0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評(píng)論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學(xué)習(xí)在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會(huì)員中心
电子发烧友
开通电子发烧友VIP会员 尊享10大特权
海量资料免费下载
精品直播免费看
优质内容免费畅学
课程9折专享价
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認(rèn)識(shí)你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

走向高度可靠的小型化半導(dǎo)體氣體傳感器

MEMS ? 來源:MEMS ? 作者:MEMS ? 2022-08-30 09:23 ? 次閱讀

導(dǎo)讀

近日,西安交通大學(xué)趙宇鑫團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)趙彥利在Matter上發(fā)表題為“Toward Highly Trustable Miniaturized Semiconductor Gas Sensors” 的觀點(diǎn)文章。該文梳理了當(dāng)下微型器件在可信性方面的研究痛點(diǎn),對(duì)出現(xiàn)的新興機(jī)遇進(jìn)行了展望,為未來半導(dǎo)體氣體傳感器高品質(zhì)片上集成研究提供了新視角。

金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)是氣體傳感器“成本/尺寸”的最佳權(quán)衡技術(shù)。在過去數(shù)十年中,低成本微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展與快速商業(yè)化,催生了基于懸浮熱板結(jié)構(gòu)的微型MOS氣體傳感器以及其它新型納米敏感材料在其上的應(yīng)用。與傳統(tǒng)陶瓷管等MOS氣體傳感器相比,MEMS傳感器具有體積小、能耗低、集成度高、適于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但與此同時(shí),當(dāng)氣敏元件核心電極區(qū)域從毫米級(jí)宏觀尺度降至微米級(jí)介觀尺度后,敏感材料在微結(jié)構(gòu)基底上的定域、可控、穩(wěn)定組裝也就變得愈發(fā)困難。不良品控將導(dǎo)致器件無法發(fā)揮MEMS穩(wěn)定一致的工藝優(yōu)勢(shì),使其在現(xiàn)實(shí)復(fù)雜場(chǎng)景中的信號(hào)有效性、可靠性大打折扣。同時(shí),納米材料所特有的表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等本征特性,以及材料/器件跨尺度耦合引起的協(xié)同性質(zhì)也將難以順利涌現(xiàn)。

陶瓷管式MOS氣體傳感器自1962年被發(fā)明以來,由于技術(shù)穩(wěn)健性和低成本優(yōu)點(diǎn),在二十世紀(jì)后半葉占據(jù)了主要的市場(chǎng)份額。但其較高的功耗(0.5~1W)也限制了它們?cè)谧?a target="_blank">供電下的長(zhǎng)周期運(yùn)行能力,逐漸無法滿足低能耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的最新需求。隨著硅基微加工技術(shù)的日趨成熟,基于熱優(yōu)化的MEMS懸浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得以順利實(shí)現(xiàn),這也使得MOS氣體傳感器邁入毫瓦級(jí)功耗時(shí)代,并快速成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的新寵。然而,在過去的十余年間,MEMS半導(dǎo)體傳感器卻并未在市場(chǎng)上掀起理想中的巨大波瀾,起到革命性的替代作用。

從相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展歷程來看,可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)顯著特點(diǎn):一是研究重心主要集中在敏感材料與器件設(shè)計(jì)層面,而對(duì)二者集成過程中的科學(xué)技術(shù)問題關(guān)注相對(duì)較少,在方法學(xué)上暫未成體系;二是氣體傳感器研發(fā)工作多基于目標(biāo)分子識(shí)別功能、氣電轉(zhuǎn)換功能以及敏感體利用率三原則開展,這就導(dǎo)致研究人員更偏向于利用表觀信噪比大小來判斷使用性能的優(yōu)劣。當(dāng)然,這些努力在氣敏材料/器件的選擇性、敏感度的提升方面取得了顯著進(jìn)展和成就,但也不可否認(rèn),多數(shù)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的要求并不僅僅局限于選擇性和敏感度。

4dcfb6c4-27e2-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖1 半導(dǎo)體氣體傳感器發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀

1) 現(xiàn)實(shí)痛點(diǎn)

大量生產(chǎn)實(shí)踐表明,限制傳感器大范圍應(yīng)用并使其無法按預(yù)期產(chǎn)生顛覆性社會(huì)影響的瓶頸往往在于“氣-電”轉(zhuǎn)換信號(hào)的可靠性和一致性:誤報(bào)和假陽性信號(hào)所衍生的數(shù)據(jù)混沌,將隨著傳感設(shè)備的規(guī)?;褂貌粩喁B加放大,造成真實(shí)信息稀釋并對(duì)目標(biāo)環(huán)境的精細(xì)化時(shí)空研判帶來沖擊性干擾。因此,不同器件之間的品控差異,以及同一個(gè)器件不同時(shí)域內(nèi)的穩(wěn)定性變化,是阻礙MEMS氣體傳感器實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。特別是隨著傳感器特征尺寸縮小到微米乃至納米級(jí),將傳感材料準(zhǔn)確地集成到電極理想位置變得非常困難。配置布局過程中任何伴生的系統(tǒng)性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性的微小變化都可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的載流子傳輸通路。從實(shí)用化角度出發(fā),拋開材料在器件基底上負(fù)載排布問題,孤立應(yīng)對(duì)敏感材料或者器件開發(fā)以使傳感器響應(yīng)最大化等設(shè)計(jì)方法,便不再符合現(xiàn)實(shí)需求,也不利于尋找到問題的最佳解決方案。

2) 當(dāng)前策略

針對(duì)敏感材料在芯片基底上的微尺度集成,傳統(tǒng)光學(xué)光刻、電子束光刻等工藝可控性高、人工參與度低,與MEMS工藝具有良好的兼容性,符合微器件上敏感材料在預(yù)設(shè)區(qū)域的精確集成及圖案化排布需要。特別是對(duì)于晶圓流片而言,其加工一致性通常能夠滿足CV《5%(CV=τ/υ,定義為標(biāo)準(zhǔn)偏差τ與平均值υ之比)的誤差要求。但受限于成膜特性以及多工藝間耦合等問題,復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造往往伴隨著成本的大幅增加。特別是當(dāng)對(duì)片上敏感材料膜層對(duì)微觀織構(gòu)精細(xì)度的要求逼近光刻工藝的物理極限時(shí),摩爾定律所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也將不復(fù)存在。

相對(duì)而言,印刷工藝成本優(yōu)勢(shì)明顯,在材料微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的選擇上也更為靈活。隨著近年納米轉(zhuǎn)印、蘸筆直寫、微噴等可在空間和功能上精確分配微納材料技術(shù)手段的出現(xiàn),印刷負(fù)載在實(shí)現(xiàn)材料和功能的整合方面的便捷性也使其受到廣泛關(guān)注。然而,該類方法相對(duì)低的圖案分辨率限制了該技術(shù)的進(jìn)一步拓展,敏感材料油墨液滴的有限尺寸調(diào)控范圍是實(shí)現(xiàn)高圖案精細(xì)度的基本障礙之一;同時(shí),液滴在固體基底表面干燥過程中的“咖啡環(huán)”效應(yīng)、馬拉戈尼效應(yīng)與液滴融合過程中的瑞利不穩(wěn)定性也都極大的影響了集成精度。此外,主流的MOS材料通常以粉末或膠體形式存在,為使其在承印基底上附著牢固,并具備必要的干燥性能和轉(zhuǎn)移性能,需要添加流體連接料、增稠劑、防沉降劑等十余種改性助劑。這些第三相材料的引入,往往會(huì)造成敏感材料的本征微觀結(jié)構(gòu)的破壞并引入污染。對(duì)于摻雜型的敏感材料,在燒結(jié)和使用過程中添加劑的擴(kuò)散分離還會(huì)導(dǎo)致偏析的出現(xiàn),對(duì)材料近表面層的化學(xué)、電輸運(yùn)和機(jī)械性質(zhì)造成根本性的改變。

3) 新興機(jī)遇

嵌段共聚物(BCPs)的自組裝為片上實(shí)現(xiàn)10nm級(jí)高精度敏感材料結(jié)構(gòu)圖案帶來了新的希望。BCP分子不同聚合物鏈段之間的熱力學(xué)不相容產(chǎn)生的微相分離現(xiàn)象,使其能夠一定條件下進(jìn)行可控自組裝,得到大面積、周期性的特定排列圖案化膜層,其分辨率由總聚合度、嵌段間的Flory-Huggins相互作用參數(shù)χ共同決定。這一特性不僅能實(shí)現(xiàn)溝道模板的密度倍增,還可以實(shí)現(xiàn)接觸孔或通孔等特征尺寸的高分辨微縮,利于克服傳統(tǒng)光刻的局限性。通過使用BCP表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來滲透、沉積,或者直接與無機(jī)材料前體共組裝,為微芯片上低成本敏感材料有序集成提供了新路徑。在此基礎(chǔ)上,將BCP自組裝與“自上而下”的場(chǎng)誘導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合,可以進(jìn)一步改善關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的特征尺寸均勻性、修復(fù)圖形缺陷。其中,基于激光誘導(dǎo)的定向共組裝策略,與MEMS標(biāo)準(zhǔn)化工藝具有最佳的兼容性,并擁有低成本、高通量、高分辨和延續(xù)性好等顯著優(yōu)勢(shì)。在激光直寫過程中,特別是在低速掃描模式下,微米級(jí)加熱光斑可產(chǎn)生陡峭的溫度梯度,有利于形成收斂的局域光熱環(huán)境。因此嵌段共聚物/無機(jī)前驅(qū)體的微相分離和結(jié)晶被限制在激光掠過前端周圍的狹窄區(qū)域,隨機(jī)熱漲落導(dǎo)致的非穩(wěn)定相分離可以得到顯著壓制。這一特點(diǎn)能夠在提高分子擴(kuò)散率的同時(shí),使反應(yīng)體系更容易達(dá)到平衡態(tài),最終降低長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)的缺陷率。此外,激光退火能夠減小嵌段共聚物中鏈段之間的表面能差,更容易形成垂直于襯底的微疇,有望為MEMS片上高批次一致性“原位快速印刷”提供可靠的圖形化解決方案。

4de81bf6-27e2-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖2 材料/器件集成方法演變趨勢(shì)

4) 未來發(fā)展

可以預(yù)見,激光誘導(dǎo)BCP組裝工藝不僅是解決微型氣體傳感器可靠性、一致性問題的重要途徑,也是眾多光子/電子器件封裝制造與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的共性技術(shù)。但與此同時(shí),施加外場(chǎng)也使得整個(gè)研究體系變得更為復(fù)雜,由于在介觀尺度持續(xù)的能量輸入和耗散環(huán)境, 破壞了自組裝體系的平衡態(tài)條件, 研究對(duì)象就不再是經(jīng)典平衡相變,對(duì)于那些依賴于熱密度漲落的相轉(zhuǎn)變過程的理解也變得更有挑戰(zhàn)性,比如:(i)場(chǎng)誘導(dǎo)BCP定向組裝的能量模型獲??;(ii)基本組裝單元的近場(chǎng)弛豫現(xiàn)象和動(dòng)力學(xué);(iii)缺陷湮滅的人為精確調(diào)控方法;(iv)半導(dǎo)體敏感材料前驅(qū)體與BCP的共組裝新策略,等等。

作者簡(jiǎn)介:

趙宇鑫,西安交通大學(xué)青年拔尖人才,研究員/博士生導(dǎo)師。圍繞“工業(yè)安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置材料器件”開展從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)到工程示范的全鏈條研發(fā)工作,近年來研究興趣聚焦在智能感知材料器件與納米原位測(cè)量領(lǐng)域。迄今,主持結(jié)題國(guó)家自然科學(xué)基金、中石油、中石化集團(tuán)公司科技部等各類攻關(guān)項(xiàng)目2700余萬元。相關(guān)成果獲得中國(guó)石化前瞻性基礎(chǔ)性研究科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(2019)、中國(guó)發(fā)明專利優(yōu)秀獎(jiǎng)(2022)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利18項(xiàng),美日歐多國(guó)(WIPO)專利2項(xiàng);近五年在ACS Nano,Matter,Small Methods,Nano Research,Biosensor And Bioelectronics等期刊發(fā)表SCI論文40余篇。

趙彥利,新加坡南洋理工大學(xué)Lee Soo Ying講席教授,化學(xué)系副主任及數(shù)理學(xué)院助理院長(zhǎng)。兼任新加坡科技研究局(A*STAR)材料與工程研究院首席科學(xué)家。主要從事新型自組裝材料的設(shè)計(jì)和制備,及其在生物醫(yī)學(xué)、催化和綠色能源等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)。共發(fā)表SCI論文450余篇,h指數(shù)91。先后獲得新加坡國(guó)家研究基金會(huì)Fellowship (2010)、《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》評(píng)選的杰出青年創(chuàng)新人物(新加坡2012)、亞太光化學(xué)學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)(2016)、美國(guó)化學(xué)會(huì)ACS Applied Materials & Interfaces青年研究員獎(jiǎng)(2017)、新加坡國(guó)家研究基金會(huì)Investigatorship (2018)、科睿唯安高被引科學(xué)家(2018-2021)等榮譽(yù)。

審核編輯 :李倩

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
  • 半導(dǎo)體
    +關(guān)注

    關(guān)注

    335

    文章

    27844

    瀏覽量

    223969
  • mems
    +關(guān)注

    關(guān)注

    129

    文章

    3969

    瀏覽量

    191234
  • 氣體傳感器
    +關(guān)注

    關(guān)注

    14

    文章

    555

    瀏覽量

    37832

原文標(biāo)題:高可信微型半導(dǎo)體氣體傳感器的挑戰(zhàn)和機(jī)遇前言

文章出處:【微信號(hào):MEMSensor,微信公眾號(hào):MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

收藏 0人收藏

    評(píng)論

    相關(guān)推薦

    英國(guó)DDS推出小型封裝電化學(xué)氣體傳感器

    英國(guó)DDS科技公司近期推出了三款小型封裝的電化學(xué)氣體傳感器,分別為F14、Dcel和Mcel系列,為下一代更小巧智能的便攜儀表提供了理想的選擇。 F14系列傳感器專為檢測(cè)一氧化碳(CO
    的頭像 發(fā)表于 01-23 14:12 ?273次閱讀

    傳感器制造中有哪些常見的半導(dǎo)體材料及應(yīng)用

    中,傳感器作為信息時(shí)代的“觸角”,扮演著舉足輕重的角色。它們不僅是連接物理世界與數(shù)字世界的橋梁,更是推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域發(fā)展的核心力量。而在傳感器的制造過程中,
    的頭像 發(fā)表于 11-20 15:12 ?848次閱讀

    氣體傳感器的類型及應(yīng)用 傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用案例

    氣體傳感器的類型及應(yīng)用 氣體傳感器是一種用于檢測(cè)氣體成分和濃度的裝置,廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。以下是氣體
    的頭像 發(fā)表于 11-19 15:28 ?1441次閱讀

    小型化晶振的影響有哪些

    隨著電子設(shè)備不斷向小型化發(fā)展,晶振也朝著小型化低功耗的趨勢(shì)發(fā)展。今天凱擎小妹聊一下小型化對(duì)晶振的起振時(shí)間、相位噪聲和抖動(dòng)的具體影響。
    的頭像 發(fā)表于 11-11 10:10 ?284次閱讀

    半導(dǎo)體氣體傳感器:對(duì)電路板產(chǎn)生異味氣體檢測(cè),避免發(fā)生火災(zāi)

    引發(fā)火災(zāi)。傳統(tǒng)的熔斷式保險(xiǎn)裝置雖然在一定程度上能夠防止電路短路導(dǎo)致的火災(zāi),但在對(duì)安全性要求極高的領(lǐng)域,如數(shù)據(jù)庫(kù)中心和汽車制造中,僅憑單一的保險(xiǎn)措施顯然不足。因此,本研究旨在通過先進(jìn)的半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù),對(duì)電
    的頭像 發(fā)表于 11-08 10:45 ?361次閱讀
    <b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>式<b class='flag-5'>氣體</b><b class='flag-5'>傳感器</b>:對(duì)電路板產(chǎn)生異味<b class='flag-5'>氣體</b>檢測(cè),避免發(fā)生火災(zāi)

    氣敏傳感器可測(cè)量的氣體種類有哪些

    氣敏傳感器是一種能夠檢測(cè)特定氣體氣體濃度的傳感器,廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)安全、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。由于氣敏傳感器的種類繁多,它們可以檢測(cè)的
    的頭像 發(fā)表于 09-20 09:56 ?952次閱讀

    電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器由什么組成

    電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是一種利用半導(dǎo)體材料對(duì)特定氣體的吸附和解吸特性來檢測(cè)氣體濃度的傳感器。它們
    的頭像 發(fā)表于 09-19 14:30 ?763次閱讀

    奧松電子半導(dǎo)體可燃氣體傳感器產(chǎn)品介紹

    隨著工業(yè)和城市進(jìn)程的加快,各種可燃氣體的使用日益普遍。但無論是在家庭、工廠還是商業(yè)場(chǎng)所,一旦發(fā)生可燃氣體泄漏,都可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故。因此,及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)可燃
    的頭像 發(fā)表于 09-09 11:54 ?605次閱讀
    奧松電子<b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>可燃<b class='flag-5'>氣體</b><b class='flag-5'>傳感器</b>產(chǎn)品介紹

    小型化趨勢(shì)下,單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 連接能否替代RJ45連接?

    SPE連接是RJ45的迭代產(chǎn)品,適用于工業(yè)交換機(jī)、服務(wù)、控制、傳感器等工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備。是一個(gè)兼具了小型化
    的頭像 發(fā)表于 08-30 15:35 ?551次閱讀

    半導(dǎo)體可燃氣體傳感器壽命長(zhǎng),性能好

    。而金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)可燃氣體傳感器正是這一領(lǐng)域的佼佼者。 奧松電子研發(fā)的多款金屬氧化物半導(dǎo)體可燃氣體
    的頭像 發(fā)表于 06-11 15:17 ?634次閱讀
    <b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>可燃<b class='flag-5'>氣體</b><b class='flag-5'>傳感器</b>壽命長(zhǎng),性能好

    基于靜電紡絲技術(shù)的SMO氣體傳感器研究進(jìn)展綜述

    在各種氣體傳感器技術(shù)中,基于靜電紡絲技術(shù)的半導(dǎo)體金屬氧化物(SMO)氣體傳感器因其靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好而備注關(guān)注,已成
    的頭像 發(fā)表于 05-30 09:17 ?2.6w次閱讀
    基于靜電紡絲技術(shù)的SMO<b class='flag-5'>氣體</b><b class='flag-5'>傳感器</b>研究進(jìn)展綜述

    NAS-NF102乙醇:低功耗氣體傳感器和酒精檢測(cè)新選擇

    酒精氣體報(bào)警以及便攜式氣體檢測(cè)器等領(lǐng)域。連丁傳感近期推出的這款傳感器半導(dǎo)體材料制成,具有非常
    的頭像 發(fā)表于 05-21 08:35 ?886次閱讀
    NAS-NF102乙醇:低功耗<b class='flag-5'>氣體</b><b class='flag-5'>傳感器</b>和酒精檢測(cè)新選擇

    新品推薦:平面半導(dǎo)體乙醇(酒精)傳感器

    半導(dǎo)體乙醇氣體傳感器
    的頭像 發(fā)表于 05-17 14:17 ?1333次閱讀
    新品推薦:平面<b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>乙醇(酒精)<b class='flag-5'>傳感器</b>

    比螞蟻還小!博世再掀MEMS技術(shù)革新,小型化、AI傳感器新品亮相

    電子設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都在追求小型化,這也在一定程度上,驅(qū)使傳感器小型化。 Bosch Sensortec是傳感器行業(yè)的領(lǐng)先者。在CES 2024上,Bosch Sensortec推出
    的頭像 發(fā)表于 04-24 18:09 ?3620次閱讀
    比螞蟻還小!博世再掀MEMS技術(shù)革新,<b class='flag-5'>小型化</b>、AI<b class='flag-5'>傳感器</b>新品亮相

    氣體傳感器的工作原理匯總及各自的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

    ? 氣體傳感器是用于檢查氣體成份和濃度的主要器件,氣體傳感器的工作原理有半導(dǎo)體,催化燃燒,電化學(xué)
    的頭像 發(fā)表于 03-23 08:41 ?1706次閱讀

    電子發(fā)燒友

    中國(guó)電子工程師最喜歡的網(wǎng)站

    • 2931785位工程師會(huì)員交流學(xué)習(xí)
    • 獲取您個(gè)性化的科技前沿技術(shù)信息
    • 參加活動(dòng)獲取豐厚的禮品