高溫壓力傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，用來監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)、燃煤燃?xì)忮仩t等動(dòng)力設(shè)備燃燒室內(nèi)的壓力，耐高溫和高可靠性是對(duì)其最基本的要求。

常規(guī)的單晶硅擴(kuò)散式壓阻壓力傳感器在超過120°C環(huán)境下使用時(shí)，會(huì)由于內(nèi)部PN結(jié)出現(xiàn)漏電而導(dǎo)致傳感器性能急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致失效。而工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域使用的壓力傳感器需要滿足2個(gè)基本需求：高溫和高可靠性。因此我們也通常把這類壓力傳感器稱為高溫壓力傳感器。對(duì)MEMS高溫壓力傳感器最基本的需求是在至少125°C環(huán)境下工作。以傳感器實(shí)現(xiàn)高溫的特征進(jìn)行分類，高溫壓力傳感器主要包括多晶硅壓力傳感器、SOI壓力傳感器、SOS壓力傳感器和SiC壓力傳感器，下面詳細(xì)介紹這四種高溫壓力傳感器。



圖MEMS壓力傳感器典型應(yīng)用（來源YOLE）

多晶硅高溫壓力傳感器

多晶硅高溫壓力傳感器在制作中采用熱氧工藝在單晶硅襯底上制備介質(zhì)膜SiO2，再通過LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低壓氣相淀積) 工藝在 SiO2上制作多晶硅膜，再通過擴(kuò)散工藝制作基于多晶硅材料的壓敏電阻。多晶硅高溫壓力傳感器主要采用SiO2作為介質(zhì)薄膜來代替PN結(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電隔離。

多晶硅高溫壓力傳感器一般可用在200°C以內(nèi)的環(huán)境，多晶硅層常規(guī)厚度低于2μm，與介質(zhì)層SiO2和部分硅襯底組成感受壓力的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)果會(huì)因不同材料的熱膨脹系數(shù)不同引起熱應(yīng)力，影響高溫下的性能。



圖 四類MEMS高溫壓力傳感器結(jié)構(gòu)

SOI高溫壓力傳感器

SOI 高溫壓力傳感器制備工藝相對(duì)成熟，也是目前市場(chǎng)上最常見的一種高溫壓力傳感器類型。SOI壓力傳感器具有耐高溫特性，埋氧層可以隔絕壓敏電阻和硅襯底，避免產(chǎn)生P-N結(jié)漏電問題。在相同尺寸下，SOI襯底的漏電流比硅襯底形成PN結(jié)的漏電流低3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此SOI襯底適合研制高溫壓力傳感器。但是存在敏感壓阻層與襯底之間的鍵合方式、熱應(yīng)力和高溫漏電流增大以及硅高溫蠕變等因素的限制。

制備SOI襯底的兩種主流技術(shù)是注氧隔離（separation by implantation of oxygen，SIMOX）技術(shù)和鍵合（bonding）技術(shù), SIMOX技術(shù)是指工藝中大劑量的氧離子被注入到起始硅片中, 然后進(jìn)行高溫退火處理形成SOI襯底，利用SIMOX技術(shù)制作的高溫壓力傳感器, 其耐溫到220°C。

鍵合技術(shù)，包括智能剝離（Smart Cut）和鍵合與背面減薄（bonding and etch-back SOI BESOI）技術(shù)，鍵合技術(shù)工藝較復(fù)雜, 成本控制較難。利用 Smart Cut技術(shù)的SOI襯底，研制出的高溫壓力傳感器, 其高溫特性可到150°C；利用BESOI 技術(shù)制作的高溫壓力傳感器, 其耐溫到200°C。

SOS高溫壓力傳感器

SOS高溫壓力傳感器（Siliconon Sapphire）是基于藍(lán)寶石襯底制成的器件。藍(lán)寶石是Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)達(dá)到2040℃，具有良好的光學(xué)特性、絕緣性，在1500℃時(shí)機(jī)械性能良好，是制備高溫傳感器的理想材料。

SOS 高溫壓力傳感器是在二十世紀(jì)八十年代提出的一種薄膜應(yīng)變式壓力傳感器，它通過在藍(lán)寶石晶體上異質(zhì)外延生長(zhǎng)單晶硅薄膜，并利用干法刻蝕制作硅壓阻結(jié)構(gòu)。SOS 高溫壓力傳感器具有頻帶寬、耐腐蝕、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，工作溫度可達(dá)到350℃，由于難以形成真空絕壓腔，SOS 高溫壓力傳感器多為大量程的表壓傳感器。另外，藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)約為硅的2倍，外延單晶硅薄膜與藍(lán)寶石間的晶格失配大，存在較大的失配應(yīng)力，限制了這種傳感器的最高使用溫度。

SiC高溫壓力傳感器

碳化硅作為第三代直接躍遷型寬禁帶半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的抗輻照特性、熱學(xué)性能、抗腐蝕性。SiC晶體形態(tài)較多，常用于研制高溫壓力傳感器的晶體形態(tài)為α型的3C-SiC和β型的4H-SiC、6H-SiC，其中β-SiC在1600℃時(shí)仍能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，在制備高溫傳感器方面有廣闊的應(yīng)用前景。壓力敏感結(jié)構(gòu)以6H-SiC作為基底，利用同質(zhì)外延摻雜、干法刻蝕技術(shù)形成PN結(jié)和壓阻結(jié)構(gòu)，再使用Ti/TaSi/Pt膜實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，傳感器最高工作溫度能達(dá)到 750℃。

限制SiC壓阻高溫傳感器工作溫度的因素有兩個(gè)：第一，高溫下外延6H-SiC薄膜的壓阻效應(yīng)退化，有數(shù)據(jù)表明，6H-SiC薄膜在室溫下的壓阻系數(shù)為30，而在600℃時(shí)降為10~15；第二，SiC歐姆接觸的使用溫度限制，Ti/TaSi/Pt、Ta/Ni/Pt等歐姆接觸膜系的長(zhǎng)期使用溫度均不高于 800℃。

以上四類不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器是目前常見的實(shí)現(xiàn)高溫壓力傳感的方式：

從最高使用溫度來講，SiC＞SOS＞SOI＞多晶硅；

從制造難度來講，SiC＞SOS＞SOI＞多晶硅；

從產(chǎn)業(yè)化程度來講，SOI＞多晶硅＞SOS＞SiC；

從制造成本來講，SiC＞SOS＞SOI＞多晶硅。

圖 四類MEMS高溫壓力傳感器比較

審核編輯：劉清