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解析SOI高溫壓力傳感器工作原理與制備工藝

發(fā)布時(shí)間:2018-05-21 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】近年來(lái),我國(guó)的傳感器技術(shù)正飛速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中發(fā)展最為成熟的一類(lèi),壓力傳感器領(lǐng)域也在不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新材料和新工藝。
 
 
壓力傳感器是一種用來(lái)檢測(cè)壓力信號(hào),將壓力信號(hào)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件,廣泛應(yīng)用于各類(lèi)生產(chǎn)、工業(yè)及航空航天領(lǐng)域。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的細(xì)分,高溫油井、各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)腔體等高溫惡劣環(huán)境下的壓力測(cè)量愈發(fā)重要,而普通壓力傳感器所用材料在超過(guò)一定溫度(例如,擴(kuò)散硅壓力傳感器工作溫度低于120℃)時(shí)會(huì)失效,導(dǎo)致壓力測(cè)量失敗。因此,高溫壓力傳感器成為一個(gè)非常重要的研究方向。
 
高溫壓力傳感器的分類(lèi)
 
根據(jù)所用材料的不同,高溫壓力傳感器可以分為多晶硅(Poly-Si)高溫壓力傳感器、SiC高溫壓力傳感器、SOI(silicon on insulator)高溫壓力傳感器、SOS(silicon on sapphire)硅-藍(lán)寶石壓力傳感器、光纖高溫壓力傳感器等不同類(lèi)型。而從目前發(fā)展情況來(lái)看,SOI高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀及前景都非常理想。下面主要介紹SOI高溫壓力傳感器。
 
SOI高溫壓力傳感器
 
SOI高溫壓力傳感器的發(fā)展主要依托SOI材料的興起。SOI即絕緣體上硅,主要指以SiO2為絕緣層預(yù)埋在Si襯底層和Si頂層器件層中間形成的半導(dǎo)體材料。SOI的特殊結(jié)構(gòu)使得器件層與襯底層之間實(shí)現(xiàn)了絕緣,消除了體硅中常見(jiàn)的門(mén)閂效應(yīng),提高了器件的可靠性。另外,由于SOI器件層的高溫特性使得其成為制備高溫壓力傳感器的理想材料。
 
目前,國(guó)外已有研制成功的SOI高溫壓力傳感器,包括美國(guó)Kulite的XTEH-10LAC-190(M)系列,如圖1所示,工作溫度為-55~480℃;美國(guó)古德里奇先進(jìn)傳感器技術(shù)中心研制的-55~500℃的SOI高溫壓力傳感器;法國(guó)LETI研究所研制的SOI高溫壓力傳感器工作溫度也超過(guò)400℃。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也在積極開(kāi)展SOI高溫壓力傳感器的研究,例如西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、北大等。另外,西人馬FATRI未來(lái)先進(jìn)技術(shù)研究院也在開(kāi)展相關(guān)研究工作,目前項(xiàng)目已進(jìn)入論證階段。
 
 
圖1 Kulite高溫壓力傳感器
 
SOI高溫壓力傳感器工作原理
 
從原理上講,SOI高溫壓力傳感器主要利用的是單晶硅的壓阻效應(yīng)。當(dāng)力作用于硅晶體上,晶體的晶格發(fā)生形變,進(jìn)而導(dǎo)致載流子的遷移率發(fā)生變化,使得硅晶體的電阻率發(fā)生變化。通過(guò)在SOI頂層器件層的特定方向刻蝕出4個(gè)壓敏電阻,構(gòu)成惠斯通電橋如圖2(a)所示;在SOI的襯底層刻蝕出壓力背腔,進(jìn)而形成壓力敏感結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示。
 
圖2(a)惠斯通電橋 
 
 
圖2 (b)傳感器芯片截面
 
當(dāng)壓力敏感結(jié)構(gòu)受到氣壓壓力時(shí),壓敏電阻的阻值發(fā)生變化,進(jìn)而引起輸出電壓Vout發(fā)生變化,通過(guò)輸出電壓值與壓敏電阻的阻值變化的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)壓力值的測(cè)量。
 
SOI高溫壓力傳感器制備工藝
 
SOI高溫壓力傳感器的制備工藝涉及多道MEMS工藝,此處簡(jiǎn)單介紹一些關(guān)鍵步驟以供了解傳感器的工藝過(guò)程,如圖3所示,主要包括壓敏電阻制備、金屬引線(xiàn)制備、壓力敏感膜制備以及壓力腔封裝等工藝。
 
 
圖3 SOI壓力傳感器工藝
 
壓敏電阻的制備關(guān)鍵在于摻雜濃度的把控及后續(xù)刻蝕成型工藝的優(yōu)化;金屬引線(xiàn)層則主要起到惠斯通電橋的聯(lián)通;壓力敏感膜的制備主要依托深硅刻蝕工藝;壓力腔的封裝通常會(huì)因壓力傳感器的用途不同而有所變化,本文給出的兩種可能的封裝形式如圖3所示。
 
由于目前商業(yè)化的高溫壓力傳感器還無(wú)法很好的滿(mǎn)足高溫油井、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等特殊惡劣環(huán)境對(duì)壓力測(cè)量的需求,未來(lái)高溫壓力傳感器的研究已成必然。SOI材料因其特殊結(jié)構(gòu)及高溫特性,已經(jīng)成為高溫壓力傳感器的理想材料,未來(lái)對(duì)于SOI高溫壓力傳感器的研究應(yīng)該集中在解決高溫惡劣環(huán)境下傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、自發(fā)熱問(wèn)題及提高壓力傳感器精度等方面。
 
當(dāng)然,智能化時(shí)代的到來(lái)也要求SOI高溫壓力傳感器結(jié)合其他多學(xué)科技術(shù),為傳感器帶來(lái)自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、信息存儲(chǔ)等更為智能化的功能,從而更好的完成感知復(fù)雜高溫環(huán)境壓力的使命。
 

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