原创 传感器材料与技术

传感器制造的方法多种多样，与具体设计有关。其中包括对半导体、光学部件、金属、陶瓷和塑料等材料的加工处理。这里我们简略说明使用的一些材料和最常用到的技术。

1 材料

1.1 作为感应材料的硅

硅存在于太阳和星体之中，是被称为石陨石的陨石中的主要成分。硅是地球上第二丰富的元素，仅次于氧。按重量计算，硅在地壳中的含量高达25.7%。在自然界中硅不会单独存在，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。这些氧化物包括沙子、石英、白水晶、紫水晶、粘土、云母等。硅的制备方法是在使用炭电极的电炉中加热二氧化硅和碳的混合物。还有其它几种制备硅的方法。晶体硅具有金属光泽和浅灰色调。直拉法是常用的生长单晶硅的方法，这种单晶硅用于固态半导体器件和微机械传感器的制造。硅是比较呈惰性的元素，但会被卤素元素和弱碱侵蚀。除了氢氟酸以外的其它酸都不会对硅造成影响。元素硅可发射红外辐射，通常用于中、远红外传感器的窗口和透镜。

硅的原子量是28.0855，原子序数是14。其熔点是1,410℃，沸点是2,355℃。在25℃的密度是2.33，化合价是4。

人们已经对硅的特性进行了详细的研究，其在传感器制造方面的应用也已在世界范围内做了广泛探索。硅材料造价低，而且现在可以用前所未有的纯度和完整度标准进行制备和加工。硅材料呈现出众多物理特性，这在传感器应用中相当有用（见表1）。

表1 硅基传感器利用的材料效应

激励	效应
光照	光生伏特效应，光电效应，光电导性，光磁电效应
力学量	压阻效应，横向光电效应，横向光伏效应
热量	塞贝克效应，电导率和结的温度依赖性，能斯特效应
磁性	霍尔效应，磁阻，热岛效应
化学量	离子敏感性

令人遗憾的是，硅材料不具有压电效应（或许这也是幸运的事情，因为在很多传感器中，压电效应会产生干扰）。硅材料的多数效应都相当明显，例如霍尔效应，塞贝克效应，压敏电阻效应等。然而硅材料的一个主要问题是，其对很多激励产生的响应，表现出明显的温度敏感性。例如对应变力、光和磁场的响应，都会随温度而变化。对于那些硅材料不具备的效应，可以在硅衬底上淀积一层具有所需敏感性的材料。例如，在硅材料表面利用喷溅涂覆法形成一层ZnO薄膜，就能产生压电传感效应，可用来制造表面声波器件（SAW）和加速度计。近来在利用蚀刻方法形成的涂覆ZnO层的微机械悬臂的支撑端，也检测到了应力变化。

硅材料也表现出十分有用的机械特性。利用这些特性，通过微机电系统（MEMS）技术，硅材料可广泛用于诸如压力传感器、温度传感器和力及触觉传感器等器件的制造。利用在电子电路芯片的制造中已经充分完善的同样方法，薄膜和光刻制备工艺等，能够实现各种各样极其微小和极高精度的机械结构。大批量制造技术可被用于制造复杂和微型的机械部件，这是用其它方法难以做到的。

尽管单晶硅（SCSi）是一种脆性材料，难以弯曲（与多数氧化物基玻璃没什么不同），无法塑性变形（像多数金属那样），但它也不像通常认为的那样易碎。硅的杨氏模量值（1.9×1012dyne/cm或27×106psi）接近于不锈钢，远高于石英和多数玻璃。之所以有硅材料易碎的印象，是因为通常看到的硅圆片（直径5～13厘米）只有250～500微米厚。即使是不锈钢，在这样的尺寸下，也很容易碎裂。

如上所述，单晶硅的很多结构和机械方面的不足，可以通过淀积薄膜加以弥补。例如为了防止集成电路芯片受到空气杂质和大气腐蚀效应的影响，工业上通常采用石英溅射的方法进行钝化处理。另一个例子是表面淀积氮化硅，这种物质的硬度仅次于金刚石。各向异性蚀刻，是在硅中进行三维微结构加工的关键技术。具有实用价值的蚀刻系统有两种。一种基于乙二胺和水及一些助剂；另一种只是由类似KOH、NaOH或LiOH的无机碱性溶液构成。

      通过制备所谓的多晶硅（PS）材料，可以开发具有独特性质的传感器。采用真空淀积法，可以在氧化层厚度为0.1微米的氧化硅晶片表面形成多晶硅层（厚度在0.5微米量级）。半导体工业中使用的低压化学气相淀积技术（LPCVD），可以制备掺杂硼的多晶硅层。

图1 a.掺硼硅的电阻率变化；b.不同掺杂浓度时硅电阻率的温度系数变化。

      与单晶硅比较，掺硼LPCVD多晶硅的电阻率变化如图1a所示。即使硼的掺杂浓度很高，多晶硅层的电阻率总是高于单晶硅的电阻率。低掺杂浓度下，多晶硅的电阻率迅速升高，所以只有恰当的杂质浓度范围对传感器制造有意义。多晶硅的电阻率随温度的变化是非线性的。通过选择掺杂浓度，电阻的温度系数可在很大的范围内选择，既可正相关，也可负相关（见图1b）。通常情况下，电阻温度系数随掺杂浓度的减少而增加。多晶硅层在任何给定温度下的电阻，可由下式表示

                                    （1）

对于压力、力学量或加速度传感器的开发，关键是要知道由应变系数表示的多晶硅电阻的应变敏感性。作为纵向应变e1的函数，以无受力情况电阻值R0为参照，硼掺杂多晶硅电阻的相对电阻率变化曲线如图2b所示。该参数随掺杂量而变化。可以看出，电阻随压力增大而减小，随张力增大而增加。值得注意的是，应变系数（图2b中线的斜率）与温度有关。因为表面效应在器件特性方面只起到次要作用，所以多晶硅电阻的长期稳定性至少能够达到单晶硅电阻预期可以达到的水平。

1.2 塑料

      塑料是由称为单体的化工原料制造的合成材料。例如乙烯这样的单体（即一个化学单元），与其它单体分子发生化学反应，形成重复乙烯单体的长链，就是称为聚乙烯的聚合物。类似的，聚苯乙烯是苯乙烯单体合成的。聚合物由碳原子结合其它元素构成。聚合物化学家仅用八种元素，就可以合成数以千计的不同塑料。这些元素是碳（C），氢（H），氮（N），氧（O），氟（F），硅（Si），硫（S）和氯（Cl）。以各种方法把这些元素合成在一起，就产生了非常大和复杂的分子。

通过加热、加压和催化剂的作用，单体可以形成长链。这个过程就叫聚合。链长（分子量）很重要，其决定了塑料的很多特性。增加的链长带来的主要影响包括下列因素的增加：韧性、蠕变强度、加压抗裂度、熔化温度、熔体粘度和加工难度。聚合完成后，形成的聚合物链就像长的相互缠绕的意大利面条，链之间没有物理连接。这样的聚合物叫做热塑性（热可塑）聚合物。

下面是热塑性塑料的不完全清单。

丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）的韧性、硬度和刚性都很高。具有很好的化学抗性，低吸水性，以及良好的尺寸稳定性。有些级别的可以电镀。

晴纶具有高透光性和极好的抵御室外环境性能。具有一定硬度，表面光滑，电气性能良好。可以做成各种颜色。

氟塑料构成一大系列（PTFE、FEP、PFA、CTFE、ECTFE、ETFE和PFDF），具有极好的电气性能和化学抗性，摩擦阻力低，显著的高温稳定性。然而其强度适中，成本较高。一个例子是聚四氟乙烯（PTFE），杜邦品牌的产品叫特氟龙。

尼龙（聚酰亚胺）具有很好的韧性和耐磨性，以及低摩擦系数。具有良好的电气和化学特性。不过和多数其它塑料相比，尼龙吸湿性高，尺寸稳定性差。

聚碳酸酯具有最高的抗冲击性。透明度好，同时具有很好的室外稳定性和加负荷下抗蠕变性。化学抗性方面有些问题。聚酯有极好的尺寸稳定性，但不适合室外使用或用于热水。

聚乙烯重量轻、廉价，且化学稳定性极好。电气特性良好。在从可见光到远红外的宽频谱范围内具有适中的透光性。尺寸和热稳定性差。

聚丙烯拥有很好的抗弯曲和抗应力断裂性能，化学和电气性能优良，同时热稳定性良好。重量轻且廉价。透光度在远红外端良好。不过在中红外范围光的吸收和散射高于聚乙烯。

聚氨酯硬度高，十分耐磨和抗冲击。可以做成薄膜和海绵。拥有良好化学和电子特性。不过紫外线照射会损害其质量。

聚丁二烯是一种合成橡胶，耐磨强度高。因为有极高的电阻率，常用于覆盖或封装电子组件。施加应力后尺寸可回复80%。

聚氯乙烯（PVC）是第三位最广泛使用的热塑性聚合物，排在聚乙烯和聚丙烯之后。PVC廉价，耐用，易于配置。通过添加增塑剂，可以制成更加柔软和更具弹性的材料。常用的增塑剂是邻苯二甲酸酯。在电子工业，PVC用于制造柔性管材和用于电缆绝缘。

另一个类型的塑料称为热固性的，其聚合作用（固化）分为两个阶段：一期由材料生产厂完成，二期由塑模机完成。例如酚醛树脂，在模塑过程中通过加压而液化，在分子链之间发生交联反应。热固性塑料完成模塑后，其所有分子都通过强的物理结合互相连接，不再是热可逆的。实际上，热固性塑料的固化过程就像煮鸡蛋。一旦煮熟了，就始终是硬的了。一般来说，热固性塑料耐高温，具有较好的尺寸稳定性。因此，热固性塑料应用广泛。聚酯（增强型）用于制造船体和断路器组件；环氧基树脂用于制造印刷电路板；密胺用于制造餐具。和热固性塑料相比，热塑性塑料拥有更高的冲击强度，更易加工，更适应复杂设计。

在传感器应用中最常用的热固性塑料如下。

醇酸树脂，拥有极好的电气特性和极低的吸湿性。

丙烯基（邻苯二甲酸二丙烯酯），拥有杰出的尺寸稳定性，高耐热和耐化学性能。

环氧基树脂，拥有很好的机械强度、电气性能，对多数材料具有很好的粘附性。

酚醛树脂，一种廉价材料。颜色仅限于黑色和褐色。

聚酯（热固性塑料种类），可以制成各种颜色以及透明或不透明。缩水率高。

如果两种不同的单体（A和B）通过聚合反应而结合，这种聚合物叫共聚物。共聚物的最终特性取决于组分A和B的比例。

聚合物的机械性能可以通过添加剂进行改进。纤维可增加强度和刚度。塑化剂增加弹性。润滑剂使模塑更加容易。紫外线稳定剂可改善材料在日光下的性能。

控制塑料性能的其它好的方法是使聚合物融合或混合。这种方法基本能够保持每个组分的原有特性。

导电塑料。作为极好的电气绝缘材料，要使塑料导电，通常需要层压金属箔片，用导电涂料涂覆，或金属喷镀，处理后的材料需加防护。让塑料导电的另一种方法是在塑料中混合导电剂（例如石墨或金属纤维），或通过加入金属网制成复合塑料部件。

压电塑料是一种晶体材料，由PVF2，PVDF及其共聚物制成。起初它们并不具有压电特性，必须通过高电压或电晕放电的方法进行极化。利用丝印或真空金属喷镀的方法在这种薄膜的两面淀积金属电极。利用其柔韧性和抗机械应力的稳定性，这种薄膜在一些应用中可以替代陶瓷类压电材料。压电塑料的另一个优点是能够制备成任何需要的形状。

一种在传感技术方面十分有用的聚合物是卡普顿，即杜邦公司开发的聚酰亚胺（PI）薄膜。这是一种热固性材料，密度为1.42g/cm3，低的导热系数：0.12W/(mK)。PI能够在很宽的温度范围内保持稳定，即从接近绝对零度（-273℃）到+400℃（≈0～673K）。另外，PI可用于制备柔性印刷电路板，这种电路板可用在传感器和硬性的印刷电路板（PCB）之间的连接。柔性PI印刷电路板可薄至50m以内。这种电路板拥有良好的弹性，可经受住上百万次的弯曲。PI也常用于X射线的窗口材料，包括所有种类的X射线源（同步加速器光束和X射线管）和X射线探测器。PI高的机械和热稳定性，以及对X射线的高透过率，使其成为这方面的首选材料。PI也不会发生辐射损伤。不过PI耐机械磨损的能力相对较差。

1.3 金属

从传感器设计的角度来看，有两类金属值得关注：有色金属和黑色金属。黑色金属材料，比如钢，常用于构成磁性传感器，测量运动、距离、磁场强度等等。同样在磁屏蔽方面也十分有用。另一方面，有色金属材料则可被磁场穿透，能用于和磁场无关的任何领域。

有色金属能提供多种多样的机械和电气性能。选择一种金属时，不仅要考虑其物理性能，还必须考虑机械加工的便利性。例如，铜具有良好的热和电气性能，但难以进行机械加工，所以很多情况下都会用铝作为替代。

铝具有高的强度重量比，拥有其自有的防腐蚀机理。暴露在空气中时，铝不会像铁那样逐渐氧化。这种保护机制来源于在其表面形成的微观级别的氧化膜，使裸金属面与外界隔绝。

铝合金材料有数百种。可用多种方法对其进行加工，比如拉伸，铸造，冲压。一些合金可以进行焊接。除了卓越的电气性能，铝还是极好的光反射体，能反射从UV到无线电频谱的几乎所有光谱。铝涂层广泛用于反光镜和波导管。在中红外和远红外频谱范围，只有金优于铝反射镜。

铍有几个值得注意的特性。铍的密度低（是铝的三分之二），同时单位重量模量高（是钢的五倍），比热高，尺寸稳定性极好，X射线透明度很高。不过铍是贵金属。和铝一样，铍可在表面形成保护层，因而可耐腐蚀。铍可用很多常规方法进行加工，包括粉末冷压。这种金属常用于X射线窗口，光学平台，镜片基板，以及卫星结构组件。

镁是一种很轻的金属材料，具有高的强度重量比。由于其弹性模量低，可吸收弹性能，因此其阻尼特性很好。这种材料可以使用大多数金属加工技术进行加工。

镍可设计成十分坚固的结构，同时还耐腐蚀。与钢比较，镍具有极高的强度和高的弹性模量。其合金包括与铜、硅和钼形成的二元系统。在冷冻温度和高至1200℃的温度范围内，镍及其合金都可保持其机械特性。镍常用于高性能的高温合金，例如因科内尔铬镍铁合金，蒙乃尔合金（Ni-Cu），Ni-Cr，Ni-Cr-Fe合金等。

铜兼具极好的导热性和导电性（仅次于纯银），同时又有抗腐蚀性和处理相对容易。然而其强度重量比相对较差。铜的机械加工也较困难。铜及其合金黄铜和青铜，可以制成包括薄膜的多种形式。黄铜是含有锌和其它特定元素的合金。青铜包括以下几大类：铜-锡-磷（磷青铜）合金，铜-锡-铅-磷（铅磷青铜）合金，以及铜-硅（硅青铜）合金。在室外条件下，铜表面会形成蓝绿色铜锈。采用丙烯酸涂层可以防止铜锈。铜和铍的合金具有极好的机械性能，用于制造弹簧。

铅是所有常用金属中抵挡X-射线和g-辐射最好的材料。铅可以抵御很多化学腐蚀，以及耐受多数类型的土壤、海水以及工业环境。铅的融化温度低，易于铸造和成型，具有良好的声音和振动的吸收性能。铅具有自然润滑性和耐磨性。很少以纯铅的形式使用。最常见的合金是“硬铅”（含1～13%的锑），钙合金和锡合金。这些合金具有较好的强度和硬度。

铂是银白色的贵金属，极具延展性，柔软，耐腐蚀。其正向的电阻温度系数十分稳定且可重复性好，因而在热敏领域广泛应用。

金是非常柔软且具有化学惰性的金属。只能被王水及有氧气存在的钠和钾侵蚀。一克纯金能够制备成5,000cm2、厚度小于0.1m的薄片。金主要用于镀层，以及和诸如铜、镍、银等制成合金。在传感器应用方面，金用于制备电接触点，电镀镜面，以及在中、远红外频谱的波导应用。

银是所有贵金属中成本最低的。具有很好的延展性和耐腐蚀性。在所有金属中，银具有最高的导电和导热性能。

钯、铱和铑特性类似，都和铂的特性相近。可用于制备混合印刷电路板的涂层，以及具有导电性的各种陶瓷基片。另一个应用是制备工作于宽频谱的高质量反射镜，尤其是用于高温或高腐蚀性环境。在所有金属中，铱的耐腐蚀性最好，所以常用于最极端的环境。

钼能够在高达1,600℃时仍然保持其强度和硬度。钼及其合金易于采用常规工具进行机械加工。在非氧化环境下，钼能够抵御大多数酸的侵蚀。钼主要用于高温装置，例如加热组件，高温熔炉的强红外辐射反射镜。钼的热膨胀系数低，能够抵御熔融金属的侵蚀。

钨在很多方面类似于钼，但能够使用在更高的温度。用钨制造的热电偶传感器，一端是含有25%铼的合金，另一端铼的含量是5%。

锌很少单独使用，除非用于涂层。主要用于很多合金的添加剂。

1.4 陶瓷

在传感器技术中，陶瓷是非常有用的晶体材料，这得益于其结构强度，热稳定性，重量轻，能抵御很多种化学侵蚀，能与其它材料结合，以及卓越的电气特性。尽管大多数金属都能和氧形成至少一种化合物，但只有少数几种氧化物能够用于构成陶瓷的主要成分。举例来说就是氧化铝和氧化铍。氧化铝中天然的熔合元素是二氧化硅；不过铬、镁、钙以及其它元素，也能与氧化铝熔合。

一些金属碳化物和金属氮化物也是合适的陶瓷材料。最常用的是碳化硼、硝酸硼和硝酸铝。在需要快速热传导的场合，就可以考虑硝酸铝；而碳化硅具有高的介电常数，因而在设计电容性传感器方面具有吸引力。因为硬度的关系，多数陶瓷需要特殊加工。一种在陶瓷基片上切割各种形状的精细和划算的方法，是采用计算机控制的CO2激光，进行划线、切割和钻孔等加工。作为传感器基片的陶瓷，可以从很多生产商那里获得，厚度范围从0.1mm到10mm。

1.5 玻璃

玻璃是非晶固体材料，由二氧化硅和碱性氧化物熔融制成。虽然其原子不会排列成晶体结构，但玻璃的原子间距十分紧密。玻璃的特性包括透明度、可制成各种颜色、硬度，以及耐化学腐蚀性，除了氢氟酸以外。大多数玻璃基于硅酸盐成分，由三种主要成分制成：硅石（SiO），石灰（CaCO3）和碳酸钠（NaCO3）。非硅酸盐玻璃包括磷酸盐玻璃（耐氢氟酸腐蚀），热吸收玻璃（由氧化铁制成），以及基于铝、钒、锗和其它金属的氧化物成分的玻璃。这种特殊玻璃的一个例子是三硫化二砷（As2S3）玻璃，商品名称为AMTIR。这种玻璃对中、远红外频谱透明，用于制造红外光学器件。

硼硅玻璃是最早的玻璃类型，可抗热冲击。这种以百丽耐热玻璃（Pyrex®）商标知名的玻璃，其结构中的一些二氧化硅分子被氧化硼替代。这种玻璃的热膨胀系数低，因而被用于制造光学透镜（例如用于望远镜的透镜）。

铅碱玻璃（铅玻璃）含有一氧化铅（PbO），增加了玻璃的折射率。同时其电气绝缘性更好。在传感器技术方面，这种玻璃用于制造光学窗口，棱镜，和放射性辐射防护。

其它类型的玻璃还有硅酸铝玻璃（其中三氧化二铝替代了一些二氧化硅），高氧硅玻璃（96%二氧化硅）和石英玻璃。

1.6 光学玻璃

1.6.1 可见光和近红外光范围

大多数光学玻璃由二氧化硅构成，其原料来自沙床的细沙或粉碎的砂岩。碱可降低熔点，一般用苏打，优质玻璃用碳酸钾。石灰是稳定剂。添加报废的碎玻璃有助于混合料的熔化。玻璃特性随其它添加成分而改变，通常是氧化物形式。例如添加铅可增加光亮和重量；硼可提高抗热和电气绝缘性能；钡可增加折射率；铈可吸收红外线；金属氧化物可改变颜色；锰可去色。

表2 一些玻璃和塑料的谱线波长和折射率

玻璃的质量和耐用性能取决于使用环境。在类似透镜和棱镜之类光学部件的各种制备过程中，经常会发生表面损伤，诸如暗斑、色斑和潜在划痕等。这些表面缺陷产生于玻璃成分与周围环境中水的化学反应，或是与清洁液中的清洁剂发生反应。高折射率导致较差的表面。

暴露在高湿度和温度快速变化环境中的抛光玻璃会“出汗”。水汽会在玻璃表面凝结成水滴。溶入水滴中的一些玻璃组分会转而腐蚀玻璃表面，与空气中的气态组分（例如二氧化碳）发生反应。玻璃表面干燥后，这些反应产物会形成白点或云状膜。这就是“暗斑”。接触水会引起离子反应（玻璃中的阳离子和水中的水合氢离子H3O+之间的离子交换），由此产生富硅表面层，导致干扰色。这就是“色斑”。抛光过程中在玻璃表面形成的轻微划伤，在接触到清洗用的清洁剂中的无机盐助剂产生的腐蚀性离子时，有时会增长到较大的可见尺寸。

1.6.2 中红外和远红外范围

表3 硫系玻璃特性（样品由美国得克萨斯州加兰非晶材料有限公司提供）

表4 晶体红外材料

虽然塑料硬度差，但因为成本十分低廉，容易成型，且折射率低，成为中红外和远红外光学常用的材料。表2已列出了最常见的光学用塑料，在红外范围内其折射率与其它材料相近。

1.7 纳米材料

几年前，纳米技术还是个有点让人兴奋的术语，想象的空间大于现实应用。那时人们在谈论纳米（10-9米）尺寸的器件时，绝大多数微小组件的尺寸还有其上千倍的大小——在微米（10-6米）范围。如今，这方面技术进展迅速，就在笔者写书的当下，人们已经在制造10纳米量级的纳米材料。

一种很有希望用于传感领域（在不久的将来）的纳米材料是碳纳米管。在碳纳米管中，碳分子以管状排列，其长度直径比可达到惊人的二千八百万，这一数值远大于任何已知的材料。碳纳米管的直径只有几个纳米，其长度可以达到几个厘米。这种管状结构的特点就是，在给定的体积下，其具有极大的表面积。其抗拉强度超过不锈钢的抗拉强度100倍。其电气特性独特，是高效的热传导体。碳纳米管的热导率是铜——最佳热传导材料之一——的20倍。这些特性使碳纳米管成为制造温度和红外传感器方面很有前途的材料。至少从理论上来说，碳纳米管可以承载的电流强度是铜的上千倍。不过这种材料的最终使用，可能会受限于其潜在的毒性。

2 表面处理

2.1 薄膜和厚膜的淀积

需要制备薄膜，以便使感应表面具有一些原本没有的特性。例如，为了增强红外传感器对热辐射的吸收，可以在其表面覆盖一层具有高的红外光子吸收率的材料，比如镍铬合金。在硅晶片表面制备压电膜，可以使其具有压电特性。厚膜可以形成柔性膜，通常用于制备压力传感器或麦克风。有几种方法可以用于在衬底或硅晶片表面淀积薄膜和较薄（通常称为“厚”）的膜。这些方法包括旋涂法，真空淀积法，溅射涂覆法，电镀，以及掩膜印刷法。

2.2 旋涂法

旋涂法工艺首先要把薄膜材料溶解在挥发性液体溶剂中，再把这种溶液倒在高速旋转的样品上。离心力使薄膜材料涂覆均匀，在溶剂挥发后，就在样品表面形成一层薄膜。这一技术常用于有机材料的淀积，特别是用于制造湿度和化学传感器。膜的厚度取决于淀积材料的溶解度和样品旋转速度，一般在0.1到50微米范围内。因为这种工艺取决于液体的流动，有可能膜的厚度不一致，或者在样品表面不平时，可能形成岛（没有被膜覆盖的区域）。此外，这种材料还有可能收缩。不过在很多情况下，这是一种有用的且往往是唯一可使用的淀积方法。

2.3 真空淀积

由控制装置发出指令，封闭口打开，熔融金属散发出来的金属原子淀积到样品表面。样品上不需要进行淀积的部分由掩膜保护。淀积膜的厚度由蒸发时间和金属的蒸汽压力决定。所以低熔点的材料容易淀积，例如铝。通常真空淀积膜具有大的残留应力，因此这种技术主要用于淀积薄膜。

因为熔融材料实际上是原子态的点状源，所以会导致淀积膜的不均匀分布，以及在掩膜图形的边缘出现不清晰的情况，这被称为阴影效应。有两种方法可以减轻这个问题。一个方法是使用多个源，即采用多于一个坩埚（通常是3或4个）。另一个方法是旋转靶样品。

使用真空淀积方法时，需要注意会有杂散材料进入真空室。例如，即使极少量从扩散泵泄漏的油，也会导致有机物质的燃烧，类似碳水化合物这样的有害成分会共同淀积在样品上。

2.4 溅射

溅射技术能够获得较好的均匀性，尤其是在真空室内引入磁场，使溅射原子更好地朝向阳极，可得到更好的均匀性。因为这种方法不需要对靶施加高温，实际上包括有机物在内的任何材料都可以进行溅射。而且，一种以上的靶材料可以同时进行淀积（共溅射），由此可控制材料比例。例如，这个方法可以用于在热电传感器表面溅射形成镍铬合金电极。

2.5 化学气相淀积

衬底或晶片放置在静止或旋转的底座（衬底座）上，通过加热组件把底座温度升高到需要的温度。反应室的上盖有一个导入携带气体氢气的入口，由此可以添加不同的前驱体和掺杂材料。这些添加的材料被携带到衬底的加热表面，形成薄膜层。气体混合物经由置于晶片上表面的分散锥形体通过，从废气出口排出。反应室内的气体平均压力可以在接近1大气压强（atm），或者稍低一些。以6000埃（Å）Ga0.47In0.53层为例。可以在1 atm和630℃下，以1.4 Å/s的速率，在磷化铟（InP）衬底上进行淀积。

2.6 电镀

电镀法是利用电流在导电物体表面涂覆一层金属的方法。可在物体表面形成一层薄而光滑平整的涂层。现代电化学是意大利化学家路易吉·V·布鲁纳特利（Luigi V Brugnatelli）在1805年发明的。布鲁纳特利利用亚历桑德罗·伏打（Alessandro Volta）五年前的发明伏打电堆，进行了首次电镀。

电镀法采用的工艺称为电解淀积，类似于伽伐尼电池的反向过程。需要镀膜的部件放置在装有一种或多种金属盐溶液的浴槽或容器中。把需要电镀的部件接入电路，构成电路的阴极（负电极），另一个电极（通常是与需要电镀的材料相同的金属）作为阳极，即正电极。当电流通过电路时，溶液中的金属离子会捕获部件中的多余电子。

不同于浴槽电镀法的一种常用方法是刷镀。用浸满电镀液的刷子对选定区域或整个部分进行电镀。刷子连接到低压直流电源的正极。典型的刷子是不锈钢的，用布料包裹。布料一方面可以吸收电解液，另一方面可以防止刷子直接接触到需要电镀的部件。需要电镀的部件连接到负极。刷子起到阳极的作用，但通常并不提供电镀材料，尽管有时为了延长电解液的使用寿命，刷子也会用电镀材料制造或含有电镀材料。

最常见的电镀都是使用单一金属元素，而不是合金。不过有些合金也能进行电淀积，尤其是黄铜和锡-铅合金。

通常一种金属在部件（衬底）上的直接淀积，并不是最有效的电镀方式，主要是考虑可靠性。举例来说，我们考虑金属与衬底之间内在附着性较差的情况。这时可以先淀积一层“缓冲层”（打底层）。缓冲层作为后续电镀工序的基础。缓冲层与金属和衬底都是“友好的”或相容的。这种情况的一个例子是锌合金上电解镍的很差的附着性。解决方法是先用铜缓冲层，因为铜与大多数材料都有很好的附着性。典型的缓冲层是由辅助金属形成的很薄（小于0.1微米厚度）的电镀层，具有高的质量，且与电镀材料具有很好的附着性。

在传感器技术中，最常用于电镀的金属之一是金。镀金可以提供耐腐蚀性，在铜导线和线路板电镀层之间形成良好导电层，同时又是用于中、远红外频谱范围的极好的反射镜。然而，如果方法不当，直接在铜表面镀金会引发严重问题，因为铜原子会扩散到镀金层表面，导致表面锈蚀，并会形成氧和/或硫化物层。在用于红外反射镜时，由于反射率的明显降低，会导致性能下降。在镀金之前，先在铜衬底上淀积一层合适的隔离金属，通常是镍。打底的镍层为镀金层提供了机械支撑，改善了其耐磨性。同时也降低了有可能存在于镀金层中的微孔的影响。

3 微加工技术

毫无疑问，传感器技术的目前趋势，是向着超小型化或微系统技术（被称为MST）发展。这方面的一个子系统是MEMS（微机电系统）。MEMS器件具有电子和机械部件，这意味着其中有至少一种运动或形变部件，而电则必须是其运作的部分。另一个子系统称为MEOMS（微光机电系统），基于微电子光学系统。顾名思义，这种器件中至少有一个部件是光学组件。采用MEMS或MEOMS方法制造的传感器，大都是三维器件，其尺寸在微米量级。

微工程学的两大构成，是微电子学和微细加工。在硅片上制造电子电路的微电子学，已经是充分发展的技术。微细加工指的是用于制造微工程学器件的结构和运动部件的技术。微工程学的主要目的之一，就是要能够把微电子电路集成到微机械结构之中，制造完全集成化的系统（微系统）。与微电子工业中制造的硅芯片一样，这种系统也具有同样的低成本、高可靠性以及小尺寸的优点。

目前正在使用或已在工业领域广泛开发的微细加工技术有三种。硅微细加工技术最为突出，因为这是充分开发的微细加工技术之一。硅是用于制造微电子电路的主要衬底材料，因此也是可能用于微系统制造的最佳选项。

准分子激光器是紫外线激光器，可以用于在不加热的情况下对多种材料进行微细加工。很多其它激光器则会导致发热和蒸发，使材料受损。准分子激光器特别适合于加工有机材料（例如聚合物）。

LIGA的缩写来源于此工艺的德文名称（光刻、电镀和模铸）。LIGA采用光刻、电镀以及模塑工艺制造微结构。

3.1 光刻

在以下段落概述的三种技术中，光刻是确定微机械结构形状的基本技术。这一技术本质上与在微电子工业中使用的相同。

图9A表示某种材料（例如二氧化硅）的薄膜覆盖在另一种材料（例如硅片）的衬底之上。光刻工序的目的，是要有选择地去除一些二氧化硅（氧化物），使其只在硅片上的特定区域保留下来（图9F）。这一工序的实现需要制作掩膜板。典型的掩膜板是在玻璃表面的铬图形。在硅片上涂覆称为光刻胶的对紫外线敏感的聚合物（图9B）。紫外线通过掩膜板照射光刻胶（图9C）。由此掩膜板的图形被转移到光刻胶层（图9D）。

有正性（图9左侧）和负性（图9右侧）两种光刻胶。紫外线照射到正性光刻胶时，被照射到的聚合物变得易于溶解，图案完成后，受到光照部分的光刻胶被清洗掉，从而使掩膜板的正像被转移到光刻胶层。这和玻璃板摄影术类似。负性光刻胶则得到相反的结果。紫外线照射到负性光刻胶时，强化了被照射到的聚合物，图案完成后，没有受到光照部分的光刻胶被清洗掉，因此掩膜板的负像被转移到光刻胶层。

随后采用化学制剂（或其它方法），去除经由光刻胶层中暴露出来的氧化物层（图9E）。最后去除剩下的光刻胶，形成所需图形的氧化物层（图9F）。

图9正性和负性光刻胶

3.2 硅微细加工

有不少用于在淀积于硅片表面的薄膜上形成图案的基本技术，亦可用于硅片自身的加工，形成一些基本的微结构（体硅微细加工）。薄膜的淀积和图形化技术，能够用于在硅晶片表面制备相当复杂的微结构（表面硅微细加工）。人们已对电化学蚀刻技术做了充分研究，发展出一套基本的硅微细加工技术。硅键合技术也可用于把经由硅微细加工技术制备的结构扩展到多层结构。

3.2.1 基本技术

与硅微细加工相关的有三种基本技术。即形成某种材料薄膜的淀积，用湿法化学蚀刻剂去除材料（图形化），以及用干法蚀刻技术去除材料。常用的另一种技术是在硅中引入杂质，以改变其特性（即掺杂）。

3.2.2 薄膜

有多种不同的技术，用于在硅晶片（或其它合适的衬底）上淀积或形成不同材料的很薄的膜（微米或更小量级）。这些膜可以用光刻技术和适当的蚀刻技术制备图形。常用材料包括二氧化硅（氧化物），氮化硅，多晶硅，以及铝。其它一些材料也可以淀积为薄膜，包括类似金的贵金属。不过贵金属会污染微电子电路，导致其失效，所以任何需要贵金属覆膜的硅晶片，都需要专门用于此工序的设备进行加工。贵金属膜通常采用一种称为“剥离”的方法实现图形化，而不是湿法或干法蚀刻。

光刻胶经常会不够牢固，无法承受所需的蚀刻。在这种情况下，需要淀积更牢固的材料（例如氧化物或氮化物）的薄膜，再用光刻法制备图形。这样在进行薄膜下的材料的蚀刻时，氧化物/氮化物则起到了蚀刻掩膜的作用。薄膜下材料蚀刻完成后，再把掩膜层去除。

3.2.3 湿法刻蚀

湿法刻蚀是一个总括的名称，包含所有把晶片浸入化学蚀刻剂液体槽中以去除材料层的方法。湿法蚀刻剂可分为两大类别：各向同性蚀刻剂和各向异性蚀刻剂。各向同性蚀刻剂在各个方向以相同速率刻蚀材料。而各向异性蚀刻剂在不同的方向以不同的速率刻蚀硅晶片，因此对产生的形状可以有更多的控制。一些蚀刻剂刻蚀硅的速率，取决于硅中杂质的浓度（掺杂浓度相关的刻蚀）。

各向同性蚀刻剂可用于氧化物、氮化物、铝、多晶硅、金和硅。因为各向同性蚀刻剂在各个方向以相同速率刻蚀材料，所以在向内蚀刻的同时，也会以相同速率在掩膜底下水平方向对材料进行刻蚀（称为底切）。这种情况示于图10中，硅晶片表面覆有氧化物薄膜，使用刻蚀氧化物的速度快于硅的蚀刻剂（例如氢氟酸）。

图10掩膜下的各向同性蚀刻

各向异性蚀刻剂以不同的速率刻蚀硅的不同晶面。最常用的各向异性蚀刻剂是氢氧化钾（KOH），因为其在使用中最为安全。

刻蚀是在硅晶片表面进行的。硅晶片是片状的，是由经单晶体籽晶生长形成的大的硅晶棒切割而成。硅原子都排列成晶体结构，所以晶片也是单晶硅（区别于前文提到的多晶硅）。采购硅晶片时，有可能指定晶片的表面平行于某个特定的晶面。

图11所示为用KOH刻蚀具有最常见的晶向（100）的硅晶片表面时，形成的最简单的结构。形成的是V形凹槽，或由直角和斜面形成的凹坑。

图11 KOH蚀刻形成的最简单结构

KOH对氧化物和氮化物腐蚀缓慢。当用KOH蚀刻浴槽进行短时间刻蚀（即浅的槽和坑）时，氧化物可以作为刻蚀掩膜。对于长时间刻蚀，氮化物是更好的掩膜，因为其被KOH腐蚀得更慢。

KOH也可用于产生平台结构（图12a）。在刻蚀平台结构时，其拐角处会形成斜面（图12b），而不是直角。这时必须以某种方式进行调整。典型的做法是，把掩膜设计成在拐角处包括附加结构。这种调整结构要设计成在蚀刻完成后，平台拐角形成90度角。采用调整结构使平台拐角形成直角带来的一个问题是，在平台之间造成了一个最小间隔限制。

图12 平台结构

制备膜片是最常用的传感器制造工序之一。这种方法用于制造加速度和压力传感器，红外温度传感器（温差电堆和辐射热测量计），以及很多其它类型的传感器。厚度大约50微米以上的硅膜片，可以采用KOH刻蚀整个硅晶片的方法制备（图13a）。膜片厚度由蚀刻时间控制，因而会有误差。

3.2.4 浓度相关的刻蚀

厚度为大约20微米的薄的膜片，可以采用硼来阻止KOH的刻蚀（图13b）。这就是浓度相关的刻蚀。膜片的厚度，取决于硼扩散进入硅片的深度，与简单的时间控制KOH刻蚀相比，这种方法能够实现更加精确的控制。硅中高浓度的硼会以几个数量级的程度降低KOH的刻蚀速率，因而可有效阻止对含有高浓度硼的硅的刻蚀。硅中硼杂质的引入通常采用扩散工序。

图13 膜片或薄膜的微细加工

除了膜片之外，浓度相关刻蚀还能制备很多其它结构。在硅片表面形成厚的氧化物掩膜，图形化处理后露出硅片表面要引入硼的区域（图14a）。随后把硅片置于有硼扩散源的扩散炉中。一段时间后，硼原子迁徙进入硅片。硼扩散完成后，去除氧化物掩膜（图14b）。在硅片浸入KOH蚀刻槽之前，淀积和图形化第二个掩膜（图14c）。KOH刻蚀没有掩膜保护的硅，刻蚀过程围绕着掺硼硅进行（图14d）。硼扩散进入硅片的速度最快15～20小时达20微米；然而通常希望在扩散炉中的时间越短越好。浓度相关刻蚀也可用于制备窄桥和悬臂。图15a示意一个由硼掺杂形成的桥，跨越过一个由KOH在硅晶片表面刻蚀而成的凹坑之上。图15b示意采用同样的方法制备的一个悬臂梁（即桥的一端悬空）。桥和梁设计成越过凹坑的对角线，确保其不被KOH腐蚀。采用这种技术能够实现更复杂的结构，但必须注意确保这些结构不被KOH腐蚀。

图14 围绕硼掺杂硅的刻蚀

图15 桥和悬臂梁的刻蚀

这些悬臂梁和桥的应用之一是谐振传感器。这种结构能够受激以其基本频率产生振动。任何导致此结构的质量、长度等等变化的因素，都会表现为变化的频率。要注意确保只有被测量的量才会导致明显的频率变化。

3.2.5 干法刻蚀

微加工应用中最常用的干法刻蚀是反应离子刻蚀（RIE）。被加速的离子轰击要刻蚀的材料，在离子行进方向上蚀刻反应得到增强，所以RIE是一种各向异性的刻蚀技术。可以在包括硅，氧化物和氮化物等各种材料中，蚀刻出具有垂直立面的任意形状的深沟和凹坑（可达10或几十微米）。不像各向异性的湿法刻蚀，RIE不会受限于硅的晶面。干法刻蚀和各向同性湿法刻蚀结合，能够用于形成很尖锐的点。首先用RIE法蚀刻形成具有垂直侧面的圆柱结构（图16a）。然后采用湿法刻蚀造成掩膜下的侧向底切侵蚀，从而形成十分细小的点（图16b），由此刻蚀掩膜也去除了。类似这样的十分细小的尖端可以制备在悬臂梁的末端，用于例如触觉传感器中的探针。

图16 点状结构的干法刻蚀

图17 剥离工艺技术

3.2.6 剥离工艺

剥离工艺是一种制版技术，常用于贵金属薄膜的图形化。有多种不同的技术，这里概述的一种是辅助剥离方法。首先淀积辅助材料（例如氧化物）薄膜。在其上覆盖一层抗蚀剂，用光刻法进行图形化处理，暴露出所需金属膜图形的氧化物（图17a）。用湿法刻蚀去除暴露的氧化物，同时在抗蚀剂下形成侧向底切（图17b）。然后在晶片上淀积金属，典型的方法是蒸发法（图17c）。由此金属图形就通过抗蚀剂的空隙有效地制作形成，随后在去除抗蚀剂时就可以把不需要的金属剥离（图17d）。最后去除辅助层，仅保留金属图案层（图17e）。

3.2.7 晶片键合

有多种不同的方法，用于微机械加工中把硅晶片或其它衬底键合在一起，制备更大和更为复杂的装置。渐趋普及的一种把硅片和玻璃键合在一起的方法，是阳极键合（静电键合）。把硅晶片和玻璃衬底放在一起，加热到高温。给结合物施加大的电场，由此在两种材料之间形成极强的结合。图18示意在蚀刻（RIE）有沟槽的硅晶片上面键合玻璃板。

图18 把玻璃键合至硅表面

也可以在水中采用适度的压力，使硅晶片直接键合在一起（直接硅键合）。其它的键合方法有采用黏合层，例如玻璃或光刻胶。虽然阳极键合和直接硅键合形成很强的结合，但也有些不利因素，包括要求结合表面十分平整和洁净。硅片键合技术有可能与一些基本微机械结构结合，形成微孔滤膜、悬臂、阀门、泵等等，用于制备构成化学传感器的微流体处理系统的部件。

3.2.8 LIGA

LIGA工艺能够制备大到1000微米的十分精细清晰的微结构。在最初开发过程中，使用的是采用X射线的特殊光刻法（X射线光刻），在很厚的光刻胶层中形成图案。由同步加速器源产生的X射线，通过一种特殊掩膜，照射到覆盖在导电衬底上的厚的光刻胶层（对X射线敏感）（图19a）。由此形成抗蚀部分（图19b）。对形成的图案进行金属电镀（图19c）。制成的金属结构就可以作为最终产品；不过这种金属结构也能用做微模具，可用诸如塑料等各种材料填充，制成该材料的最终结构产品。因为使用同步加速器源，导致LIGA工艺成本很高，所以开发了一些替代方法。其中包括高压电子束蚀刻，可以用于制备100微米量级的结构；以及准分子激光，可以制备数百微米量级的结构。

图19 LIGA用于制备金属结构

当然，电镀法不只限于用在LIGA工艺中，也可以和其它工序和更为常规的光刻法结合，制备微结构。