基于碳化硅材料的電容式高溫壓力傳感器的研究

梁 庭，賈傳令，李 強(qiáng)，王心心，李永偉，雷 程

(中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

高溫壓力傳感器廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)、航空航天、大飛機(jī)和渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)等許多國(guó)家重大工程和民用工程[1]。目前硅基壓力傳感器應(yīng)用較多，但由于在超過500 ℃環(huán)境下硅材料易氧化、易腐蝕且發(fā)生塑性變形限制了其進(jìn)一步高溫應(yīng)用[2-3]。近年來(lái)，基于新材料、新結(jié)構(gòu)的高溫壓力傳感器成為新的研究方向。SiC材料具有抗輻射、耐化學(xué)腐蝕、高熱導(dǎo)率、高硬度和彈性模量等特性成為制作高溫、高頻等MEMS器件的理想材料[4]。壓力傳感器的工作原理主要有壓阻式和電容式，壓阻式一般對(duì)工作溫度較為敏感，且需要溫度補(bǔ)償，而電容式壓力傳感器受溫度影響較小，因此本文提出一種基于SiC材料的電容式耐高溫壓力傳感器，采用變間距式結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高及低非線性等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

本實(shí)驗(yàn)制備了電極板裸露在電容腔外部的變間距式的電容式壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變間距式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)傳感器下極板的位置不發(fā)生變化，上極板受到外界壓力時(shí)，使兩極板間距tg改變，從而使電容值發(fā)生變化[7]。傳感器初始電容C0的計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：tg為電容腔間距；a為正方形敏感膜邊長(zhǎng)；ε0為敏感膜材料(SiC)介電常數(shù)，ε0=8.854 187 817× 10-12F/m；εr為真空介電常數(shù)；tm1為電容腔頂部距上極板厚度；tm2為電容腔底部距下極板間厚度。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)電容式高溫壓力傳感器的敏感膜片和電容腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使傳感器工作在更寬的線性輸出區(qū)域，一般要求敏感膜片的最大撓度小于膜厚的1/5，同時(shí)還應(yīng)滿足敏感薄膜表面最大應(yīng)力差小于SiC的破壞應(yīng)力的1/5。綜合上述考慮，敏感膜厚約束如式(2)所示：

(2)

式中：ωmax為敏感膜片的最大變形量；σx、σy分別為橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力；t為敏感膜厚；敏感膜片邊長(zhǎng)a=3 000μm；量程p=300 kPa；楊氏模量E=453.5 GPa；屈服強(qiáng)度σm=21 GPa。

綜合上述兩個(gè)計(jì)算得到敏感膜厚的范圍為t>43.85 μm，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的MEMS加工條件，取敏感膜厚t=45 μm。

為了提高傳感器的靈敏度，盡可能增大傳感器的初始電容值，由式(1)可知，在電容極板厚度和結(jié)構(gòu)相對(duì)介電常數(shù)確定及相同的外界壓力的情況下，靈敏度與tg成反比，可見通過減小電容間距可以提高傳感器靈敏度。結(jié)合工藝條件，設(shè)計(jì)電容極板間距為10 μm，即電容空腔深度為10 μm。

由以上設(shè)計(jì)可知，敏感膜片整體厚度為55 μm，且初始電容值C0=6.05 pF。由于55 μm厚度的SiC晶片非常脆且易碎，采用晶圓減薄工藝難以實(shí)現(xiàn)上述敏感膜片的制備。為使敏感膜片變得更加結(jié)實(shí)且保證敏感膜片厚度，本實(shí)驗(yàn)采用晶圓背面深刻蝕工藝。

2 碳化硅電容式高溫壓力傳感器制備

為了提高傳感器的靈敏度，敏感芯片采用導(dǎo)電型的碳化硅晶圓和半絕緣型碳化硅晶圓相結(jié)合制備而成，具體工藝流程如圖2所示。首先將4H-SiC晶圓背面減薄到150 μm，清洗后旋涂AZ5214光刻膠，在SiC正面進(jìn)行光刻，膠厚度控制在2 μm左右；接著濺射500 nm的金屬鎳，通過剝離工藝打開刻蝕窗口；利用ICP刻蝕SiC10 μm，使用稀硝酸腐蝕多余的鎳掩膜得到電容空腔，上述的工藝加工完成了電容結(jié)構(gòu)的空腔制備，具體工藝流程如圖2(1)～(6)所示。接著在碳化硅背面進(jìn)行深刻蝕，從而完成壓力敏感膜片的制備。由于需要進(jìn)行深刻蝕工藝，而常規(guī)的金屬濺射和蒸發(fā)工藝無(wú)法為SiC的深刻蝕提供足夠厚的掩膜層，本文采用了濺射和電鍍工藝制備較厚的金屬掩膜層，首先濺射50 nm的Ti做粘附層和50 nm的Au做種子層，然后電鍍5 μm左右的金屬Ni做掩膜層，然后利用ICP對(duì)碳化硅進(jìn)行深刻蝕95 μm，深腔刻蝕的SEM如圖3(a)所示，腐蝕掉剩余的Ni掩膜以及底層的Au和金屬Ti，得到碳化硅感壓敏感芯片，具體工藝流程如圖2(7)～(15)所示，敏感芯片實(shí)物如圖3(b)所示。

圖2 敏感芯片及電容結(jié)構(gòu)制備工藝流程圖

為了制備鍵合強(qiáng)度高、密封性好的電容結(jié)構(gòu)，本文采用直接鍵合工藝，RCA清洗去除表面顆粒，然后在1300 ℃、4 MPa壓力下完成鍵合[9-10]，如圖2(16)所示。隨后完成電容結(jié)構(gòu)的上電極極板制作，首先，濺射50 nm的Ti做金屬粘附層，接著濺射400 nm的Au做金屬極板，完成后續(xù)的極板圖形化，工藝流程如圖2(17)～(18)所示，電容鍵合結(jié)構(gòu)如圖3(d)所示。

為了方便后續(xù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，傳感器采用陶瓷和耐熱金屬2種材料相結(jié)合進(jìn)行封裝[11]，利用高溫導(dǎo)電漿料將芯片下極板安裝在具有金屬圖形層的陶瓷底板上，然后加熱固化。芯片電極與外部的互連采用引線鍵合技術(shù)，芯片的外殼封裝采用金屬殼封裝，封裝后的傳感器實(shí)物如圖3(c)所示。

圖3 電容壓力傳感器關(guān)鍵工藝圖

3 測(cè)試

3.1 測(cè)試系統(tǒng)介紹

為檢驗(yàn)研制的電容式高溫壓力傳感器的性能，搭建了相應(yīng)的檢測(cè)平臺(tái)，其中初始電容利用探針臺(tái)探針分別接觸傳感器的上下極板，然后利用Keithley的4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)完成初始電容值測(cè)試；常溫壓力測(cè)試平臺(tái)由壓力控制系統(tǒng)，Agilent的4282A阻抗分析儀構(gòu)成如圖4(a)所示；由自研的真空壓力爐提供高溫環(huán)境下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試時(shí)電容式壓力傳感器置于爐腔，通過耐高溫導(dǎo)線與外部4282A相連接，如圖4(b)所示。

圖4 壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)

3.2 常溫壓力測(cè)試

經(jīng)過對(duì)樣品的測(cè)試分析，得到該傳感器芯片的初始電容值C0=8.50 pF，通過封裝后的壓力傳感器整體初始電容值C0=13.15 pF。通過與理論電容值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)試值大于理論電容值。

在常溫下，測(cè)試了0、50、100、150、200、250、 300 kPa的不同壓力下的電容值，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示，曲線表示隨著氣壓增大時(shí)，傳感器電容增大，并且在0～300 kPa內(nèi)，傳感器具有良好的響應(yīng)，電容與壓力成近似線性關(guān)系，通過計(jì)算，得到該傳感器的靈敏度可以達(dá)到4.51×10-3pF/kPa，非線性誤差為2.83%。

圖5 傳感器電容與壓力的關(guān)系圖(常溫)

在常壓下，從常溫開始逐漸升溫至600 ℃，其中，每隔100 ℃為測(cè)試節(jié)點(diǎn)，包括20、100、200、300、400、500、600℃，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保持10 min，當(dāng)完成600 ℃測(cè)試后，開始進(jìn)行降溫測(cè)試，重新進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從該曲線可以看出，隨著溫度的升高，傳感器芯片的電容值緩慢增大，在20～600 ℃的范圍內(nèi)，電容變化量為8.50～8.65 pF。但相比于外界壓力對(duì)它的作用，在大氣壓下，由溫度變化引起的電容變化值幾乎可以忽略不計(jì)，即該碳化硅高溫壓力傳感器的溫度漂移效應(yīng)較低。

圖6 傳感器電容與溫度的關(guān)系圖(高溫)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在探索碳化硅ICP刻蝕工藝和直接鍵合工藝的基礎(chǔ)上制備了基于碳化硅材料的電容式高溫壓力傳感器。與目前常用的硅基壓力傳感器相比，基于碳化硅材料的電容式壓力傳感器具有工作溫度高、制備方法簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為≥500 ℃工作環(huán)境下原位壓力測(cè)試需求提供技術(shù)參考。