【ASTC 2020主题报告】基于MIS工艺的智能家电用传感器技术

MIS工艺MEMS制造技术和MEMS器件结构设计相辅相成，MEMS制造技术好坏直接决定了传感器的性能和制造成本。MEMS微创手术（MIS， Microholes Inter - etch & Sealing）工艺是单硅片单面三维体硅微机械加工工艺。MIS工艺机理微孔设计规则：结构成型机理：MIS工艺流程MIS工艺优点：单硅片单面加工；避免传统的硅-硅（或硅-玻璃）键合结构；无需复杂的Cavity-SOI工艺或昂贵的SOI硅片；膜片厚度精确可控，一致性好；腐蚀自停止，成品率高；制备工艺与ICFoundry工艺兼容，可实现批量化制造。基于MIS工艺相关传感器基于MIS工艺开发出一系列热、力、声学物理量传感器，部分成果已经转让并解决国家重大需求，其中大部分可以满足智能家电需求。封装应力自抑制高精度压力传感器为解决封装难题，在压力传感器芯片上集成封装应力片上自抑制结构。

压力传感器位于悬臂梁末端，腔体埋入悬臂梁内部，利用悬臂梁尾端活动自由结构力学特性，避免了封装应力传递到压力敏感膜片。基于TUB的高性能微差压传感器微差压传感器最大设计难点在于如何解决高灵敏度、非线性和微尺寸三者间矛盾相兼容性问题——高灵敏度要求极薄的压力敏感薄膜或极大的薄膜面积，受硅片平整度限制可加工薄膜最薄仅为10μm，因此只能增大薄膜面积实现，导致芯片尺寸大且输出非线性严重！采用TUB（Thin-filmUnderBulk）工艺成功研制出高性能微差压传感器。热电阻式气体流量传感器研制可与Honeywell流量传感器相媲美的高性能热电阻式气体流量传感器；隔热腔体深度不受工艺限制，腔体深度越大，热阻更大，功耗越低，灵敏度越高：芯片尺寸：0.7mm×0.7mm，灵敏度：3.9mV/SLM/mW(无放大处理)，响应时间≤1.5ms。

Honeywell流量传感器：芯片尺寸：1.2mm×1.2mm；隔热腔体深度受工艺限制，热阻无法进一步增大，功耗较大，灵敏度难以提高；敏感元件只能与芯片边缘呈45°排布，不利于微型管路封装。可以实现对Honeywell流量传感器的国产化替代。p+Si/metal热堆式气体流量传感器国际上首次实现了高性能p+Si/Metal热堆式气体质量流量传感器；采用“鱼骨”状隔热薄膜结构，降低了加热电阻的热损耗；单晶硅热偶臂冷端埋入硅基衬底内部，增加了冷热端的温度差，提高了器件灵敏度和响应时间；制备工艺与IC-Foundry完全兼容，实现高良率、低成本批量制造。

芯片尺寸：0.5mm×0.7mm，灵敏度：0.54mV/SLM/mW(无放大处理)，响应时间≤1.5ms。PM2.5传感器在谐振硅微悬臂梁中集成了微沟道和尺度选择过滤栅栏，首次按照PM2.5原始定义实现了PM2.5粒子的称量，可在小于3分钟时间内检测到单个PM2.5颗粒。该种传感器可解决市场上现有光学检测原理传感器不能区分雾和霾的虚假测量问题。单晶硅红外热电堆探测器气体传感器人工嗅觉传感器方面形成了“谐振悬臂梁”和“悬浮微加热盘电极”两类技术路线。利用前者开发了苯胺、CO、CO2、NH3等传感器，用后者开发了氟利昂、H2S、H2等传感器，痕量浓度检测水平都达到了国际领先。

总结没有传感技术，就不可能有智能家居和电器；随着传感技术的迅速发展，家居和家电的智能化已成必然发展趋势；基于MIS工艺的传感器具有更小芯片尺寸、更高性能、更低成本等优势，可以满足智能家电发展需求。