邓星赤
江南机电设计研究所 贵州 贵阳 550009
摘要：微传感器系统是典型的多学科交叉前沿性研究领域，融合自然科学与工程技术的大多数领域。由于微传感器系统技术涵盖范围广，本文从广义的角度概述了微传感系统的主要技术和特点，以及其典型的应用方向。
1.前言
《中国制造2025》重点领域技术图解中，有明确了发展传感器技术的重要战略意义，MEMS产业作为其中的佼佼者，其微型化、智能化、多功能化和网络化的优点使其成为市场的热点，据统计MEMS产业在消费电子、汽车电子、工业控制、国防与航天、智能家居、智慧城市等领域的规模持续保持高速增长。传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可以输出的信号的器件或者装置，由敏感元件和转换元件组成。微传感器是感知和测量各种物理量、化学量的微小器件，它属于换能器的一种，可以实现能量间的转换，通常多把机械能、磁能、热能、化学能以及辐射能转换为电能，这样信号才能与其他设备进行对接处理；微传感器是研发和产业化最早的MEMS器件，其依靠精密加工和集成电路技术可实现敏感元件制造尺寸微小到纳米级。将微小的敏感元件、信号与数据处理装置融合封装在一块芯片上，构成集成型微传感器。如图1所示，微传感器系统不仅包括（集成型）微传感器，还包括微执行/控制器，能够独立开展相应工作，为大系统输出感知信号，另外可以通过多微传感器组成微传感器网络，进行多路融合处理与输出。
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2.微传感器系统的主要技术
微传感器系统的常用材料有单晶硅与多晶硅、氧化硅与氮化硅、半导体敏感材料、陶瓷敏感材料、高分子敏感材料、机敏材料以及纳米材料。利用这些材料的特殊物理或化学或生物敏感特性或奇异功能实现能量的响应与转换，制作出各式不同需求环境下的微传感器。微传感器领域拥有丰富的技术体系，下面主要介绍基于硅基的微传感器系统的制造技术、硅基微传感技术、非硅基柔性传感技术和自供能微传感器系统技术。
2.1微传感器系统的制造技术
微传感器的使用材料决定了制造技术的特征，多系于成熟的IC与LSI制造技术，MEMS和半导体都含有集成电子电路，但是MEMS制造的额外需求是结合了大尺寸、高纵横比的微结构，MEMS制造所涉及微制造技术主要有表面微机械加工技术、体微机械加工技术以及基于半导体制造工艺的LIGA技术（光刻、电镀和成形）。微传感器系统的制造技术图谱如图2所示：
a)硅基微加工技术源于硅基集成电路（IC）技术，是目前主流的技术，分为两类：体微机械加工技术，通常使用湿法刻蚀技术，用于制造沟槽和孔一类的微结构，如压力传感器、硅阀和硅气囊加速度计等；表面微机械加工技术，通常使用干法刻蚀技术，用于制造自由移动的微结构，如基本旋转结构；
b)聚合物MEMS加工技术的产生是因为生物医学MEMS领域的兴起，经过微机械加工的聚合物可用作结构、功能元件以及其他装置的柔性基底，相比于硅材料，聚合物在加工上可以减少复杂的刻蚀步骤和光刻掩模，目前在MEMS中，与标准的微制造技术兼容的三种聚合物（SU-8、聚酰亚胺和聚对二甲苯）作为自由层基底和杂化硅聚合物器件上的结构元件。
c)加工微米级的零件不适采用传统的机械加工方法，多采用非接触材料形式的特种微加工技术，利用电能、光能、化学能、声能等形式对材料进行相应操作；特种微加工技术有：电火花微加工技术是一种通过改变电参数（电压、频率、脉冲导通时间、脉冲管段时间、放电能量和占空比等）或非电参数（介电流体、冲洗压力和诱导振动频率等）以提供不同程度的热效应来操作材料的技术过程，在加工微盲孔和通孔、微通道、微沟槽、微缝、三维结构和纹理表面等微观结构比较常用，但是其加工期间的介电流击穿、材料去除和能量分布还认识不够全面；激光束微加工技术利用短脉冲和超短脉冲激光作为加工热源，有效控制深度和能量，达到精确加工所有金属、实现硅晶片的离散加工或晶圆上器件的微结构化以及用于不同光学材料的高品质微加工；电化学微加工多用于导电和难切削材料上的微型操作，加工后的结构件具有较高的表面光滑性；
d)封装是系统在制造中最重要的环节，其主要目的是提供机械支撑、电气连接并形成强有力的保护装置，封装分为三个级别：设备级（单芯片的封装，实现单芯必要的电气互连和机械结构保护）、系统级（组装封装，实现多芯片的互连与堆叠通过金属外壳实现单室系统的稳定），封装与集成技术主要涉及四种：引线键合技术，主要是解决互连的密度，突破物理极限，实现细间距引线，目前球键合和楔形键合是基本的键合方法，热压键合和超声键合是主要的键合技术；倒装芯片技术实现芯片与基板的互连，为标准工艺，需重点考虑接触凸点的材料选择与结构设计；多芯片封装技术是实现多芯片在单个基板（单室）上电气互连、机械协调，形成独立稳定的微系统，需要着重考虑采用何种方式/工艺有效实现芯片组件间的互连；3D封装技术主要是解决传统的封装与互连技术不能适应新发展的问题，该技术可以实现多种不同工艺技术的融合。
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2.2硅基微传感技术
硅基微传感器技术主要涉及压阻式、电容式、压电式传感器技术，通过感知外界的物理量转换出电学参数，如图3所示：
a)硅基压阻式传感器技术的原理是硅材料受外力作用导致其电阻值发生变化，进而转换出对外界的测量，主要是用于关于力以及可以转化为力的其他物理量的测量与控制；
b)硅基电容式传感器技术的原理是测量外界物理量的变化对可变电容的影响，通常有三种形式：极距变化型用于测量微小线位移以及力、振动；面积变化型用于测量角位移以及较大的线位移；介质变化型用于物位测量、温度、密度、湿度等的测量；
c)硅基压电式传感器技术的原理是在电场的作用下，电介质材料受到机械能作用发生电荷间的相对位移，产生极化的作用，通过测量极化效应实现对外界的感知，压电型传感器在生物、医疗、环境、电子、物理等众多领域有应用。
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2.3非硅基柔性微传感技术
非硅基柔性微传感器由于其材料的特性可以结构形式多变实现任意设计化，在诸如工作环境复杂、需精确测量的场合具有明显优势，近些年来，技术得到发展，但是许多成果依然停留于实验室研发阶段。相比于硅基传感器，以柔性材料作为基底，具备基本功能外还满足了变形能力和适应性要求，柔性微传感器通过使用液态金属材料、碳基纳米材料、纳米功能材料以及导电聚合物材料等实现导电的同时也满足良好柔性与拉伸要求。非硅基柔性微传感器技术图谱如图4所示：
a)通过深入研究人类皮肤感知的工作机理研制触觉传感器，非硅基柔性触觉传感器能感受广义（触觉、压觉、滑觉、力觉、冷热觉）和狭义（机械手与对象接触面上的力感知）上的触觉，将来自外界的触觉信号转换为电信号，并且具有非常高的灵敏度，主要的转换机理有压阻、压电、电容和摩擦电式，柔性微传感器多用于机器/机器人触觉感知，未来发展特点必将是更高灵敏度、分辨率、响应速度，热点发展方向是三维力的精确检测、多功能集成、自供能等技术；
b)生理信号传感器技术是指将有关生命特征信号转化为电信号的传感技术，在医疗监测、评估方面具有举足轻重的意义，生理信号传感器需要解决在测量上存在的各种问题与挑战，比如柔性血压测量的关键在于高灵敏度和低弛豫时间的压力传感器研究，需要确保在外界干扰下能准确可靠的处理小压力信号；
c)生物传感器是一种对生物物质敏感并能将其转换成电信号的装置，具备接收信号与转换信号的功能，具有响应速度快、稳定性好以及分析精度高等特点，柔性生物信号传感技术在可穿戴、植入式生物医疗健康领域的实际应用需要解决不少如微型化与不可见性、网络化与安全性、能效与数字化、标准化与个性化、人工智能与鲁棒性等技术挑战。
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2.4自供能微传感器系统技术
为了解决微传感器的能源问题，需要实现无源自供电的可能，能量收集技术是利用传感器工作周围环境的能量，结合能量管理系统实现自供电。低功耗大规模集成电路和先进电源管理技术的成熟是传感器系统的能耗控制在mW及uW级别，这使得自供能成为可能。自供能微传感器技术图谱如图5所示：
a)太阳能是最易获取的能量来源，光伏技术是目前科研和应用最广的能量收集技术；热能可以通过温差或热流的方式转换为电能，热电能量收集技术是基于热电效应实现的，即受热物理中的电子，随着温度梯度由高温区往低温区移动产生电流或电荷堆积导致能量的产生，但是这种技术的使用比较受限；电磁波能量的收集是基于波粒二象性，偶极贴片天线是电磁波能量收集的常见方法，其提高转换效率是亟需解决的技术难题；
b)振动能的存在比较广，对振动能的收集的研究前景好，振动能量收集技术主要有：压电式振动能量收集技术利用压电材料的压电效应将振动能转化为电能，最大可以满足几百uW的功耗，主要受制与加速度、共振频率、有效体积等参数，可以通过对这些参数的研究以提高功率输出，比如升频技术，将低频的振动转化为高频的振动来提高功率的输出；目前，电磁式振动能量收集技术能够满足数百mW的需求，基于法拉第电磁感应原理实现；静电式是基于电容效应，存在外部激励（振动）时，电容极板的间距（相对位置）改变导致电容值改变，对外部电路产生电流，实现对能量的收集，电容极板运动形式由单一方向变为多方向以实现能量收集效率以及输出量级的的提升；摩擦式能量收集的原理是材料间得失电子能力的差异产生电荷分离，能够产生数十至几百伏的高电压输出，通过优化材料选型、材料表面结构以及在材料内部注射电荷可以改观因内阻大导致输出功率低下的问题；
c)微型旋转式是先将风能转换为旋转的机械能，再通过压电、电磁、摩擦等能量转换为电能实现能量收集，输出功率可达10mW级，缺点在于体积大结构复杂；颤振弹性结构在均匀的气流中会受到力的耦合作用产生相应的自激振动现象，通过装置实现运动能到电能的转换，实现能量的收集，其缺点主要是需要有特定的风力阈值，且结构比较大；涡激振动的原理是流体穿过某些障碍物（钝体）时，钝体后方两侧会产生旋涡，旋涡作用于物体产生涡激振动，因而设计特殊结构能在不同风力下保持共振是研究的重点；共振腔式风能收集器通常是由一个开口腔体和固定于开口处的悬臂梁组成，气流进入腔体导致粱受力弯曲或者自激振荡，通过这些变化进行能量收集或者进行相应物理量的测定。
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3.微传感器系统应用展望
微传感器系统应用展望如图6所示，图中例举了部分当下比较前沿和热点讨论的几大方面。微传感器系统的应用遍布于各大行业，目前网络化多传感节点的无线传感器网络更是推动了物联世界的发展；低功耗、低成本等使用需求使自供能成为微传感器应用的一大热点；每一次技术的革新很大程度上都得因于材料技术的革新，新兴的功能材料会颠覆微传感器系统的创新性发展进程；传感器作为机器感知物质世界的“感觉器官”，智慧生活的推动也给微传感器的发展和壮大带来新的机遇和挑战。
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4.总结
综上所述，微传感器系统的技术发展与成熟将加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，加速人类智慧生活的进程。传感器作为物联世界与感知世界的触点，微传感器系统以其诸多优势引领传感器系统领域潮流，其所应用的领域广泛，将继续对现代的科学技术、工业生产、能源化工、国防科技等领域产生深刻的影响。