短文作者|韩良智
传感器 - 处理器 – 执行器是MEMS的工作方式，作为第一个环节，传感器的目的是探测到周围环境中力、光、电等变化，将其转化为电信号传达至处理器，再由处理器对电信号进行计算与处理，将对应的指令下达至执行器进行动作或操作。
通常来说，传感器对整个MEMS的灵敏度、稳定性、量程起到决定性的作用。上图为车载传感器模组，如灯光感应和雨刷感应等，在研发过程中，发现由于道路减速带、空调启动会产生电压波动，对传感器的正常工作产生了不小的影响，因此改善传感器的精度、稳定性与量程成为了传感器结构设计的重要任务，然而通过传统的二维结构已无法实现这一要求，更高的性能需要更复杂的三维结构与更多的材料自由度来实现。
传统的电容式压力传感器感知外力的机理，主要是靠电容的膜片被外力压缩或拉伸后产生形变，进而产生电信号，从而达到传感的作用，即便是在对电容材料优化后，长期处于拉伸和压缩的膜片的使用寿命无法更长。潜力更大的谐振式压力传感器，谐振式压力传感器是利用压力作用改变谐振结构的谐振频率来实现压力测量的，通过对谐振频率的处理，可以反向推导出压力的大小，此机理为谐振式压力传感器带来了更高的精度，更稳定的性能，更大的量程。
上个月，都灵理工大学、希伯来大学合作，在权威学科期刊Nature Communication上发表了“Reaching silicon-based NEMS performances with 3D printed nanomechanical resonators”的研究论文，在论文中研究者运用双光子3D打印系统一步成型加工了谐振式压力传感器，其精度可以与最先进的NEMS硅基传感器相媲美，最小步进精度可达0.45阿克，1克=1×10的18次方阿克，下图中研究人员根据谐振频率变化探测到117飞克微粒，1克=1×10的15次方飞克：
上图中左图为谐振梁作为传感器的关键部件，对传感器稳定性与探测精度至关重要。文中研究人员开发了一种适用于双光子三维光刻系统的光刻材料，其中含有以结晶盐的形式存在的稀土金属元素，在使用双光子加工系统一步成型加工三种形状不同的谐振梁之后，将其放在1500摄氏度的环境中热处理去除掉有机物，通过多次测试，得到了所需要的刚度与回弹性，为了进一步寻找可以产生稳定谐振频率的材料与结构搭配，加工如下图所示的三组不同谐振梁进行实验：
Fig. 2 Scheme of the fabrication process and images of the printed NEMS devices. a Scheme of the fabrication process starting from the precursor solution preparation, followed by TPP printing to photopolymerize locally the solution, structure washing, and final heating step to remove organic content and achieve densification and crystallization. b CAD scheme and c SEM image of a chip composed of six cantilevers of two different widths. d Images of the bridge, cantilever, and membrane devices before and after the heating step at 1500°C. All the scale bars correspond to 10 µm.
Fig. 4 Quality factor analysis with different experimental approaches.
Experimental quality factor of bridge (upper panel), cantilever (central panel), and
membrane (lower panel) devices extracted with three different approaches: driven the resonator to resonance, thermomechanical motion, and ring-down.
在分别对桥梁式谐振梁、独臂式谐振梁、膜式谐振梁进行测试后，发现独臂式谐振梁的品质因子最高，稳定性最高，进一步印证了三维结构所带来的性能优化。
文章中，研究人员在读完47篇高影响因子的有关于谐振式压力传感器文献后，对五种加工方法进行对比，统计出加工方法对于传感器稳定性与探测精度的影响。在结果中发现，除本文介绍的加工方法之外，其他47篇文献中，谐振梁的加工成型方法都不是一步到位的。
Refer: Yokogawa Technical Report English Edition, No. 37
（日本横河电机：https://web-material3.yokogawa.com/rd-tr-r00037-003.pdf）
如上图所使，经典的H型硅基谐振梁的加工方式来说，要经历如下步骤，才能获得一根满足性能的谐振梁：
（100）n型衬底上沉积出一层二氧化硅，其总开口宽度就是谐振腔的宽度
然后用氢氧化钾刻蚀出倒梯形的凹槽
在凹槽内填充轻型掺杂的P型多晶硅，同时进行扩散
在轻型掺杂的P型多晶硅的上方继续重型掺杂的P型多晶硅
利用氢氟酸将两层多晶硅之间的二氧化硅薄膜去除
利用氢氧化钾刻蚀轻型掺杂的P型多晶硅，由于重型掺杂的P型多晶硅刻蚀较慢，因此不大受影响被留下来，至此重型掺杂的P型多晶硅与衬底构成了谐振梁的桥梁雏形
再次在上方沉积n型多晶硅
高温条件下使桥梁内部残留的氢气溢出，至此获得一个完整的桥梁型硅基谐振梁
文献结尾处，Stefano Stassi说：“相较于其他加工技术，甚至是精度更高的技术，没有任何一种可以像Nanoscribe的双光子三维光刻技术一样，加工复杂的三维结构不需要多步，一步就可以完成。”
使用双光子三维光刻技术去刷新传统硅基半导体研究的潜力还有很大，本文的研究人员表示还会继续以双光子技术作为主要加工手段来研究压力传感器，继续去刷新传感器的精度。
欢迎阅读原文献：
Stassi, S., Cooperstein, I., Tortello, M. et al. Reaching silicon-based NEMS performances with 3D printed nanomechanical resonators. Nat Commun 12, 6080 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26353-1
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