摘要：基于微機械開關結構的傳感器，作為微機械加工技術與傳統電化學傳感器技術相結合的產物，已經展現出其在新一代傳感器技術中的獨特優(yōu)勢。本文對各類微機械開關傳感器進行了綜合測試，其目的是為綜合比較不同微型傳感器的性能及優(yōu)勢，為日后硅基板微加工技術的進一步探索提供相應支撐，同時也為微機械開關傳感器在船舶開關電器的發(fā)展方面提供新的探索思路。本文經測試研究表明各類傳感器在反應速度、樣品量需求、靈敏度以及人體植入監(jiān)測等方面均表現出不同的優(yōu)勢與特點，隨著元件尺寸的縮小，傳感器的性能得到了顯著提升。隨著硅基微機械加工技術的不斷提升，傳感器元件的尺寸有望進一步縮小，推動電化學傳感器技術的進一步發(fā)展。

從近年來舉辦的化學和固態(tài)傳感器相關會議及學術研究看，科研單位對微機械開關的傳感指標、加工工藝、敏感機理等方面進行了大力研究，并極大的提升了機械開關的相關性能。以美國為代表的眾多發(fā)達國家不斷的增加了微機械開關的研究投入力度，極大的推動了相關技術的發(fā)展。

微機械開關傳感器微機械開關傳感器體積小巧，便于在船舶有限的空間內安裝和布局，同時也更容易與其他電子設備集成，實現更復雜的功能，在船舶電器方面也具備重要的應用價值。主要可用于檢測船舶設備的狀態(tài)，如艙門的開關狀態(tài)、通風系統的啟停等，從而實現對相關設備的自動控制和實時監(jiān)測。同時，監(jiān)測特定部位的狀態(tài)，在異常情況發(fā)生時及時觸發(fā)報警或采取相應的保護措施，保障船舶及人員的安全。微機械開關傳感器的采用可優(yōu)化船舶的能源管理。例如根據實際需求自動控制某些設備的開關，避免不必要的能源消耗。同時，其快速動作和穩(wěn)定的性能有助于確保船電系統的可靠運行，減少因傳感器故障導致的系統誤操作或失效的風險。

微機械開關屬于諸多傳感器的一種，其大致工作機理是首先將電化學信號進行采集，隨后將采集的物理量進行規(guī)范標準，最后將規(guī)范標準后的結果進行傳感。但是目前在整個過程中，化學傳感器的性能及效率仍然偏低。在微機械開關方面，我們國家在化學量的傳感器實現技術上進行了充分的論證與研究，并且研發(fā)出一系列的成果。因此，本文就目前電化學傳感器（微機械開關為基礎）的實現模式方面進行了分析與研究。

1微機械開關化學傳感器的加工

微機械開關的加工精度相對較高，主要的工藝包含硅基微機械加工技術、超精密機械加工技術和軟X射線深層光刻電鑄成型技術三種。其中，超精密機械加工和軟X射線深層光刻電鑄成型兩種技術可以不依于硅基環(huán)境對陶瓷等其他材料進行加工。與此同時，激光精密加工技術由于具備精度高和效率高等優(yōu)點，因此在此類加工技術中應用較為廣泛。

鑒于硅基材料具備微孔加工技術成熟、通用性強和在集成電路中具備較好的兼容性等等原因，本次就硅基材料條件下的微孔結構加工工藝方面進行相關擴展測試探索。

1.1硅基微機械加工技術

微機械開關在三維成型與加工過程，可借助于多層膜、異性蝕刻及固相鍵合等方面的技術進行綜合運用，從而實現不一樣的電化學特性。微機械開關的加工技術相對于傳統的集成電路而言，更加側重于三維成型技術及加工深度。因此，在結構形狀的要求上更為苛刻。目前廣泛應用的光刻技術相對而言雖然具有微米級的精度，但是在加工工藝、加工效率等方面需要做出進一步的測試及探索。

對于微機械開關傳感器而言，其孔、腔、槽等微型結構成型的控制腐蝕過程，重點是利用化學各向異性腐蝕的特性，通過連續(xù)溶解腐蝕技術對硅基板進行逐層腐蝕，將MASK的圖形轉移到硅基板上。加工過程的關鍵要求是通過硅膜的幾何構型控制，從而使得硅膜20微米級別的均勻厚度控制。整個腐蝕工作過程基于化學制劑直接腐蝕與電化學腐蝕兩種技術，同時應該具備電化學腐蝕和P+自停止腐蝕等相關的過程停止控制，以便于在整個腐蝕過程隨時終止。

加工技術主要有剝離技術（Lift-Off）、犧牲層技術（Sacrificial Layers）、固相鍵合技術（SDB）三種技術。

剝離技術的根本是在硅基板表面進行多層膜的成型。其具體流程如圖1所示，A、B表示是光刻圖案在硅基板上的生成。C步驟表示的是硅基板的膜沉積。隨后D步驟為光刻涂層在腐蝕溶劑下得復試。最后形成完整的沉積膜，進而實現整個工藝架構。

圖1剝離技術示意圖

該技術的核心在于厚度的選擇與處理，其要求是光刻膠需要具備充足的厚度，這樣才能確保步驟B的臺階邊緣無法實現連續(xù)，如此便可以在步驟D中的剝離過程中，形成完整且相對規(guī)則的沉積膜邊緣。同時，需要注意在反復剝離的過程中，為防止上層膜對下層膜產生影響，應避免材料之間的兼容性。

犧牲層技術是在微納制造工藝中的準三維加工技術，它是指在形成微機械結構的空腔或可活動的微結構過程中，先在下層薄膜上用結構材料（如SiO2）淀積所需的各種特殊結構件，再用化學刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結構件，然后得到上層薄膜結構。在硅基板上搭建單層的玻璃層（PSG）或者利用SiO2等材料來形成犧牲層。利用在犧牲層產生的多晶硅開窗口的前提下進行腐蝕，進而在犧牲層上進行結構的搭建。

犧牲層技術優(yōu)點是可以制造出多種活動的微結構，如微型橋、懸臂梁及懸臂塊等。

固相鍵合技術是指在材料連接過程中不使用液態(tài)粘連劑，而是讓兩塊固體材料（如現硅-硅結構或者硅-玻璃結構）直接鍵合在一起，且鍵合過程中材料始終處于固相狀態(tài)的方法。主要包括陽極鍵合和直接鍵合兩種。其中，陽極鍵合是指通過施加電流在兩塊硅片之間形成化學鍵的過程；直接鍵合則是指在高溫、高壓和高真空條件下，兩塊硅片的表面直接接觸并發(fā)生原子擴散，從而形成化學鍵的過程。固相鍵合技術具有結構特性穩(wěn)定、可靠性高、工藝簡單等優(yōu)點，但該技術往往需要具備1000℃以上的反應條件。

1.2微機械開關的成形

經查閱有關文獻發(fā)現，美國凱斯西儲大學曾提出過氧化錫氣體的傳感器，該傳感器為微機械開關化學傳感器，其模型包含一個基于N型硅片和P型擴散電阻為加熱元件，該模型的單片3mm×4mm的測溫二極管結構由PN結結構組成。該研究可將250 um厚度的硅基板腐蝕至6 um。在工作過程中通過控制算法對溫度進行控制，可檢測多種氣體類化學信號。對該傳感器相比同類傳感器穩(wěn)定性和可靠性更高，主要原因在于半導體硅較低的能耗和較好的氣敏性能。該傳感器的示意圖如圖2所示：

圖2 CWRU化學氣體傳感器示意圖

2微結構型電化學傳感器及其測試

2.1 Clark氧電極傳感器

該傳感器是一種早期的基于微機械結構的氣體傳感器，其將電解液、透氣膜和陰陽極一次成型，主要在利用電流反饋信號的原理。之所以未能在現代中普遍應用，原因主要受限于結構仍然相對較大，且腐蝕性能較弱。

研究硅基微機械開關的成型模式時，Clark氧電極提供了經濟高效的解決思路，解決以下兩大關鍵問題，可以得到相應的推廣應用。首先，通過優(yōu)化電極成型技術與結構，有效抑制了電極間的Cro-s-talk現象。與此同時進一步改進電解質透氣膜的化學構成，實現了機構的小型化和集成化。

通過采用分步制作后鍵合的方式，在工藝上我們可以避免在硅片上腐蝕深溝槽時制作電極的難點。同時，使用玻璃基片作為電極襯底，電化學噪音得到了有效消除。這種工藝的電極三維結構和凝膠電解質選擇多樣，有助于更好地控制電化學噪音串音。

2.2微電極和微電極陣列

金屬絲玻璃封裝工藝在構建微電極陣列時可能會遇到批量集成化生產工藝的挑戰(zhàn)。相比之下，電化學法為微電極和微電極陣列的制造提供了一種有效的解決方案。采用電化學法制成的微電極陣列，其構型如電流法常溫二氧化碳薄膜微電極微機械開關所示，這種構型展示了電化學法在微電極制造中的獨特優(yōu)勢。在硅基襯底上，通過使用EPW腐蝕液構建雙面套準光刻各向異性腐蝕結構，確保了微電極陣列的精確性和穩(wěn)定性。

此外，掩膜剝離技術的運用使得Pt沉積膜的形成成為可能，這一層膜不僅具有導電性，而且具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。在此基礎上，再布置一層SiO2膜，進一步增強了微電極陣列的結構穩(wěn)定性和絕緣性能。

蝕刻半徑為20微米的微圓盤工作電極的制造，更是展現了電化學法在微細加工方面的卓越能力。這種微電極的小尺寸使得其在電化學信號采集方面具有高靈敏度和快速響應的特點。最后，通過在Pt電極上沉積一層Ag，并經過電氯化處理形成Ag/AgCl參比電極，進一步提高了微電極陣列的電化學性能。

圖3微電極陣列示意圖

近年來，微電極陣列的蝕刻工藝取得了顯著進步，這一技術突破使得我們能夠制作出直徑僅為1微米的Pt電極。更令人振奮的是，現在可以在一個硅基板上構建超過2000個微電極構成陣列，同時確保芯片面積控制在小于1.6×1.6 mm的范圍內。這種高密度、小尺寸的微電極陣列在電化學信號采集方面具有巨大優(yōu)勢，為生物化學和醫(yī)學應用提供了強大的技術支持。

如果使用這種先進的蝕刻工藝來構建Clark氧電極，其性能將得到大幅提升。具體而言，氧濃度變化的電流響應時間將被控制在1秒以內，這意味著傳感器能夠迅速、準確地響應氧氣濃度的變化。這一特性在醫(yī)學應用中尤為重要，例如在置入型血氧監(jiān)測方面。通過實時監(jiān)測患者體內的血氧水平，醫(yī)生可以及時調整治療方案，確?；颊叩纳踩?