摘要：基于微机械开关结构的传感器，作为微机械加工技术与传统电化学传感器技术相结合的产物，已经展现出其在新一代传感器技术中的独特优势。本文对各类微机械开关传感器进行了综合测试，其目的是为综合比较不同微型传感器的性能及优势，为日后硅基板微加工技术的进一步探索提供相应支撑，同时也为微机械开关传感器在船舶开关电器的发展方面提供新的探索思路。本文经测试研究表明各类传感器在反应速度、样品量需求、灵敏度以及人体植入监测等方面均表现出不同的优势与特点，随着元件尺寸的缩小，传感器的性能得到了显著提升。随着硅基微机械加工技术的不断提升，传感器元件的尺寸有望进一步缩小，推动电化学传感器技术的进一步发展。


从近年来举办的化学和固态传感器相关会议及学术研究看，科研单位对微机械开关的传感指标、加工工艺、敏感机理等方面进行了大力研究，并极大的提升了机械开关的相关性能。以美国为代表的众多发达国家不断的增加了微机械开关的研究投入力度，极大的推动了相关技术的发展。


微机械开关传感器微机械开关传感器体积小巧，便于在船舶有限的空间内安装和布局，同时也更容易与其他电子设备集成，实现更复杂的功能，在船舶电器方面也具备重要的应用价值。主要可用于检测船舶设备的状态，如舱门的开关状态、通风系统的启停等，从而实现对相关设备的自动控制和实时监测。同时，监测特定部位的状态，在异常情况发生时及时触发报警或采取相应的保护措施，保障船舶及人员的安全。微机械开关传感器的采用可优化船舶的能源管理。例如根据实际需求自动控制某些设备的开关，避免不必要的能源消耗。同时，其快速动作和稳定的性能有助于确保船电系统的可靠运行，减少因传感器故障导致的系统误操作或失效的风险。


微机械开关属于诸多传感器的一种，其大致工作机理是首先将电化学信号进行采集，随后将采集的物理量进行规范标准，最后将规范标准后的结果进行传感。但是目前在整个过程中，化学传感器的性能及效率仍然偏低。在微机械开关方面，我们国家在化学量的传感器实现技术上进行了充分的论证与研究，并且研发出一系列的成果。因此，本文就目前电化学传感器（微机械开关为基础）的实现模式方面进行了分析与研究。


1微机械开关化学传感器的加工


微机械开关的加工精度相对较高，主要的工艺包含硅基微机械加工技术、超精密机械加工技术和软X射线深层光刻电铸成型技术三种。其中，超精密机械加工和软X射线深层光刻电铸成型两种技术可以不依于硅基环境对陶瓷等其他材料进行加工。与此同时，激光精密加工技术由于具备精度高和效率高等优点，因此在此类加工技术中应用较为广泛。


鉴于硅基材料具备微孔加工技术成熟、通用性强和在集成电路中具备较好的兼容性等等原因，本次就硅基材料条件下的微孔结构加工工艺方面进行相关扩展测试探索。


1.1硅基微机械加工技术


微机械开关在三维成型与加工过程，可借助于多层膜、异性蚀刻及固相键合等方面的技术进行综合运用，从而实现不一样的电化学特性。微机械开关的加工技术相对于传统的集成电路而言，更加侧重于三维成型技术及加工深度。因此，在结构形状的要求上更为苛刻。目前广泛应用的光刻技术相对而言虽然具有微米级的精度，但是在加工工艺、加工效率等方面需要做出进一步的测试及探索。


对于微机械开关传感器而言，其孔、腔、槽等微型结构成型的控制腐蚀过程，重点是利用化学各向异性腐蚀的特性，通过连续溶解腐蚀技术对硅基板进行逐层腐蚀，将MASK的图形转移到硅基板上。加工过程的关键要求是通过硅膜的几何构型控制，从而使得硅膜20微米级别的均匀厚度控制。整个腐蚀工作过程基于化学制剂直接腐蚀与电化学腐蚀两种技术，同时应该具备电化学腐蚀和P+自停止腐蚀等相关的过程停止控制，以便于在整个腐蚀过程随时终止。


加工技术主要有剥离技术（Lift-Off）、牺牲层技术（Sacrificial Layers）、固相键合技术（SDB）三种技术。


剥离技术的根本是在硅基板表面进行多层膜的成型。其具体流程如图1所示，A、B表示是光刻图案在硅基板上的生成。C步骤表示的是硅基板的膜沉积。随后D步骤为光刻涂层在腐蚀溶剂下得复试。最后形成完整的沉积膜，进而实现整个工艺架构。

图1剥离技术示意图


该技术的核心在于厚度的选择与处理，其要求是光刻胶需要具备充足的厚度，这样才能确保步骤B的台阶边缘无法实现连续，如此便可以在步骤D中的剥离过程中，形成完整且相对规则的沉积膜边缘。同时，需要注意在反复剥离的过程中，为防止上层膜对下层膜产生影响，应避免材料之间的兼容性。


牺牲层技术是在微纳制造工艺中的准三维加工技术，它是指在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料（如SiO2）淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构。在硅基板上搭建单层的玻璃层（PSG）或者利用SiO2等材料来形成牺牲层。利用在牺牲层产生的多晶硅开窗口的前提下进行腐蚀，进而在牺牲层上进行结构的搭建。


牺牲层技术优点是可以制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等。


固相键合技术是指在材料连接过程中不使用液态粘连剂，而是让两块固体材料（如现硅-硅结构或者硅-玻璃结构）直接键合在一起，且键合过程中材料始终处于固相状态的方法。主要包括阳极键合和直接键合两种。其中，阳极键合是指通过施加电流在两块硅片之间形成化学键的过程；直接键合则是指在高温、高压和高真空条件下，两块硅片的表面直接接触并发生原子扩散，从而形成化学键的过程。固相键合技术具有结构特性稳定、可靠性高、工艺简单等优点，但该技术往往需要具备1000℃以上的反应条件。


1.2微机械开关的成形


经查阅有关文献发现，美国凯斯西储大学曾提出过JD足球反波胆APP下载化锡气体的传感器，该传感器为微机械开关化学传感器，其模型包含一个基于N型硅片和P型扩散电阻为加热元件，该模型的单片3mm×4mm的测温二极管结构由PN结结构组成。该研究可将250 um厚度的硅基板腐蚀至6 um。在工作过程中通过控制算法对温度进行控制，可检测多种气体类化学信号。对该传感器相比同类传感器稳定性和可靠性更高，主要原因在于半导体硅较低的能耗和较好的气敏性能。该传感器的示意图如图2所示：

图2 CWRU化学气体传感器示意图


2微结构型电化学传感器及其测试


2.1 ClarkJD足球反波胆APP下载电极传感器


该传感器是一种早期的基于微机械结构的气体传感器，其将电解液、透气膜和阴阳极一次成型，主要在利用电流反馈信号的原理。之所以未能在现代中普遍应用，原因主要受限于结构仍然相对较大，且腐蚀性能较弱。


研究硅基微机械开关的成型模式时，ClarkJD足球反波胆APP下载电极提供了经济高效的解决思路，解决以下两大关键问题，可以得到相应的推广应用。首先，通过优化电极成型技术与结构，有效抑制了电极间的Cro-s-talk现象。与此同时进一步改进电解质透气膜的化学构成，实现了机构的小型化和集成化。


通过采用分步制作后键合的方式，在工艺上我们可以避免在硅片上腐蚀深沟槽时制作电极的难点。同时，使用玻璃基片作为电极衬底，电化学噪音得到了有效消除。这种工艺的电极三维结构和凝胶电解质选择多样，有助于更好地控制电化学噪音串音。


2.2JD足球反波胆APP下载和JD足球反波胆APP下载阵列


金属丝玻璃封装工艺在构建JD足球反波胆APP下载阵列时可能会遇到批量集成化生产工艺的挑战。相比之下，电化学法为JD足球反波胆APP下载和JD足球反波胆APP下载阵列的制造提供了一种有效的解决方案。采用电化学法制成的JD足球反波胆APP下载阵列，其构型如电流法常温二JD足球反波胆APP下载化碳薄膜JD足球反波胆APP下载微机械开关所示，这种构型展示了电化学法在JD足球反波胆APP下载制造中的独特优势。在硅基衬底上，通过使用EPW腐蚀液构建双面套准光刻各向异性腐蚀结构，确保了JD足球反波胆APP下载阵列的精确性和稳定性。


此外，掩膜剥离技术的运用使得Pt沉积膜的形成成为可能，这一层膜不仅具有导电性，而且具有良好的稳定性和耐腐蚀性。在此基础上，再布置一层SiO2膜，进一步增强了JD足球反波胆APP下载阵列的结构稳定性和绝缘性能。


蚀刻半径为20微米的微圆盘工作电极的制造，更是展现了电化学法在微细加工方面的卓越能力。这种JD足球反波胆APP下载的小尺寸使得其在电化学信号采集方面具有高灵敏度和快速响应的特点。最后，通过在Pt电极上沉积一层Ag，并经过电氯化处理形成Ag/AgCl参比电极，进一步提高了JD足球反波胆APP下载阵列的电化学性能。

图3JD足球反波胆APP下载阵列示意图


近年来，JD足球反波胆APP下载阵列的蚀刻工艺取得了显著进步，这一技术突破使得我们能够制作出直径仅为1微米的Pt电极。更令人振奋的是，现在可以在一个硅基板上构建超过2000个JD足球反波胆APP下载构成阵列，同时确保芯片面积控制在小于1.6×1.6 mm的范围内。这种高密度、小尺寸的JD足球反波胆APP下载阵列在电化学信号采集方面具有巨大优势，为生物化学和医学应用提供了强大的技术支持。


如果使用这种先进的蚀刻工艺来构建ClarkJD足球反波胆APP下载电极，其性能将得到大幅提升。具体而言，JD足球反波胆APP下载浓度变化的电流响应时间将被控制在1秒以内，这意味着传感器能够迅速、准确地响应JD足球反波胆APP下载气浓度的变化。这一特性在医学应用中尤为重要，例如在置入型血JD足球反波胆APP下载监测方面。通过实时监测患者体内的血JD足球反波胆APP下载水平，医生可以及时调整治疗方案，确保患者的生命安全。