MEMS電場傳感器測試技術(shù)研究及進(jìn)展
原文發(fā)表在《高壓電器》2022年第7期。
文章摘要
傳感器測試技術(shù)對于MEMS電場傳感器的研制、試產(chǎn)與測量應(yīng)用非常重要。文中在MEMS電場傳感器研發(fā)基礎(chǔ)上分析了晶圓級測試、器件級測試、測量標(biāo)定等技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀，首先介紹MEMS電場傳感器原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感器件的制備工藝等特點(diǎn)。然后重點(diǎn)闡述現(xiàn)階段研制MEMS電場傳感器的晶圓級測試內(nèi)容與測試方法、器件級測試內(nèi)容和測量標(biāo)定系統(tǒng)。最后分析了國內(nèi)外MEMS電場傳感器測試技術(shù)的局限性和發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上指出隨著國內(nèi)MEMS電場傳感器深入應(yīng)用，MEMS傳感器件測試技術(shù)將會迎來快速發(fā)展期。
主要內(nèi)容
MEMS電場傳感器基于硅基或其他金屬材料，在微米級甚至納米級上采用IC工藝、微機(jī)械設(shè)計(jì)與加工工藝、封裝技術(shù)等，以小結(jié)構(gòu)、大作用實(shí)現(xiàn)電場高靈敏度測量功能，同時具有體積小、靈敏度高、批量化生產(chǎn)、價格低廉等特點(diǎn)。MEMS電場傳感器在電力系統(tǒng)應(yīng)用大致可分為3個方向：①交直流電場測量：交直流輸變電線路、場站、高壓設(shè)備的電磁場測量，用于改進(jìn)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善設(shè)備電磁場分布、線路電磁環(huán)境，開展高壓實(shí)驗(yàn)及電暈研究等；②非接觸式電壓測量：交直流電網(wǎng)系統(tǒng)非接觸式電壓測量，用做高精度、寬頻帶、集成式電壓互感器，實(shí)現(xiàn)線路實(shí)時電壓測量，瞬態(tài)過電壓監(jiān)測、芯片級交直流電參量測量等；③電網(wǎng)安全防護(hù)：用于保障安全生產(chǎn)的近電告警、交直流非接觸式驗(yàn)電、靜電測量、絕緣缺陷檢測等，具有廣闊的應(yīng)用空間。
MEMS電場傳感器通常在硅基上設(shè)計(jì)深槽、懸臂梁、可動結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)對外部電場的感知。在MEMS器件制備過程中，需要完成十多道光刻工序，除了利用磁控濺射系統(tǒng)進(jìn)行器件多層薄膜的生長，還需要利用通孔工藝完成器件上下電極和隧穿區(qū)之間的連接。這種利用微米級甚至納米級工藝開展結(jié)構(gòu)制造，對機(jī)械性能、電氣性能、環(huán)境溫濕度等變化有很大的影響。其次，相比IC器件制備，MEMS傳感器最大區(qū)別是含有機(jī)械結(jié)構(gòu)、封裝環(huán)節(jié)復(fù)雜。如果封裝后發(fā)現(xiàn)器件失效不但浪費(fèi)封裝資源，還浪費(fèi)研究和開發(fā)(R & D)人員工作、工藝過程和代工時間。因此，對MEMS器件及時開展性能測試、可靠性分析，以及形成較為系統(tǒng)的測試與標(biāo)定技術(shù)非常重要。文中基于現(xiàn)階段研發(fā)MEMS電場傳感器采用的晶圓級和器件測試經(jīng)驗(yàn)，梳理總結(jié)MEMS電場傳感器件的系統(tǒng)性測試方法。
1MEMS電場傳感器技術(shù)
2測試技術(shù)與方法
2.1晶圓級測試
2.2器件性能測試
3存在問題及發(fā)展趨勢
3.1晶圓級測試技術(shù)提升
3.2器件級測試內(nèi)容有待發(fā)展
結(jié)論
MEMS傳感器是重要的感知器件之一，基于MEMS技術(shù)的微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在很多領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。MEMS器件是基于微米級甚至納米級工藝開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在硅基上設(shè)計(jì)感知單元，利用光刻、濺射、擴(kuò)散、封裝技術(shù)進(jìn)行加工制作而完成的，這與常規(guī)機(jī)電設(shè)備研制有著顯著的區(qū)別。MEMS測試技術(shù)是在微米級/納米級微型機(jī)電傳感器研發(fā)、生產(chǎn)過程中，保證研制的器件和產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求的重要環(huán)節(jié)，是避免時間和資源浪費(fèi)的關(guān)鍵監(jiān)督措施。
文中分析了MEMS電場傳感器在研發(fā)中測試的項(xiàng)目，通過晶圓級測試和器件級測試實(shí)現(xiàn)不同制造階段的品質(zhì)的監(jiān)測和監(jiān)督。顯然當(dāng)前的MEMS測試技術(shù)是發(fā)展的初期階段，標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的測試系統(tǒng)正在完善中。同時，MEMS電場傳感器直接應(yīng)用在高壓輸電線路和設(shè)備的近場環(huán)境，會遭遇到空氣電離的粒子流、尖端電場畸變、高強(qiáng)度電場等環(huán)境，因此需研究特定場的測試與標(biāo)定技術(shù)，驗(yàn)證MEMS電場傳感器在特殊場中的性能。
