微加工技术在高精度位移传感器中的应用

李广金

摘 要：随着科学技术的日新月异，各种类型的传感器层出不穷，其中，高精度位移传感器是较为新颖的传感器，与普通传感器对比而言具有得天独厚的优势。高精度传感器的结构丰富，电极呈栅状存在，一旦电极存在平行移动以及覆盖面积变化，电容量则会随之变化，进而实现测量几何量的作用，现结合该原理对微加工技术的应用予以研究。

关键词：微加工技术；高精度；位移传感器

1 容栅式位移传感器的工作原理

容栅式位移传感器，根据结构不同可以具体分为圆形容栅位移传感器、直线型容栅位移传感器以及圆筒型容栅位移传感器。此次试验所采取的是直线型容栅位移传感器。直线型容栅位移传感器主要由两部分所组成，分别是静栅极板和动栅极板。每当在发射极相同位置安放相同的输入信号时，反射级同接收极、发射极同反射极会形成电场。反射极能够进行耦合作用，接收极输出信号会逐渐发生变化。此外，受到静栅极板大小的影响，如果进行较大位移测量，静栅极板不能全部覆盖于电子屏蔽下，进而受到外界因素影响，导致测量出现误差。

2 微加工制作高精度位移传感器流程

2.1 高精度位移传感器制作与微加工

高精度位移传感器在基底使用方面，需要采取玻璃衬底，也可以采用其他衬底。每个基底具有8N个导通盘，利用导线能够同另外基底的8N个发射极进行相连，保证发射极栅连通有效，需要注意的是，发射极栅导线宽度需要比连接导线宽度粗一些。而高精度位移传感器的分辨率主要是由相邻发射栅极之间的距离所决定。此次实验主要是玻璃衬底上通过微加工工艺用叠层的方法，能够有效控制极栅的间距和宽度[1]。

半导体微加工主要工作原理是将没有线路的第一层图形部分，制成铜掩膜版，当进行磁控溅射薄膜阶段，可以在衬底安放掩膜版，当溅射完毕后，掩膜版中的图形也就是所需图形。

2.2 微电子加工工艺

微电子加工工艺，主要包括离子注入、外延生长工艺、热氧化、蒸发、图形光刻工艺、溅射、刻烛工艺以及杂质扩散等等。此次精度位移传感器试验所涉及的工艺流程，主要是薄膜的生长、掩膜版的制作、图形光刻、刻烛4部分。

3 磁控溅射实验

3.1 磁控溅射原理

溅射也就是指靶材表面受到高能粒子的轰击，造成分子和原子离开靶材的情况。溅射可以说是能量进行传递的散射过程。磁控溅射原理主要是，在真空室中加入Ar气，保证压力达到0.1～10Pa；之后在阴极靶材后安放强磁铁或者磁线圈，保证其内芯磁场和外环磁场强度相同，进而能够在两极间产生磁场，保证电场与磁场方向垂直。

3.2 磁控溅射电源

溅射电源对于溅射装置的性能、薄膜沉积速率，以及沉积薄膜的质量都具有决定性影响。磁控溅射电源主要分为射频电源和直流电源。本次试验主要采取直流电源，主要是其操作简单、利于金属薄膜的沉积。两个电极之间受直流辉光放电影响而产生电压，真空中气体中会产生离子和电子，进而产生放电现象。辉光放电时，开始阶段由于电压较小，因此电流也较小；随着电压的增加，带电粒子能量足够多，进而使电流量增加[2]。

3.3 磁控溅射镀膜工艺流程

磁控溅射对于整个实验具有至关重要的影响，对于镀膜工艺的选择，直接影响到后期成膜的质量与性能。本次试验的镀膜工艺具体流程如下：清洗基片→安装靶材→安装基片→抽真空→冲入氩气→调整靶材与基片之间的距离→预溅射→抽真空→溅射→取片。

4 光刻实验

4.1 甩胶过程

玻璃基片经过镀层薄膜之后，从真空室中取出之后务必及时甩胶，防止由于过长时间暴露在空间中，导致玻璃基片被外界环境污染。光刻胶也可以叫做光致抗烛剂，其构成原料对光具有一定的敏感性。光刻胶主要有以下几种：电子束胶、离子束胶、紫外光刻胶以及X射线胶等等。如果能够解决好紫外曝光过程中，衍射和反射引发的分辨率问题，那么紫外光刻胶工艺将会更加成熟。

4.2 紫外曝光

此次实验主要利用暖光进行。对于新汞灯，实验所需要求的曝光强度，可以改变时间的长短进行找寻。如果汞灯长时间使用，曝光强度会下降，因此需要及时更换汞灯。具体曝光步骤如下：（1）将曝光仪、真空泵以及汞灯打开，提前预热汞灯10min；（2）吸版。真空泵可以借助气路通道，将掩膜版同夹板结合，进而固定住掩膜版；（3）吸片。在载片台中放置玻璃基片，然后固定住玻璃基片；（4）吸板。利用吸夹板将夹板固定，防止移动；（5）将氮气阀门打开，在载片台下保持氮气畅通，保证载片台能够浮起，同夹板平行；（6）对准。将玻璃基片同掩膜版对齐；（7）设置曝光时间，控制在一定范围内。曝光灯同玻璃基片平齐使，可以进行曝光，结束后关闭按钮。

4.3 显影

此次实验主要采用紫外正性光刻胶，在显影液中浸泡曝光后的玻璃基片，光刻胶受紫外线照射，容易发生自身溶解，而未照射到的光刻胶则保留下来[3]。显影液浓度、温度以及显影时间在得到足够的曝光之后，会受到明显影响。本次试验对温度做到较好的控制，显影是在室温下进行，显影液采取的是正胶显影液，能够同紫外正性光刻胶相对应。经过多次试验，显影时间控制在1min最为理想。如果显影时间过短，玻璃基片上容易残留光刻胶，对刻蚀带来影响；而如果显影时间过长，则会导致光刻胶膨胀，造成脱落现象。

5 总结

通过以上论述能够看出，此次试验利用微加工工艺技术，很好地实现了制作高精度位移传感器的目的。本次试验注重研究了磁控溅射试验，主要包括玻璃基片的清洗方法、磁控溅射镀膜的具体步骤，以及相关参数的计算。此外，磁控溅射技术在很多方面需要逐步完善和改造，以此提升高绝缘层薄膜的溅射速率。

参考文献

[1]许卓，杨杰，王成，等.大量程纳米位移传感器的微纳加工制造[J].传感器与微系统，2015，（10）：60-62.

[2]张云剑.高精度反射式塑料光纤位移传感器探究[J].电子制作，2014，（1）：12-14.

[3]张德福，葛川，李显凌，等.高精度位移传感器线性度标定方法研究[J].仪器仪表学报，2015（5）：982-988.

（作者单位：桂林市晶瑞传感技术有限公司）