基于CMOS-MEMS代工平台的电容式传感器与静电驱动执行器
2026-07-18 15:54:37 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出了一套面向Fabless模式的CMOS-MEMS代工平台扩展方案。通过依托TSRI现有的CMOS代工平台，仅需补充实验室级的简易湿法刻蚀与配套后处理工艺，即可实现多种电容式传感器与静电驱动执行器的开发。
近年来，CMOS-MEMS技术正从单一器件制备向高度集成的多功能传感与执行平台加速演进，在电容式传感器与静电驱动执行器领域展现出广阔的应用前景。但现有的CMOS-MEMS制造平台通常只能制备特定类型的MEMS器件，难以在单一CMOS-MEMS芯片上同时集成传感与执行功能；此外器件开发门槛仍较高，设计人员往往需要配备洁净室与昂贵的微加工设备，自行完成结构释放、牺牲层去除、封装等后处理工序。因此，如何依托成熟的CMOS-MEMS代工平台，以尽可能少的附加工序实现多类型MEMS器件开发，成为推动无晶圆厂（Fabless）MEMS设计模式发展的关键问题。
据麦姆斯咨询报道，近期，台湾淡江大学（Tamkang University）、台湾半导体研究院（TSRI）等机构的研究团队在Micromachines期刊上发表了题为“Capacitive Sensors and Actuators by CMOS MEMS Foundry”的文章，详细介绍了TSRI提供的0.18 μm CMOS-MEMS代工服务平台，并面向具备简单湿法刻蚀设备的MEMS设计人员，展示了如何通过尽可能少的后道工艺和芯片封装，实现压力传感器、加速度计、微镜和静电驱动执行器等多种器件的开发。该方案为拓展TSRI代工平台现有服务提供了实用的设计与后处理指南，使MEMS设计公司无需自建晶圆产线即可完成器件开发，有望推动MEMS设计真正实现Fabless模式。
TSRI的CMOS-MEMS代工平台以联华电子（UMC）0.18 μm CMOS工艺为基础，包括一层多晶硅（POLY）和六层金属（ME1-6），可用于构建多层堆叠微结构。标准CMOS工艺流程之后，还需要额外沉积并图形化非晶硅（α-Si）、第七金属层（ME7）和钝化层。具体而言，该工艺首先利用ME7掩模和MEMS_OPEN区域定义悬置微结构的几何形状；随后采用反应离子刻蚀（RIE）去除氧化层并暴露硅衬底，再利用二氟化氙（XeF₂）对硅进行各向同性刻蚀，从而释放悬置结构；针对特定器件设计需求，还可以通过选择性湿法刻蚀牺牲金属层，形成内嵌电容空气间隙，用于实现电容式传感器和静电驱动执行器。
图1 TSRI CMOS-MEMS代工平台的工艺流程
目前，TSRI代工平台可以直接支持两类典型的CMOS-MEMS结构。第一类是采用均匀穿孔膜的流量传感器，可在薄膜上集成多晶硅电阻式温度检测器（RTD）；第二类是采用叉指电极的梳齿谐振器或梳齿驱动器。只要刻蚀孔、沟槽及结构间距满足相应设计规则，这两类器件便可由TSRI完成MEMS工艺、晶圆切割、引线键合及封装等环节，其开发流程与一般的IC设计模式相似。
图2 集成POLY RTD的CMOS-MEMS流量传感器均匀穿孔膜结构
此外，对于具备简单湿法刻蚀条件的MEMS设计人员而言，依托TSRI成熟的MEMS-CMOS代工平台，仅需增加少量后处理工序，即可进一步开发更多类型的电容式传感器和静电驱动执行器，例如电容式力/压力传感器、电容式加速度计、梳齿谐振器或梳齿驱动器、扭转微镜以及其它静电驱动执行器等。
图3 CMOS-MEMS电容腔式压力传感器的非均匀厚度膜片结构
图4 CMOS-MEMS电容式悬臂和加速度计结构
图5 在水平加速度或静电驱动作用下进行面内运动的叉指梳齿结构
图6 采用扭转梁支撑的类数字微镜器件（DMD）双微镜结构
尽管TSRI的CMOS-MEMS代工服务能够制造悬置微结构，并提供标准化后处理工艺支持，但对于需要内嵌电容间隙、牺牲金属层释放和局部后处理的先进电容式传感器与静电驱动执行器而言，现有平台仍存在局限，尤其是在牺牲金属层湿法刻蚀后，器件可能面临刻蚀均匀性不足、悬置结构黏附以及封装流程复杂等问题。为配合湿法牺牲层刻蚀方案，研究团队提出了一系列可行的配套后处理方案。
总体而言，这项研究提出了一套面向Fabless模式的CMOS-MEMS代工平台扩展方案。通过依托TSRI现有的0.18 μm CMOS代工平台，仅需补充实验室级的简易湿法刻蚀与配套后处理工艺，即可实现多种电容式传感器与静电驱动执行器的开发。这套方案有效降低了MEMS器件的研发门槛，缩短了器件开发周期，为CMOS-MEMS代工平台的功能拓展与器件集成提供了可行路径。
论文信息：https://doi.org/10.3390/mi17060732
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