简述4H-SiC无线无源高温压力传感器设计

摘要：高温压力传感器研制的主要目的是解决高温恶劣环境下的压力测量问题，SiC是制造高温压力传感器的理想材料，结合薄膜技术与陶瓷厚膜技术，提出了一种新型的4H-SiC无线无源电容式高温压力传感器设计方案。应用Ansys有限元分析软件进行仿真， 600 ℃时灵敏度为2.65 MHz/bar，说明传感器在高温下具有较高的灵敏度，对制备过程中的关键工艺——SiC深刻蚀进行了验证，刻蚀深度达到124 m，满足传感器制备要求。

0 引言

高温压力传感器在民用和军事上都有着十分广泛的用途，然而高温环境下的弹性结构失稳以及电引线性能退化是导致传统MEMS压力传感器无法正常工作的关键原因。SiC是具有宽带隙、高击穿场强、高热导率和高电子饱和速度及良好机械性能的材料，它的化学稳定性和抗辐射能力等这些特性使SiC在制造高温恶劣环境下的压力传感器中具有明显的优势[1]。本文选择SiC材料制备敏感结构，同时采用无线无源探测技术[2]，从而实现高温压力测量。SiC是有许多同素异构类型的化合物半导体，此处选择4H-SiC进行研究，表1为4H-SiC与Si的主要特性比较。

1 工作原理

 

压力传感器主要有压阻式和电容式两种结构，电容式压力传感器具备高灵敏度、高频响、低温漂等优点，是SiC压力传感器更具潜力的研究方向[3]。电容式压力传感器的基本结构如图1所示，受到压力作用时，薄膜产生形变，上下极板间距发生变化，从而改变电容器的容量。

变化电容[4]：

其中

，w棕为最大挠度，a为边长，h为敏感膜厚度，d为空腔间距，r为SiC的相对介电常数，0为真空介电常数。

由平板热弹性理论，在外部压力和温度载荷的共同作用下，膜片的变形积分方程[5]如下：

式中：p为外部压力载荷，D为弯曲刚度，

，E为杨氏模量泊松比，x、y、z分别为3个坐标轴，

是热膨胀系数，为传感器内部温度分布，稳态传热过程中，热传导方程[6]如下：

其中，?籽为密度，Cp为比热容，k为传热系数。

由于高温环境下引线性能退化，后续采用非接触式无源技术进行测试。将电容与电感线圈串联成LC谐振电路，利用互感耦合原理检测频率信号。原理图如图2所示。

利用一个耦合线圈读出电路（天线）在传感器附近进行扫频测量，当测量信号频率与传感器固有频率耦合时发生共振，导致输入阻抗发生明显变化，从而推算其传感器压力相关的固有频率。根据压敏结构的压力-位移-电容-固有频率传输函数，可以计算出压力的大小[7]。

2 结构设计

陶瓷具有耐高温、自封装、绝缘、低成本等特性，低温共烧陶瓷(LTCC)工艺在制作立体结构方面具有特别的优势，使用LTCC材料和工艺来制作压力传感器，可满足400～600 ℃左右高温环境下的应用[8]。玻璃浆料键合是通过网印将玻璃浆料涂在键合面上，熔化所产生的结构并接触第二个衬底，冷却后会形成稳定的机械性连接。

它的优势在于其具有密封效果好，键合强度高，生产效率高，并且对于封接基板的表面没有特殊要求[9]。利用玻璃浆料将SiC芯片制成的敏感膜与LTCC陶瓷键合制成电容，设计排气管道，最后在真空环境下利用玻璃珠融化密封形成真空电容空腔，同时在陶瓷上印刷电感线圈，最后，引线键合串联形成LC谐振电路。结构如图3所示。

2.1 SiC芯片部分设计

首先将SiC芯片减薄至一定厚度，在减薄后的芯片上刻蚀一定深度来构成空腔，在另一面对应的位置刻蚀一定深度形成敏感膜。氧化一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上溅射一层Ti作为吸附层，再溅射一层Pt作为引线互联层(中间可制备一层TiN扩散阻挡层，缓解层与层之间的动力学反应)[10]，图形化形成上电极，如图4所示。

2.2 陶瓷部分设计

通过LTCC激光打孔、厚膜印刷技术和多层叠片技术，经过适当的工艺步骤制备出符合设计要求的电容下极板和铂电感线圈。各层生瓷片打孔、印刷如图5所示。

3 仿真结果与分析

对SiC薄膜进行仿真，由于SiC材料的弹性模量、泊松比、密度随温度的变化而变化[11]，以及热传导、热膨胀等现象的影响[12]，传感器在温度改变时性能会发生变化，应用Ansys有限元分析软件对传感器薄膜作热-结构耦合场仿真分析。碳化硅在不同温度下的特性参数如表2，仿真位移云图如图6所示。

由仿真结果可知20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃温度时2个大气压内的最大挠度如表3所示。

设计电感大小为2 H，由式(1)、式(4)可知谐振频率变化如图7所示。

计算可得出20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃时的灵敏度分别2.35 MHz/bar、2.4 MHz/bar、2.55 MHz/bar、2.65 MHz/bar，可知传感器在高温下仍具有较高的灵敏度。

4 关键工艺验证

此方案中最关键的工艺是SiC的深刻蚀，由于SiC化学性质十分稳定，目前还未发现有哪种酸或碱能在室温下对其起腐蚀作用，因此在SiC基体的加工工艺中常采用干法刻蚀[13]。由于Ni掩模刻蚀出的选择比较大、台阶较直且表面状况良好，此处选择金属Ni作为掩膜[14]。

SiC中比较特殊的是C元素，采用SF6刻蚀时需要顾及到C，由于C和O能反应，因此加入O2是比较好的策略：

SiC+O*+F*→SiF4↑+CO↑+CO2↑

因此SiC刻蚀一般采用SF6+O2，再加入Ar辅助，提升物理性，角度垂直且速率较大，刻蚀扫描电子显微镜图如图8所示。

刻蚀深度为124 m，满足传感器制备要求，底部形貌存在“sub-trench”现象，后续需进行工艺优化。

5 结论

通过对SiC电容式无线无源高温压力传感器的设计和仿真分析可知，这种传感器在600 ℃高温时仍具有较高灵敏度，对传感器制备过程中的关键工艺——SiC深刻蚀进行了验证，满足传感器制备要求。后续将进行工艺优化、传感器的制备与测试。

参考文献

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编辑：jq