SOI高温压力传感器工作原理与制备工艺

李倩 发表于 2018-05-21 09:37:20 收藏 已收藏
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SOI高温压力传感器工作原理与制备工艺

李倩 发表于 2018-05-21 09:37:20

近年来,我国的传感器技术正飞速发展,应用领域也在不断扩大。作为现代测量技术中发展最为成熟的一类,压力传感器领域也在不断涌现新技术、新材料和新工艺。

压力传感器是一种用来检测压力信号,将压力信号按一定规律转化为电信号的器件,广泛应用于各类生产、工业及航空航天领域。随着应用领域的细分,高温油井、各类发动机腔体等高温恶劣环境下的压力测量愈发重要,而普通压力传感器所用材料在超过一定温度(例如,扩散硅压力传感器工作温度低于120℃)时会失效,导致压力测量失败。因此,高温压力传感器成为一个非常重要的研究方向。

高温压力传感器的分类

根据所用材料的不同,高温压力传感器可以分为多晶硅(Poly-Si)高温压力传感器、SiC高温压力传感器、SOI(silicon on insulator)高温压力传感器、SOS(silicon on sapphire)硅-蓝宝石压力传感器、光纤高温压力传感器等不同类型。而从目前发展情况来看,SOI高温压力传感器的研究现状及前景都非常理想。下面主要介绍SOI高温压力传感器。

SOI高温压力传感器

SOI高温压力传感器的发展主要依托SOI材料的兴起。SOI即绝缘体上硅,主要指以SiO2为绝缘层预埋在Si衬底层和Si顶层器件层中间形成的半导体材料。SOI的特殊结构使得器件层与衬底层之间实现了绝缘,消除了体硅中常见的门闩效应,提高了器件的可靠性。另外,由于SOI器件层的高温特性使得其成为制备高温压力传感器的理想材料。

目前,国外已有研制成功的SOI高温压力传感器,包括美国Kulite的XTEH-10LAC-190(M)系列,如图1所示,工作温度为-55~480℃;美国古德里奇先进传感器技术中心研制的-55~500℃的SOI高温压力传感器;法国LETI研究所研制的SOI高温压力传感器工作温度也超过400℃。国内研究机构也在积极开展SOI高温压力传感器的研究,例如西安交通大学、天津大学、北大等。另外,西人马FATRI未来先进技术研究院也在开展相关研究工作,目前项目已进入论证阶段。

图1 Kulite高温压力传感器

SOI高温压力传感器工作原理

从原理上讲,SOI高温压力传感器主要利用的是单晶硅的压阻效应。当力作用于硅晶体上,晶体的晶格发生形变,进而导致载流子的迁移率发生变化,使得硅晶体的电阻率发生变化。通过在SOI顶层器件层的特定方向刻蚀出4个压敏电阻,构成惠斯通电桥如图2(a)所示;在SOI的衬底层刻蚀出压力背腔,进而形成压力敏感结构,如图2(b)所示。

图2(a)惠斯通电桥 

图2 (b)传感器芯片截面

当压力敏感结构受到气压压力时,压敏电阻的阻值发生变化,进而引起输出电压Vout发生变化,通过输出电压值与压敏电阻的阻值变化的关系,实现压力值的测量。

SOI高温压力传感器制备工艺

SOI高温压力传感器的制备工艺涉及多道MEMS工艺,此处简单介绍一些关键步骤以供了解传感器的工艺过程,如图3所示,主要包括压敏电阻制备、金属引线制备、压力敏感膜制备以及压力腔封装等工艺。

图3 SOI压力传感器工艺

压敏电阻的制备关键在于掺杂浓度的把控及后续刻蚀成型工艺的优化;金属引线层则主要起到惠斯通电桥的联通;压力敏感膜的制备主要依托深硅刻蚀工艺;压力腔的封装通常会因压力传感器的用途不同而有所变化,本文给出的两种可能的封装形式如图3所示。

由于目前商业化的高温压力传感器还无法很好的满足高温油井、航空发动机等特殊恶劣环境对压力测量的需求,未来高温压力传感器的研究已成必然。SOI材料因其特殊结构及高温特性,已经成为高温压力传感器的理想材料,未来对于SOI高温压力传感器的研究应该集中在解决高温恶劣环境下传感器的长期稳定性、自发热问题及提高压力传感器精度等方面。

当然,智能化时代的到来也要求SOI高温压力传感器结合其他多学科技术,为传感器带来自补偿、自校准、信息存储等更为智能化的功能,从而更好的完成感知复杂高温环境压力的使命。

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