發展，非分光紅外（NDIR）氣體傳感器在國外得到了迅速的發展，中國電子科技集團公司第二十六研究所與電子科技大學合作針對當前紅外氣體傳感器存在體積大、功耗高、成本高和無法集成的問題，開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，突破單晶薄膜熱釋電探測器制備、Si基微型氣室設計與加工、高精度信號處理專用集成電路設計與加工、傳感器三維集成等技術，實現紅外氣體傳感器體積（預計<（10×100×3）mm3，表面貼裝）、重量和成本的數量級降低。其研發成功將促進紅外氣體傳感器在文物保守、環境監測等領域應用，并拓展其在高端檢測儀器、智能終端、單兵監護等新領域的應用。

英國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（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系列線列傳感器產品，與傳統傳感器相比，其單只體積及成本大大降低，廣泛應用于氣體檢測、太赫茲探測、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換成可用輸出信號的傳感器。中國科學院新疆理化技術研究所開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]。相對傳統溫度傳感器，由于實現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溫精度、響應速度等關鍵性能指標都有較大提升，其海水測溫產品測溫范圍-5℃～+50℃，熱時間常數10～500ms（在水中），年穩定性優于±0.01℃，且體積小，可貼裝，大大促進了其在海洋水文、智能家電等領域的應用。

3 結語

科學水平的提高使得人們對傳感器技術的要求越來越高，但由于傳感器種類眾多，應用廣泛，對于特定傳感器的技術指標和發展方向應與其應用相結合。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，海洋測溫溫度傳感器用要求其快響應、高精度。但總體上講，隨著傳感器中新材料、新機理、新結構、新工藝的研究與應用，基于敏感材料制備方法創新和MEMS、IC工藝進步的Si基集成技術，是未來傳感器行業發展的必然選擇。

參考文獻

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

[2] 中國傳感器產業發展白皮書[Z].工業和信息化部電子科學技術情報研究所，2014.

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

[4] 智能傳感器產業三年行動指南[R].工業和信息化部，2017.

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

[6] 董姣.霍尼韋爾在中國市場推出納安級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] 常愛民.新疆理化所負溫度系數熱敏電阻材料研究取得進展[J].電子元件與材料，2014，33（6）：32.