簡述4H-SiC無線無源高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)

摘要：高溫壓力傳感器研制的主要目的是解決高溫惡劣環(huán)境下的壓力測量問題，SiC是制造高溫壓力傳感器的理想材料，結(jié)合薄膜技術(shù)與陶瓷厚膜技術(shù)，提出了一種新型的4H-SiC無線無源電容式高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行仿真， 600 ℃時(shí)靈敏度為2.65 MHz/bar，說明傳感器在高溫下具有較高的靈敏度，對制備過程中的關(guān)鍵工藝——SiC深刻蝕進(jìn)行了驗(yàn)證，刻蝕深度達(dá)到124 m，滿足傳感器制備要求。

0 引言

高溫壓力傳感器在民用和軍事上都有著十分廣泛的用途，然而高溫環(huán)境下的彈性結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及電引線性能退化是導(dǎo)致傳統(tǒng)MEMS壓力傳感器無法正常工作的關(guān)鍵原因。SiC是具有寬帶隙、高擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率和高電子飽和速度及良好機(jī)械性能的材料，它的化學(xué)穩(wěn)定性和抗輻射能力等這些特性使SiC在制造高溫惡劣環(huán)境下的壓力傳感器中具有明顯的優(yōu)勢[1]。本文選擇SiC材料制備敏感結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用無線無源探測技術(shù)[2]，從而實(shí)現(xiàn)高溫壓力測量。SiC是有許多同素異構(gòu)類型的化合物半導(dǎo)體，此處選擇4H-SiC進(jìn)行研究，表1為4H-SiC與Si的主要特性比較。

1 工作原理

壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩種結(jié)構(gòu)，電容式壓力傳感器具備高靈敏度、高頻響、低溫漂等優(yōu)點(diǎn)，是SiC壓力傳感器更具潛力的研究方向[3]。電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，受到壓力作用時(shí)，薄膜產(chǎn)生形變，上下極板間距發(fā)生變化，從而改變電容器的容量。

變化電容[4]：

其中

，w棕為最大撓度，a為邊長，h為敏感膜厚度，d為空腔間距，r為SiC的相對介電常數(shù)，0為真空介電常數(shù)。

由平板熱彈性理論，在外部壓力和溫度載荷的共同作用下，膜片的變形積分方程[5]如下：

式中：p為外部壓力載荷，D為彎曲剛度，

，E為楊氏模量泊松比，x、y、z分別為3個(gè)坐標(biāo)軸，

是熱膨脹系數(shù)，為傳感器內(nèi)部溫度分布，穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，熱傳導(dǎo)方程[6]如下：

其中，?籽為密度，Cp為比熱容，k為傳熱系數(shù)。

由于高溫環(huán)境下引線性能退化，后續(xù)采用非接觸式無源技術(shù)進(jìn)行測試。將電容與電感線圈串聯(lián)成LC諧振電路，利用互感耦合原理檢測頻率信號。原理圖如圖2所示。

利用一個(gè)耦合線圈讀出電路（天線）在傳感器附近進(jìn)行掃頻測量，當(dāng)測量信號頻率與傳感器固有頻率耦合時(shí)發(fā)生共振，導(dǎo)致輸入阻抗發(fā)生明顯變化，從而推算其傳感器壓力相關(guān)的固有頻率。根據(jù)壓敏結(jié)構(gòu)的壓力-位移-電容-固有頻率傳輸函數(shù)，可以計(jì)算出壓力的大小[7]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陶瓷具有耐高溫、自封裝、絕緣、低成本等特性，低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝在制作立體結(jié)構(gòu)方面具有特別的優(yōu)勢，使用LTCC材料和工藝來制作壓力傳感器，可滿足400～600 ℃左右高溫環(huán)境下的應(yīng)用[8]。玻璃漿料鍵合是通過網(wǎng)印將玻璃漿料涂在鍵合面上，熔化所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)并接觸第二個(gè)襯底，冷卻后會形成穩(wěn)定的機(jī)械性連接。

它的優(yōu)勢在于其具有密封效果好，鍵合強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高，并且對于封接基板的表面沒有特殊要求[9]。利用玻璃漿料將SiC芯片制成的敏感膜與LTCC陶瓷鍵合制成電容，設(shè)計(jì)排氣管道，最后在真空環(huán)境下利用玻璃珠融化密封形成真空電容空腔，同時(shí)在陶瓷上印刷電感線圈，最后，引線鍵合串聯(lián)形成LC諧振電路。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 SiC芯片部分設(shè)計(jì)

首先將SiC芯片減薄至一定厚度，在減薄后的芯片上刻蝕一定深度來構(gòu)成空腔，在另一面對應(yīng)的位置刻蝕一定深度形成敏感膜。氧化一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上濺射一層Ti作為吸附層，再濺射一層Pt作為引線互聯(lián)層(中間可制備一層TiN擴(kuò)散阻擋層，緩解層與層之間的動(dòng)力學(xué)反應(yīng))[10]，圖形化形成上電極，如圖4所示。

2.2 陶瓷部分設(shè)計(jì)

通過LTCC激光打孔、厚膜印刷技術(shù)和多層疊片技術(shù)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に嚥襟E制備出符合設(shè)計(jì)要求的電容下極板和鉑電感線圈。各層生瓷片打孔、印刷如圖5所示。

3 仿真結(jié)果與分析

對SiC薄膜進(jìn)行仿真，由于SiC材料的彈性模量、泊松比、密度隨溫度的變化而變化[11]，以及熱傳導(dǎo)、熱膨脹等現(xiàn)象的影響[12]，傳感器在溫度改變時(shí)性能會發(fā)生變化，應(yīng)用Ansys有限元分析軟件對傳感器薄膜作熱-結(jié)構(gòu)耦合場仿真分析。碳化硅在不同溫度下的特性參數(shù)如表2，仿真位移云圖如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃溫度時(shí)2個(gè)大氣壓內(nèi)的最大撓度如表3所示。

設(shè)計(jì)電感大小為2 H，由式(1)、式(4)可知諧振頻率變化如圖7所示。

計(jì)算可得出20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃時(shí)的靈敏度分別2.35 MHz/bar、2.4 MHz/bar、2.55 MHz/bar、2.65 MHz/bar，可知傳感器在高溫下仍具有較高的靈敏度。

4 關(guān)鍵工藝驗(yàn)證

此方案中最關(guān)鍵的工藝是SiC的深刻蝕，由于SiC化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，目前還未發(fā)現(xiàn)有哪種酸或堿能在室溫下對其起腐蝕作用，因此在SiC基體的加工工藝中常采用干法刻蝕[13]。由于Ni掩?？涛g出的選擇比較大、臺階較直且表面狀況良好，此處選擇金屬Ni作為掩膜[14]。

SiC中比較特殊的是C元素，采用SF6刻蝕時(shí)需要顧及到C，由于C和O能反應(yīng)，因此加入O2是比較好的策略：

SiC+O*+F*→SiF4↑+CO↑+CO2↑

因此SiC刻蝕一般采用SF6+O2，再加入Ar輔助，提升物理性，角度垂直且速率較大，刻蝕掃描電子顯微鏡圖如圖8所示。

刻蝕深度為124 m，滿足傳感器制備要求，底部形貌存在“sub-trench”現(xiàn)象，后續(xù)需進(jìn)行工藝優(yōu)化。

5 結(jié)論

通過對SiC電容式無線無源高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)和仿真分析可知，這種傳感器在600 ℃高溫時(shí)仍具有較高靈敏度，對傳感器制備過程中的關(guān)鍵工藝——SiC深刻蝕進(jìn)行了驗(yàn)證，滿足傳感器制備要求。后續(xù)將進(jìn)行工藝優(yōu)化、傳感器的制備與測試。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱作云，李躍進(jìn)，楊銀堂，等.SiC薄膜高溫壓力傳感器[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，20(2)：1-3.

[2] 耿淑琴，郭躍，吳武臣．無源電感耦合式RFID讀寫器天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．電子器件，2008，31(2)：564-567．

[3] 程偉.SiC電容式壓力傳感器敏感元件的工藝研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2013.

[4] FONSECA M A.Polymer/ceramic wireless MEMS pressure for harsh environments：High temperature and bio- medical applications[D]．Atlanta：Georgia Institute of Tech- nology，2007．

[5] 嚴(yán)宗達(dá)，王洪禮．熱應(yīng)力[M].北京：高等教育出版社，1993．

[6] 蔡永恩．熱彈性問題的有限元方法及程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1997．

[7] 康昊，譚秋林，秦麗．基于LTCC的無線無源壓力傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(4)：498-499．

[8] 李瑩．LTCC高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)制作和測試[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(4)：101-102．

[9] 陳驍.玻璃漿料在MEMS圓片級氣密封裝中的應(yīng)用研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[10] 嚴(yán)子林.碳化硅高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)與工藝實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

[11] MUNRO R G.Material properties of sintered α-SiC[J]. Phys.Chem.Ref.Dat.1997，26(5)：1195-1203.

[12] 吳清仁，文璧璇.SiC材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1996，3(24)：11-16.

[13] 潘宏菽，霍玉柱.控制SiC基體刻蝕的臺階形貌的方法[P].中國：CN 101556919A，2009.

[14] 陳剛，李哲洋，陳征，等.4H-SiC MESFET工藝中的金屬掩膜研究[C].廣州：第十五屆全國化合物半導(dǎo)體材料、微波器件和光電器件學(xué)術(shù)會議，2008.

編輯：jq