SOI高溫壓力傳感器工作原理與制備工藝

近年來，我國的傳感器技術(shù)正飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。作為現(xiàn)代測量技術(shù)中發(fā)展最為成熟的一類，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檢測壓力信號(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、各類發(fā)動(dòng)機(jī)腔體等高溫惡劣環(huán)境下的壓力測量愈發(fā)重要，而普通壓力傳感器所用材料在超過一定溫度（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

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型。而從目前發(fā)展情況來看，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，消除了體硅中常見的門閂效應(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，國外已有研制成功的SOI高溫壓力傳感器，包括美國Kulite的XTEH-10LAC-190(M)系列，如圖1所示，工作溫度為-55~480℃；美國古德里奇先進(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LETI研究所研制的SOI高溫壓力傳感器工作溫度也超過400℃。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也在積極開展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未來先進(jìn)技術(shù)研究院也在開展相關(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，此處簡單介紹一些關(guān)鍵步驟以供了解傳感器的工藝過程，如圖3所示，主要包括壓敏電阻制備、金屬引線制備、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法很好的滿足高溫油井、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等特殊惡劣環(huán)境對(duì)壓力測量的需求，未來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)境下傳感器的長期穩(wěn)定性、自發(fā)熱問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。