一文詳解MEMS高溫壓力傳感器

高溫壓力傳感器廣泛應用于工業、航空航天等領域，用來監測航空發動機、重型燃氣輪機、燃煤燃氣鍋爐等動力設備燃燒室內的壓力，耐高溫和高可靠性是對其最基本的要求。

常規的單晶硅擴散式壓阻壓力傳感器在超過120°C環境下使用時，會由于內部PN結出現漏電而導致傳感器性能急劇下降，進而導致失效。而工業、航天航空等領域使用的壓力傳感器需要滿足2個基本需求：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MEMS高溫壓力傳感器最基本的需求是在至少125°C環境下工作。以傳感器實現高溫的特征進行分類，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，下面詳細介紹這四種高溫壓力傳感器。



圖MEMS壓力傳感器典型應用（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作為介質薄膜來代替PN結，進而實現電隔離。

多晶硅高溫壓力傳感器一般可用在200°C以內的環境，多晶硅層常規厚度低于2μm，與介質層SiO2和部分硅襯底組成感受壓力的復合膜結構，這樣的結果會因不同材料的熱膨脹系數不同引起熱應力，影響高溫下的性能。



圖 四類MEMS高溫壓力傳感器結構

SOI高溫壓力傳感器

SOI 高溫壓力傳感器制備工藝相對成熟，也是目前市場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，避免產生P-N結漏電問題。在相同尺寸下，SOI襯底的漏電流比硅襯底形成PN結的漏電流低3個數量級，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是注氧隔離（separation by implantation of oxygen，SIMOX）技術和鍵合（bonding）技術, SIMOX技術是指工藝中大劑量的氧離子被注入到起始硅片中, 然后進行高溫退火處理形成SOI襯底，利用SIMOX技術制作的高溫壓力傳感器, 其耐溫到220°C。

鍵合技術，包括智能剝離（Smart Cut）和鍵合與背面減?。╞onding and etch-back SOI BESOI）技術，鍵合技術工藝較復雜, 成本控制較難。利用 Smart Cut技術的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）是基于藍寶石襯底制成的器件。藍寶石是Al2O3的晶體結構，熔點達到2040℃，具有良好的光學特性、絕緣性，在1500℃時機械性能良好，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八十年代提出的一種薄膜應變式壓力傳感器，它通過在藍寶石晶體上異質外延生長單晶硅薄膜，并利用干法刻蝕制作硅壓阻結構。SOS 高溫壓力傳感器具有頻帶寬、耐腐蝕、抗輻射等優點，工作溫度可達到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，藍寶石熱膨脹系數約為硅的2倍，外延單晶硅薄膜與藍寶石間的晶格失配大，存在較大的失配應力，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體材料具有優良的抗輻照特性、熱學性能、抗腐蝕性。SiC晶體形態較多，常用于研制高溫壓力傳感器的晶體形態為α型的3C-SiC和β型的4H-SiC、6H-SiC，其中β-SiC在1600℃時仍能保持良好的機械強度，在制備高溫傳感器方面有廣闊的應用前景。壓力敏感結構以6H-SiC作為基底，利用同質外延摻雜、干法刻蝕技術形成PN結和壓阻結構，再使用Ti/TaSi/Pt膜實現歐姆接觸，傳感器最高工作溫度能達到 750℃。

限制SiC壓阻高溫傳感器工作溫度的因素有兩個：第一，高溫下外延6H-SiC薄膜的壓阻效應退化，有數據表明，6H-SiC薄膜在室溫下的壓阻系數為30，而在600℃時降為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期使用溫度均不高于 800℃。

以上四類不同結構的壓力傳感器是目前常見的實現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；

從產業化程度來講，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