基于Si基集成技术的智能传感器应用

吴开拓 张继华 张万里

摘 要：随着传感器向小型化、集成化、智能化方向发展，以微机电系统（MEMS）和集成電路（IC）工艺技术为基础制备智能传感器，已成为传感器领域的研究热点。本文介绍了传感器发展的历程，详述了智能传感器中Si基集成技术的单片集成（异质生长和离子注入剥离）和混合集成技术两类三种实现方法，并结合国内外现状，介绍了其在磁性、红外、热敏传感器的典型应用。

关键词：Si基集成技术 智能传感器 MEMS IC

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（b）-0106-02

传感器是一种能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置，其与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱，已被国内外公认为是最具有发展前途的高技术产业之一。根据BCC Research的数据，2016年全球传感器市场规模达到1235亿美元，预计到2022年接近2403亿，2017—2022的年复合增长率为11.8%，到2025年，以传感器为基础的物联网带来的经济效益将在2.7万亿到6.2万亿美元之间[1]。

目前，传感器的发展已进入智能化阶段，它是指具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储功能的多元件集成电路，是集成传感芯片、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品[2-3]。2017年11月20日，工信部制定的“智能传感器产业三年行动指南（2017—2019年）”正式印发，明确了传感器产业发展目标和方向就是智能化传感器，并制定了相应的产业发展路线图，确定了MEMS工艺和集成电路工艺相结合的产业发展路径以及以市场应用为主导的政策扶持原则[4]。可以看出，智能传感器是决定未来信息技术产业发展的核心与基础。

1 Si基集成技术实现

Si基集成技术是指将敏感材料薄膜化，通过MEMS工艺与IC集成在一起的一种智能传感器芯片制备技术。这种集成技术使只有单一信号变换功能的传感器扩展为有信号放大、运算、补偿等功能的传感器芯片，兼具高灵敏度、低功耗、小型化、智能化、低成本、易产业化等优点，且适用于多类传感器芯片制备，是一种关键共性技术，已成为传感器技术发展的必然趋势。从敏感单元与IC集成的形式看，Si基集成技术可分为单片集成和混合集成两大类。

1.1 单片集成技术

单片集成技术即是将薄膜敏感单元直接制备在IC上，形成“单片式”传感器芯片，根据敏感薄膜材料的制备方法，还可细分为异质生长技术和离子注入剥离技术。

对于能够使用CVD、PVD等方法大面积制备，且制备与MEMS、集成电路工艺兼容的敏感薄膜材料，可采用异质生长技术在Si基IC上生长敏感薄膜，进而制备集成传感器芯片。该技术工艺简单、制备成本低，但对敏感材料的特性有较为苛刻的要求，研究重点是如何结合缓冲层技术解决敏感薄膜与Si基IC间界面失配问题，如何在不平整的IC晶圆钝化层上和不破坏Si基IC的条件下，沉积晶圆级高品质敏感薄膜，如何使用无源敏感薄膜在线无损测试技术，优化生长参数，实现对无源敏感薄膜材料厚度和性能均匀性的有效控制。

对于晶格失配较大、不能大面积异质生长、制备温度较高（大于400℃）的敏感薄膜材料，可采用Smart-Cut（离子注入剥离）单晶薄膜制备技术，将薄膜材料从单晶块材上剥离并转移到Si基IC上实现异质集成，可解决敏感材料与Si基IC集成过程中的工艺兼容性问题。该技术适用材料广泛，但工艺较为复杂、成本较高，研究重点是如何有效降低敏感薄膜与Si晶圆界面热失配应力，以确保晶圆级敏感薄膜的完整性。

1.2 混合集成技术

混合集成技术是指敏感薄膜未直接沉积在Si基IC上，而是和IC互连封装在一起，形成“混合式”传感器芯片。对于敏感单元与IC有隔离要求的传感器以及单片集成不能得到优异性能的敏感材料宜采用此类集成方法。敏感单元与IC分别制备、互联集成，克服了工艺兼容性，降低了工艺复杂性和成本。

从集成方式上看，混合集成技术在衬底类型、工艺条件方面选择灵活，集成方式简单，工艺移植性好，可集成传感器种类多。尽管集成度相对单片集成较低，仍是目前传感器集成技术的主流方向。如何采用先进技术制备出更高性能的晶圆级敏感薄膜材料，如何实现更优化的集成结构设计是该类技术的研究重点。

2 典型应用

2.1 磁阻传感器

磁阻传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的一种磁场探测装置。美国Honeywell公司、电子科技大学[5]等相继研究了磁阻传感器芯片，其使用了基于异质生长薄膜的单片集成技术，将具有各向异性磁阻效应（AMR）的磁性薄膜直接沉积在Si基IC上，并通过切割、封装、测试得到传感器芯片。磁阻传感器芯片具有超低功耗、低成本、小尺寸（1.3×2.9）mm、可表面贴装等优点，其中Honeywell公司SM351LT型号电流消耗仅为360nA，却能提供超高磁敏度（典型为7 高斯），且其探测气隙距离的能力是霍尔效应传感器的两倍[6]。目前主要应用于水表、煤气表、电表、工业烟雾警报器、健身设备、安防系统、手持式计算机、扫描仪、大型家用电器（如洗碗机、微波炉、洗衣机、冰箱和咖啡机）、医疗设备（如病床、药物分发柜和输液泵）以及消费性电子产品（如笔记本电脑、无线扬声器）。

2.2 红外传感器

红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。由于集成加工技术的限制，目前国内外还没有成熟的单片集成传感器。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，非分光红外（NDIR）气体传感器在国外得到了迅速的发展，中国电子科技集团公司第二十六研究所与电子科技大学合作针对当前红外气体传感器存在体积大、功耗高、成本高和无法集成的问题，开展新一代红外气体传感器研制[7]，其主要基于离子注入剥离单晶薄膜制备和MEMS加工技术，突破单晶薄膜热释电探测器制备、Si基微型气室设计与加工、高精度信号处理专用集成电路设计与加工、传感器三维集成等技术，实现红外气体传感器体积（预计<（10×100×3）mm3，表面贴装）、重量和成本的数量级降低。其研发成功将促进红外气体传感器在文物保守、环境监测等领域应用，并拓展其在高端检测仪器、智能终端、单兵监护等新领域的应用。

英国PYREOS公司研究热释电薄膜红外敏感元件與IC的混合集成技术（锆钛酸铅薄膜与IC互连封装），研制出PY02XX系列双通道气体传感器、PY07XX系列线列传感器产品，与传统传感器相比，其单只体积及成本大大降低，广泛应用于气体检测、太赫兹探测、流体分析等。

2.3 温度传感器

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。中国科学院新疆理化技术研究所开展了高温制备热敏薄膜材料及其与Si基IC的互连和键合集成方法研究，研制温度传感器芯片[8]。相对传统温度传感器，由于实现了敏感材料薄膜化及器件集成化，此类集成式温度传感器在测温精度、响应速度等关键性能指标都有较大提升，其海水测温产品测温范围-5℃～+50℃，热时间常数10～500ms（在水中），年稳定性优于±0.01℃，且体积小，可贴装，大大促进了其在海洋水文、智能家电等领域的应用。

3 结语

科学水平的提高使得人们对传感器技术的要求越来越高，但由于传感器种类众多，应用广泛，对于特定传感器的技术指标和发展方向应与其应用相结合。例如：家居用温度传感器要求其低成本，装备用温度传感器要求其集成化、智能化，海洋测温温度传感器用要求其快响应、高精度。但总体上讲，随着传感器中新材料、新机理、新结构、新工艺的研究与应用，基于敏感材料制备方法创新和MEMS、IC工艺进步的Si基集成技术，是未来传感器行业发展的必然选择。

参考文献

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

[2] 中国传感器产业发展白皮书[Z].工业和信息化部电子科学技术情报研究所，2014.

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

[4] 智能传感器产业三年行动指南[R].工业和信息化部，2017.

[5] 艾明哲，贾雅婷，陈忠志，等.基于各向异性磁阻的开关芯片的制备与优化[J].功能材料，2013（4）：54-55.

[6] 董姣.霍尼韦尔在中国市场推出纳安级超低功耗磁阻传感器集成电路[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] 常爱民.新疆理化所负温度系数热敏电阻材料研究取得进展[J].电子元件与材料，2014，33（6）：32.