MEMS電場(chǎng)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(chǎng)傳感器的研制、試產(chǎn)與測量應用非常重要。文中在MEMS電場(chǎng)傳感器研發(fā)基礎上分析了晶圓級測試、器件級測試、測量標定等技術(shù)及發(fā)展現狀，首先介紹MEMS電場(chǎng)傳感器原理、結構設計和傳感器件的制備工藝等特點(diǎn)。然后重點(diǎn)闡述現階段研制MEMS電場(chǎng)傳感器的晶圓級測試內容與測試方法、器件級測試內容和測量標定系統。最后分析了國內外MEMS電場(chǎng)傳感器測試技術(shù)的局限性和發(fā)展趨勢。在此基礎上指出隨著(zhù)國內MEMS電場(chǎng)傳感器深入應用，MEMS傳感器件測試技術(shù)將會(huì )迎來(lái)快速發(fā)展期。
主要內容
MEMS電場(chǎng)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、微機械設計與加工工藝、封裝技術(shù)等，以小結構、大作用實(shí)現電場(chǎng)高靈敏度測量功能，同時(shí)具有體積小、靈敏度高、批量化生產(chǎn)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。MEMS電場(chǎng)傳感器在電力系統應用大致可分為3個(gè)方向：①交直流電場(chǎng)測量：交直流輸變電線(xiàn)路、場(chǎng)站、高壓設備的電磁場(chǎng)測量，用于改進(jìn)電氣設備結構設計，改善設備電磁場(chǎng)分布、線(xiàn)路電磁環(huán)境，開(kāi)展高壓實(shí)驗及電暈研究等；②非接觸式電壓測量：交直流電網(wǎng)系統非接觸式電壓測量，用做高精度、寬頻帶、集成式電壓互感器，實(shí)現線(xiàn)路實(shí)時(shí)電壓測量，瞬態(tài)過(guò)電壓監測、芯片級交直流電參量測量等；③電網(wǎng)安全防護：用于保障安全生產(chǎn)的近電告警、交直流非接觸式驗電、靜電測量、絕緣缺陷檢測等，具有廣闊的應用空間。
MEMS電場(chǎng)傳感器通常在硅基上設計深槽、懸臂梁、可動(dòng)結構等實(shí)現對外部電場(chǎng)的感知。在MEMS器件制備過(guò)程中，需要完成十多道光刻工序，除了利用磁控濺射系統進(jìn)行器件多層薄膜的生長(cháng)，還需要利用通孔工藝完成器件上下電極和隧穿區之間的連接。這種利用微米級甚至納米級工藝開(kāi)展結構制造，對機械性能、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傳感器最大區別是含有機械結構、封裝環(huán)節復雜。如果封裝后發(fā)現器件失效不但浪費封裝資源，還浪費研究和開(kāi)發(fā)(R & D)人員工作、工藝過(guò)程和代工時(shí)間。因此，對MEMS器件及時(shí)開(kāi)展性能測試、可靠性分析，以及形成較為系統的測試與標定技術(shù)非常重要。文中基于現階段研發(fā)MEMS電場(chǎng)傳感器采用的晶圓級和器件測試經(jīng)驗，梳理總結MEMS電場(chǎng)傳感器件的系統性測試方法。
1MEMS電場(chǎng)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(wèn)題及發(fā)展趨勢
3.1晶圓級測試技術(shù)提升
3.2器件級測試內容有待發(fā)展
結論
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、數字微鏡顯示器在很多領(lǐng)域已廣泛應用。MEMS器件是基于微米級甚至納米級工藝開(kāi)展結構設計，在硅基上設計感知單元，利用光刻、濺射、擴散、封裝技術(shù)進(jìn)行加工制作而完成的，這與常規機電設備研制有著(zhù)顯著(zhù)的區別。MEMS測試技術(shù)是在微米級/納米級微型機電傳感器研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中，保證研制的器件和產(chǎn)品滿(mǎn)足設計要求的重要環(huán)節，是避免時(shí)間和資源浪費的關(guān)鍵監督措施。
文中分析了MEMS電場(chǎng)傳感器在研發(fā)中測試的項目，通過(guò)晶圓級測試和器件級測試實(shí)現不同制造階段的品質(zhì)的監測和監督。顯然當前的MEMS測試技術(shù)是發(fā)展的初期階段，標準化、自動(dòng)化的測試系統正在完善中。同時(shí)，MEMS電場(chǎng)傳感器直接應用在高壓輸電線(xiàn)路和設備的近場(chǎng)環(huán)境，會(huì )遭遇到空氣電離的粒子流、尖端電場(chǎng)畸變、高強度電場(chǎng)等環(huán)境，因此需研究特定場(chǎng)的測試與標定技術(shù)，驗證MEMS電場(chǎng)傳感器在特殊場(chǎng)中的性能。
