MEMS电场传感器测试技术研究及进展

原文发表在《高压电器》2022年第7期。

文章摘要

传感器测试技术对于MEMS电场传感器的研制、试产与测量应用非常重要。文中在MEMS电场传感器研发基础上分析了晶圆级测试、器件级测试、测量标定等技术及发展现状，首先介绍MEMS电场传感器原理、结构设计和传感器件的制备工艺等特点。然后重点阐述现阶段研制MEMS电场传感器的晶圆级测试内容与测试方法、器件级测试内容和测量标定系统。最后分析了国内外MEMS电场传感器测试技术的局限性和发展趋势。在此基础上指出随着国内MEMS电场传感器深入应用，MEMS传感器件测试技术将会迎来快速发展期。

主要内容

MEMS电场传感器基于硅基或其他金属材料，在微米级甚至纳米级上采用IC工艺、微机械设计与加工工艺、封装技术等，以小结构、大作用实现电场高灵敏度测量功能，同时具有体积小、灵敏度高、批量化生产、价格低廉等特点。MEMS电场传感器在电力系统应用大致可分为3个方向：①交直流电场测量：交直流输变电线路、场站、高压设备的电磁场测量，用于改进电气设备结构设计，改善设备电磁场分布、线路电磁环境，开展高压实验及电晕研究等；②非接触式电压测量：交直流电网系统非接触式电压测量，用做高精度、宽频带、集成式电压互感器，实现线路实时电压测量，瞬态过电压监测、芯片级交直流电参量测量等；③电网安全防护：用于保障安全生产的近电告警、交直流非接触式验电、静电测量、绝缘缺陷检测等，具有广阔的应用空间。

MEMS电场传感器通常在硅基上设计深槽、悬臂梁、可动结构等实现对外部电场的感知。在MEMS器件制备过程中，需要完成十多道光刻工序，除了利用磁控溅射系统进行器件多层薄膜的生长，还需要利用通孔工艺完成器件上下电极和隧穿区之间的连接。这种利用微米级甚至纳米级工艺开展结构制造，对机械性能、电气性能、环境温湿度等变化有很大的影响。其次，相比IC器件制备，MEMS传感器最大区别是含有机械结构、封装环节复杂。如果封装后发现器件失效不但浪费封装资源，还浪费研究和开发(R & D)人员工作、工艺过程和代工时间。因此，对MEMS器件及时开展性能测试、可靠性分析，以及形成较为系统的测试与标定技术非常重要。文中基于现阶段研发MEMS电场传感器采用的晶圆级和器件测试经验，梳理总结MEMS电场传感器件的系统性测试方法。

1MEMS电场传感器技术

2测试技术与方法

2.1晶圆级测试

2.2器件性能测试

3存在问题及发展趋势

3.1晶圆级测试技术提升

3.2器件级测试内容有待发展

结论

MEMS传感器是重要的感知器件之一，基于MEMS技术的微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在很多领域已广泛应用。MEMS器件是基于微米级甚至纳米级工艺开展结构设计，在硅基上设计感知单元，利用光刻、溅射、扩散、封装技术进行加工制作而完成的，这与常规机电设备研制有着显著的区别。MEMS测试技术是在微米级/纳米级微型机电传感器研发、生产过程中，保证研制的器件和产品满足设计要求的重要环节，是避免时间和资源浪费的关键监督措施。

文中分析了MEMS电场传感器在研发中测试的项目，通过晶圆级测试和器件级测试实现不同制造阶段的品质的监测和监督。显然当前的MEMS测试技术是发展的初期阶段，标准化、自动化的测试系统正在完善中。同时，MEMS电场传感器直接应用在高压输电线路和设备的近场环境，会遭遇到空气电离的粒子流、尖端电场畸变、高强度电场等环境，因此需研究特定场的测试与标定技术，验证MEMS电场传感器在特殊场中的性能。