比利時(shí)校際微電子中心（imec）在《Microsystems & Nanoengineering》期刊發(fā)表研究成果：一款完全柔性、大面積、基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的三軸力傳感器正式完成原理驗(yàn)證與工藝實(shí)現(xiàn)。該傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)平板顯示（Flat Panel Display, FPD）制造工藝開發(fā)，可在3000×3320 mm2超大玻璃基板上批量制備，無需定制化產(chǎn)線改造，顯著區(qū)別于當(dāng)前依賴3D打印模具或逐層組裝的柔性傳感器方案。其核心單元——單個(gè)‘像素’（pixel）傳感器，在1 cm2陣列 footprint 下實(shí)測壓力靈敏度達(dá)0.841 pF/kPa、差分剪切靈敏度2.859 pF/kPa，均高于現(xiàn)有電容式三軸力傳感器水平。

該傳感器結(jié)構(gòu)以聚酰亞胺（PI）柔性箔為基底，厚度僅15 μm；其核心傳感單元為氮化硅（Si?N?）蝴蝶形懸臂膜片，由四座50 μm寬橋支撐，頂部集成Ti/Pt電極；膜片中央覆蓋150 μm×150 μm×50 μm干膜光敏環(huán)氧樹脂（DFR）凸起結(jié)構(gòu)，專用于捕獲面內(nèi)剪切力；Zui外層為信越化學(xué)（Shin-Etsu）提供的SINR有機(jī)硅彈性體軟涂層，厚度100 μm，兼具力學(xué)緩沖、防塵防水與光刻圖形化能力。整個(gè)像素單元邊長300 μm，四組獨(dú)立電容C11–C22呈雙對稱布局，確保面內(nèi)響應(yīng)各向同性。關(guān)鍵工藝參數(shù)包括：空氣腔間隙90 nm、Si?N?結(jié)構(gòu)層總厚2.7 μm（含100 nm隔離層）、金屬電極總厚130 nm（Ti 10 nm + Pt 120 nm），所有結(jié)構(gòu)均通過標(biāo)準(zhǔn)表面微加工（surface micromachining）在6英寸玻璃載板上完成開發(fā)，并已驗(yàn)證與第11代FPD產(chǎn)線兼容。

imec團(tuán)隊(duì)在比利時(shí)魯汶先進(jìn)潔凈室中完成全部工藝開發(fā)。其技術(shù)路徑明確避開傳統(tǒng)柔性傳感器依賴的非標(biāo)工藝（如3D打印模具澆鑄、逐層人工對準(zhǔn)組裝），轉(zhuǎn)而復(fù)用FPD產(chǎn)線成熟流程：先在臨時(shí)玻璃載板上旋涂UBE公司U-Varnish-S型聚酰亞胺，450℃固化；隨后沉積TFT金屬走線層（當(dāng)前僅作路由，未集成主動(dòng)電路）；再經(jīng)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）生長Si?N?介質(zhì)層；采用自對準(zhǔn)剝離法（self-aligned lift-off）形成底部電極；通過深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）打開溝槽，蒸鍍Cr犧牲層并覆蓋Si?N?；蒸發(fā)頂部Ti/Pt電極后，再次PECVD沉積主結(jié)構(gòu)Si?N?層——此步嚴(yán)格調(diào)控溫度、氣壓、射頻功率及SiH?/N?流量，以控制殘余應(yīng)力；接著熱壓貼合DFR干膜并光刻成形凸起；Zui后用SF?/O?干法刻蝕暴露Cr層，再以鉻蝕刻液（Transene Chromium Etchant 1020）濕法去除犧牲層，CO?臨界點(diǎn)干燥防止粘連，Zui終通過激光剝離（LLO）將完整柔性器件從玻璃載板釋放。整套流程已適配Gen 3.5至Gen 4.5玻璃面板產(chǎn)線，且與銅/鉬/氙氟等不同犧牲層體系兼容。

面向曲面人機(jī)交互的傳感邊界突破

傳統(tǒng)硅基單片MEMS三軸力傳感器受限于剛性基底，僅能裝配于硬質(zhì)PCB或小面積剛性襯底，空間覆蓋率低，無法貼合弧形表面；而現(xiàn)有彈性體柔性傳感器雖可彎曲，卻因材料蠕變、熱脹冷縮及濕度敏感導(dǎo)致長期信號漂移，滿量程數(shù)十kPa。imec方案通過PI基底+微尺度Si?N? MEMS+SINR封裝的三級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)解決柔性、穩(wěn)定性與量程矛盾：PI提供宏觀形變能力；Si?N?懸臂膜片在納米級間隙下實(shí)現(xiàn)高靈敏度電容變化，且殘余應(yīng)力經(jīng)PECVD工藝精準(zhǔn)調(diào)控，避免彎曲引發(fā)的性能衰減；SINR涂層在光刻后幾乎零收縮，既保護(hù)MEMS又維持力學(xué)傳遞保真度。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器在持續(xù)彎曲狀態(tài)下無明顯蠕變漂移，壓力檢測范圍覆蓋0.1–100 kPa，剪切力分辨率達(dá)10 Pa量級，滿足假肢承重監(jiān)測、協(xié)作機(jī)器人指尖觸覺、車載曲面中控屏力反饋等嚴(yán)苛場景需求。

中國采購與集成商需關(guān)注的產(chǎn)線適配要點(diǎn)

該技術(shù)Zui大價(jià)值在于‘FPD工藝原生兼容’——這意味著國內(nèi)已建成的G8.5及以上世代OLED/LCD面板廠，無需新增潔凈室或?qū)Ｓ迷O(shè)備，僅需在現(xiàn)有光刻、PECVD、濕法腐蝕工段嵌入對應(yīng)掩膜版與工藝參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)傳感器陣列與顯示背板同步制造。對下游設(shè)備制造商而言，采購時(shí)應(yīng)重點(diǎn)核驗(yàn)三點(diǎn)：一是傳感器PI基底與目標(biāo)應(yīng)用基材（如碳纖維復(fù)合材料、醫(yī)用硅膠、汽車內(nèi)飾表皮）的熱膨脹系數(shù)匹配性，避免溫變導(dǎo)致界面脫層；二是SINR涂層與終端環(huán)境介質(zhì)（如酒精消毒液、汗液、潤滑油）的長期接觸穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，imec測試顯示其在pH 4–9溶液中浸泡72小時(shí)后電容漂移＜0.5%；三是陣列級信號讀出接口是否支持現(xiàn)有TFT驅(qū)動(dòng)IC協(xié)議（如MIPI DSI擴(kuò)展通道），目前原型采用4線獨(dú)立電容讀取，需配套低噪聲16位ADC與數(shù)字補(bǔ)償算法。

• 確認(rèn)供應(yīng)商是否提供與國產(chǎn)G10.5玻璃基板（2940×3370 mm2）匹配的拼接工藝包，含邊緣對準(zhǔn)誤差補(bǔ)償與熱應(yīng)力釋放設(shè)計(jì)
• 核查SINR涂層在85℃/85%RH加速老化1000小時(shí)后的介電常數(shù)變化率，該參數(shù)直接影響長期力值標(biāo)定精度
• 評估傳感器在曲率半徑＜50 mm的弧面上安裝后的靈敏度均勻性，建議要求供應(yīng)商提供ISO 10360-8標(biāo)準(zhǔn)下的空間響應(yīng)一致性測試報(bào)告

當(dāng)前全球FPD產(chǎn)線正從剛性顯示向‘傳感+顯示’融合方向演進(jìn)，韓國三星Display與日本JOLED已啟動(dòng)柔性O(shè)LED觸覺反饋聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目，而中國京東方、華星光電亦在2023年技術(shù)路線圖中列入‘智能表面’（Smart Surface）專項(xiàng)。imec此項(xiàng)成果雖尚處實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，但其工藝路徑直指量產(chǎn)瓶頸——當(dāng)國內(nèi)面板廠升級G11代產(chǎn)線時(shí)，若同步預(yù)留MEMS傳感集成工藝窗口，有望在車載HMI、手術(shù)機(jī)器人觸覺反饋、AR眼鏡眼動(dòng)+按壓復(fù)合交互等新興市場搶占先機(jī)。對系統(tǒng)集成商而言，該傳感器并非替代現(xiàn)有壓力開關(guān)，而是為需要三維力解耦、微牛級分辨、曲面共形部署的高端人機(jī)交互場景提供唯一可行的標(biāo)準(zhǔn)化硬件入口。