SiC薄膜高温压力传感器
薄膜硅在压力传感器中的作用
薄膜硅在压力传感器中的作用一、薄膜硅的基本原理薄膜硅是一种非常薄的硅片，其厚度通常为几微米至数十微米，其主要原理是利用了硅的压电效应和电阻对应效应。
当薄膜硅受到外力影响时，由于硅的压电效应，会产生电压信号，而由于硅的电阻对应效应，电阻的大小也会随着外力的变化而变化。
因此，薄膜硅可以通过这些效应来实现对外力的测量。
1、感应外力当薄膜硅受到外力的作用时，由于硅的压电效应，可以产生一定的电势，这个电势的大小与外力的大小成正比例。
因此，薄膜硅可以通过感应外力来实现对外力的测量。
2、转换电信号由于薄膜硅的特殊结构及其与周围环境的转换，薄膜硅可以将外力所产生的电压信号加工转换成电信号，这个电信号可以通过前置放大器进行调制放大，最终将这个电信号离散成数字输出，从而实现对外力大小及其变化的检测。
3、传导电信号薄膜硅还可以传导电信号，将所检测到的外力感应的电信号传到后续的信号处理器中，进行进一步的计算、分析和显示。
薄膜硅压力传感器因其特殊的结构和性能，具有以下几个优点：1、对压力检测精确由于薄膜硅采用了压电效应和电阻对应效应，可以精确测量压力变化，因此，对于压力检测方面，具有高精度和高可靠性。
2、温度稳定性好薄膜硅材料与其它压力传感器材料相比，具有良好的温度稳定性，因此可以适应宽温度范围内的工作环境。
3、结构简单薄膜硅压力传感器的结构相对简单，成本低廉，生产效率高，因此可以大规模用于各种工业应用。
4、使用寿命长薄膜硅材料具有非常高的机械强度，能够耐受一定的冲击和振动，使用寿命长。
结论综上所述，薄膜硅在压力传感器中具有重要的作用和优点。
对于当前工业生产而言，薄膜硅压力传感器是一种高效、准确、稳定的检测仪器，可以广泛应用于各行各业。
基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究
㊀２０２１年㊀第３期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．３㊀基金项目：山西省重点研发计划项目（２０１９０３Ｄ１２１１２３）；山西省自然科学基金项目（２０１８０１Ｄ１２１１５７，２０１８０１Ｄ２２１２０３）；高等学校科技创新项目（１８１０６００１０８ＭＺ）；重点实验室基金（６１４２００１１９０４１４）；２０２０年中央引导地方科技发展资金自由探索类项目（Ｚ１３５０５０００９０１７）收稿日期：２０２０－０２－２６基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究梁㊀庭，贾传令，李㊀强，王心心，李永伟，雷㊀程（中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原㊀０３００５１）㊀㊀摘要：针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境（ȡ５００ħ）下测试需求的问题，设计并制备了一种基于碳化硅（ＳｉＣ）材料的电容式高温压力传感器㊂利用ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构，结合金属沉积㊁金属图形化等ＭＥＭＳ工艺制备了感压敏感芯片㊂搭建了压力－温度复合测试平台，完成了传感器在０ ６００ħ环境下压力－电容响应特性的测试㊂测试结果表明，在０ ３００ｋＰａ内，该传感器灵敏度为４．５１ˑ１０－３ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％；同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低，０ ６００ħ环境下电容变化量为８．５０ ８．６５ｐＦ㊂关键词：微机电系统；碳化硅；电容式高温压力传感器；直接键合中图分类号：ＴＮ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０３－０００１－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣａｐａｃｉｔｉｖｅＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＳｉＣＬＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＪＩＡＣｈｕａｎ⁃ｌｉｎｇ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｎ⁃ｘｉｎ，ＬＩＹｏｎｇ⁃ｗｅｉ，ＬＥＩＣｈｅｎｇ（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｖｉｃｅｄｉｄｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅ⁃ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ȡ５００ħ），ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄ．ＴｈｅＩＣＰｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｓｅｎｓｉｔｉｖｅａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｏｏｄａｉｒｔｉｇｈｔｎｅｓｓ，ａｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓｅｓｓｕｃｈａｓｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓ⁃ｓｕｒｅ⁃ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔ０ 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（６）所示㊂接着在碳化硅背面进行深刻蚀，从而完成压力敏感膜片的制备㊂由于需要进行深刻蚀工艺，而常规的金属溅射和蒸发工艺无法为ＳｉＣ的深刻蚀提供足够厚的掩膜层，本文采用了溅射和电镀工艺制备较厚的金属掩膜层，首先溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做粘附层和５０ｎｍ的Ａｕ做种子层，然后电镀５μｍ左右的金属Ｎｉ做掩膜层，然后利用ＩＣＰ对碳化硅进行深刻蚀９５μｍ，深腔刻蚀的ＳＥＭ如图３（ａ）所示，腐蚀掉剩余的Ｎｉ掩膜以及底层的Ａｕ和金属Ｔｉ，得到碳化硅感压敏感芯片，具体工艺流程如图２（７） （１５）所示，敏感芯片实物如图３（ｂ）所示㊂图２㊀敏感芯片及电容结构制备工艺流程图为了制备键合强度高㊁密封性好的电容结构，本文采用直接键合工艺，ＲＣＡ清洗去除表面颗粒，然后在１３００ħ㊁４ＭＰａ压力下完成键合［９－１０］，如图２（１６）所示㊂随后完成电容结构的上电极极板制作，首先，溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做金属粘附层，接着溅射４００ｎｍ的Ａｕ做金属极板，完成后续的极板图形化，工艺流程如图２（１７） （１８）所示，电容键合结构如图３（ｄ）所示㊂为了方便后续的测试实验，传感器采用陶瓷和耐热金属２种材料相结合进行封装［１１］，利用高温导电浆料将芯片下极板安装在具有金属图形层的陶瓷底板㊀㊀㊀㊀㊀第３期梁庭等：基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究３㊀㊀上，然后加热固化㊂芯片电极与外部的互连采用引线键合技术，芯片的外壳封装采用金属壳封装，封装后的传感器实物如图３（ｃ）所示㊂图３㊀电容压力传感器关键工艺图３㊀测试３．１㊀测试系统介绍为检验研制的电容式高温压力传感器的性能，搭建了相应的检测平台，其中初始电容利用探针台探针分别接触传感器的上下极板，然后利用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ的４２００－ＳＣＳ半导体特性分析系统完成初始电容值测试；常温压力测试平台由压力控制系统，Ａｇｉｌｅｎｔ的４２８２Ａ阻抗分析仪构成如图４（ａ）所示；由自研的真空压力炉提供高温环境下的测试实验，测试时电容式压力传感器置于炉腔，通过耐高温导线与外部４２８２Ａ相连接，如图４（ｂ）所示㊂图４㊀压力传感器测试系统３．２㊀常温压力测试经过对样品的测试分析，得到该传感器芯片的初始电容值Ｃ０＝８．５０ｐＦ，通过封装后的压力传感器整体初始电容值Ｃ０＝１３．１５ｐＦ㊂通过与理论电容值对比发现，实际测试值大于理论电容值㊂在常温下，测试了０㊁５０㊁１００㊁１５０㊁２００㊁２５０㊁３００ｋＰａ的不同压力下的电容值，其测试结果如图５所示，曲线表示随着气压增大时，传感器电容增大，并且在０ ３００ｋＰａ内，传感器具有良好的响应，电容与压力成近似线性关系，通过计算，得到该传感器的灵敏度可以达到４．５１ˑ１０－３ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％㊂图５㊀传感器电容与压力的关系图（常温）在常压下，从常温开始逐渐升温至６００ħ，其中，每隔１００ħ为测试节点，包括２０㊁１００㊁２００㊁３００㊁４００㊁５００㊁６００ħ，每个节点保持１０ｍｉｎ，当完成６００ħ测试后，开始进行降温测试，重新进行测试实验，其测试结果如图６所示㊂从该曲线可以看出，随着温度的升高，传感器芯片的电容值缓慢增大，在２０ ６００ħ的范围内，电容变化量为８．５０ ８．６５ｐＦ㊂但相比于外界压力对它的作用，在大气压下，由温度变化引起的电容变化值几乎可以忽略不计，即该碳化硅高温压力传感器的温度漂移效应较低㊂图６㊀传感器电容与温度的关系图（高温）４㊀结束语本文在探索碳化硅ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺的基础上制备了基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器㊂与目前常用的硅基压力传感器相比，基于碳化硅材料的电容式压力传感器具有工作温度高㊁制备方法简单等优势，同时也为ȡ５００ħ工作环境下原位压力测试需求提供技术参考㊂参考文献：［１］㊀张晓莉，陈水金．耐高温压力传感器研究现状与发展［Ｊ］．传感器与微系统，２０１１，３０（２）：１－４．［２］㊀吕浩杰．基于ＳｉＣ－ＡＩＮ双凹槽结构的ＭＥＭＳ全高温接触式电容压力传感器基础研究［Ｄ］．厦门：厦门大学，２０１１．［３］㊀陈勇，郭方方，白晓弘，等．基于ＳＯＩ技术高温压力传感器的研制［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１４（６）：１０－１２．（下转第８页）㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｒ．２０２１㊀１．８μｍ的孔，其频率裂解及修调效率始终小于其他深度的孔，这与上一节的结果相似㊂孔的径向位置从里向外移动时，其频率裂解和修调效率先增大后减小，但频率裂解和修调效率的最小值始终在靠近球壳处㊂所以，对于小的频率解裂，可以靠近陀螺内侧打孔修调，以使得同样的频率裂解下去除的质量更多，加工较容易；对于大的频率裂解，可以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，修调效率更高㊂４ 结束语硅微半球陀螺小而脆弱的谐振子导致修调难度大，为确定需要合适的修调方法和工艺参数，本文介绍了硅微半球陀螺频率裂解微孔修调方法㊂并通过仿真分析了其工艺参数对频率裂解的影响规律㊂结果表明应该在低频模态上打孔以减小频率裂解㊂该方法下每去除１ｎｇ质量改变的频率裂解在２１ ３０Ｈｚ／ｎｇ之间㊂频率裂解对于各工艺参数变化较敏感，若要使得频率裂解减小到理想值，修调的加工精度需要在微米级甚至是亚微米级㊂当需要修调的频率裂解较小时，即修调孔的体积较小时，应优先使用深宽比较大的孔，并且孔的位置应尽量靠近内壁㊂对于大的频率裂解，可以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，修调效率更高㊂参考文献：［１］㊀ＫＯＵＺ，ＬＩＵＪ，ＣＡＯＨ，ｅｔａｌ．ＡｎｏｖｅｌＭＥＭＳＳ⁃ｓｐｒｉｎｇｓｖｉｂｒａ⁃ｔｉｎｇｒｉｎｇｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗｉｔｈａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｐａｃｋａｇｅ［Ｊ］．ＡｉｐＡｄ⁃ｖａｎｃｅｓ，２０１７，７（１２）：１２５３０１．［２］㊀ＳＯＲＥＮＳＯＮＬＤ，ＧＡＯＸ，ＡＹＡＺＩＦ．３－Ｄｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｈｅｍｉ⁃ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２５ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，Ｐａｒｉｓ，ＦＲＡＮＣＥ，２０１２．ＩＥＥＥ：ＮＥＷＹＯＲＫ，２０１２：１６８－７１．［３］㊀汪红兵，林丙涛，梅松，等．微半球谐振陀螺技术研究进展［Ｊ］．微纳电子技术，２０１７，５４（１１）：７７２－８０．［４］㊀ＢＩＳＥＧＮＡＰ，ＣＡＲＵＳＯＧ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｌｉｔａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｏ⁃ｃａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｉｍｐｅｒｆｅｃｔｒｉｎｇｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄ＆Ｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎ，２００７，３０６（３）：６９１－７１１．［５］㊀陶溢．杯形波动陀螺关键技术研究［Ｄ］．长沙：国防科学技术大学，２０１１．［６］㊀ＬＵＫ，ＸＩＸ，ＬＩＷ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｅｃｉｓｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒｉｍｍｉｎｇｏｆａｍｉｃｒｏｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈＴ－ｓｈａｐｅｍａｓｓｅｓｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１９，２９０：２２８－３８．［７］㊀ＰＡＩＰ，ＣＨＯＷＤＨＵＲＹＦＫ，ＭＡＳＴＲＡＮＧＥＬＯＣＨ，ｅｔａｌ．ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔａｉｐｅｉ，２０１２．ＩＥＥＥ：ＮＥＷＹＯＲＫ，２０１２：１７０－３．［８］㊀孙殿竣，张卫平，唐健，等．ＭＥＭＳ微半球谐振陀螺的力反馈模态及其ＦＰＧＡ平台实现［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７，（６）：１４１－１４９．［９］㊀刘宇，刘松，彭慧，等．力平衡模式下半球谐振陀螺数字控制回路设计［Ｊ］．压电与声光，２０１５，３７（５）：８９９－９０３．［１０］㊀李巍，金鑫，任顺清．半球谐振陀螺仪频率裂解及固有刚性轴的测试方法［Ｊ］．传感技术学报，２０１６，２９（３）：３３８－４２．［１１］㊀张荣．四面体与六面体网格特征比较［Ｊ］．企业技术开发，２０１２，１３１（２３）：１０１－１０２．［１２］㊀ＸＩＡＮＧＸ，ＷＵＹ，ＷＵＸ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｆｆｅｃｔｓｆｏｒｔｒｉｍｍｅｄｃｕｐｐｅｄｒｅｓｏｎａｔｏｒｕｎｄｅｒｖａｒｙｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，１８９（２）：４２９－４４０．［１３］㊀ＢＥＲＮＳＴＥＩＮＪＪ，ＢＡＮＣＵＭＧ，ＢＡＵＥＲＪＭ，ｅｔａｌ．ＨｉｇｈＱｄｉａｍｏｎｄｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍｉｃｒｏ⁃ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，２５（８）：０８５００６．作者简介：胡友旺（１９８１ ），教授，博士，主要研究方向为飞秒激光微纳制造㊁集成光机电系统（ＭＯＥＭＳ）㊁微传感器及其检测系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｙｗ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ钟宏民（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为陀螺的频率裂解修调㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｈｏｎｇｍｉｎ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３页）［４］㊀周继承，郑旭强，刘福．ＳｉＣ薄膜材料与器件最新研究进展［Ｊ］．材料导报，２００７，２１（３）：１１２－１１４．［５］㊀揣荣岩，吕品，杨宇新，等．压阻式小量程ＳＯＩ压力敏感结构仿真分析［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（２）：１４－１７．［６］㊀汪赟，郝秀春，蒋纬涵，等．基于ＳＯＮ构造的电容式绝对压力传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１９，３８（６）：６６－６９．［７］㊀ＷＵＦ，ＣＨＥＮＸＹ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｉｅ⁃ｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅａｎｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，４３：１７５－１８８．［８］㊀王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津：天津出版社，２０１４：４６－４９．［９］㊀ＭＵＦ，ＸＵＹ，ＳＨＩＮＳ，ｅｔａｌ．ＷａｆｅｒｂｏｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ－ＡｌＮａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＡｌｌ－ＳｉＣｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ，２０１９（１０）：６３５．［１０］㊀李旺旺，梁庭，张迪雅，等．表面处理对碳化硅直接键合的影响研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（７）：１２－１４．［１１］㊀高岭，赵东亮．系统级封装用陶瓷基板材料研究进展和发展趋势［Ｊ］．真空电子技术，２０１６（５）：１１－１４．作者简介：梁庭（１９７９ ），博士，副教授，主要从事ＭＥＭＳ高温压力传感器㊁微光学集成气体传感器㊁宽禁带半导体传感器以及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｔｉｎｇｎｕｃ＠１６３．ｃｏｍ．李强（１９９５ ），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ高温压力传感器及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｎｊｋ０８＠１６３．ｃｏｍ。
SiC高温电容压力传感器封装结构优化
计算被封装元件 表面的 Ｙ ｏ ｎ — Ｍ ｉ ｓ ｅ ｓ 应力 ， 调整衬底直径 、 衬底厚度 以及粘合层厚度 ， 对封装结构进行 优化实验 ， 结果 表明 ， 采
用优化后的封装结构 ， 传感 器工作 于 ５ ０ ０ ℃时 ， 敏感元件 中心应力值减小为原来的 ０ ． ３ ７ ％， 器件 的稳定性得到大幅提高。 关键词 ： 高温压力传感器 ； 热应力 ； 结构优化 ； 计算机仿真
ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ，ｓ ｕ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ，ｔ ｏ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｃ ｋ ａ ｇ ｅ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ．
（ １ ．天津大学 电子信息工程学院 ， 天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２； ２ ．航天 长征火箭技术有限公司 ， 北京 １ ０ ０ ０ ７ ６ ） 摘要 ： 高温压力传感 器 ， 在航空航 天及 工业领域有广 阔的应用 前景。由于工作在 高温环境 中， 需要 进行封装结 构和优 化 ， 以 减小器件因热膨胀系数不匹配而产生的热应力 。以热机械方程 为理论基础 ， 利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ计 算机仿真工具 ， 通过
第３ Ｏ 卷 第３ 期
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ０ ９ ２ — ０
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２ ０ １ ３ 年３ 月
Ｓ ｉ Ｃ高 温 电容压 力传 感 器 封 装 结构 优 化
屈 晓 南 ， 胡 明 ， 张世 名 ， 尹 玉刚
高灵敏度4H-SiC基高温压力传感器
第58卷第6期2021年6月微鈉电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol. 58 No. 6June 2021夕，，n D O I: u). 13250斤c n k i. w n d z. 2021.06.005令M E M S与铐感器$高灵敏度4H-SiC基高温压力传感器李永伟w，梁庭、雷程\李强S李志强S熊继军1(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051;2.太原工业学院自动化系，太原 030051)摘要：P型4H-SiC相较n型4H-SiC具有更高的压阻效应，p型4H-S iC正方形膜片作为弹性元 件相较圆形膜片具有更高的灵敏度。
基于此，设计了一种基于p型4H-S iC压阻效应的高灵敏度 碳化硅压力传感器，探索了 Ni/Al/Ni/A u与p型4H-SiC之间形成良好欧姆接触的条件，并制备 了传感器芯片。
在25〜600 °C空气环境中对传感器芯片的电阻进行了测试，验证了传感器在<600t：下具有良好的电连接性。
最后，在常温至250 °C下对传感器进行性能测试。
实验结果显 示，常温环境下传感器具有较高的输出灵敏度为10.9 pV/V/kPa,即使在250 °C时其输出灵敏 度也约为6. 7 pV/V/kPa。
该研究为高温压阻式压力传感器发展提供了一定的技术参考。
关键词：压力传感器；微电子机械系统（MEMS);碳化硅（SiC);压阻效应；弹性元件中图分类号：TP212; TN304. 24 文献标识码：A文章编号：167卜4776 (2021) 06-0489-07H igh-Sensitivity 4H-SiC Based High Temperature Pressure SensorLi Yongwei1’2，Liang T in g1，Lei C heng1，Li Q iang1, Li Zhiqiang1, Xiong Jiju n1(1. Science a n d T echnology on E lectronic Test&- M easurem ent Laboratory <,N o rth U n iversity o f C hina,T a iy u a n030051, C hina ; 2. D epartm ent o f A u to m a tio n，T a iy u a n In stitu te o f T e c h n o lo g y，T a iy u a n030051* C h in a)Abstract：T h e piezoresistive effect of p-type 4H-SiC is more excellent than that of n-type 4H- SiC. T he p-type 4H-SiC square diaphragm as an elastic element has higher sensitivity than the circular diaphragm. Based on th is, a high sensitivity SiC pressure sensor based on the piezoresistive effect of p-type 4H-SiC was designed, the conditions of forming good ohmic contact between N i/A l/N i/A u and p-type 4H-SiC were explored, and the sensor chip was prepared. T h e resistances of the sensor chip were tested in the air at 25 ~ 600 °C. It is verified th at the sensor has good electrical connectivity when the tem perature is no more than 600 °C.Finally, the performances of the sensor were tested from room tem perature to 250 °C •T h e experim ental results show that the sensor has a high output sensitivity of 10. 9 /LtV/V/kPa at room tem perature and an output sensitivity of about 6. 7 ^V/V/k P a even at 250 °C. T h e research provides technical reference for the development of high tem perature piezoresistive pressure sensors.收稿日期：2021-01-25基金项目：国家自然科学基金重点项目（51935011);中央引导地方科技发展专项资金资助项目（YDZX2020 -1400001664);太原工业学院青年学科带头人资助项目（2020XKLG04)通信作者：梁庭，E-mail: ********************489徵鈉电子技术Key words：pressure sensor；micro-electromechanical system(MEMS)；silicon carbide(SiC)；piezoresistive effect；elastic elementEEA CC：7230M()引言随着控制科学与智能监测技术的发展，发动机 和石油钻井等在极端环境下的压力信号测量技术受 到了学者们的广泛关注[°。
自然科学基金高温薄膜传感器
自然科学基金高温薄膜传感器全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：自然科学基金高温薄膜传感器引言自然科学基金高温薄膜传感器是一种应用于高温环境下的传感器，可以用于监测和测量各种高温环境中的参数。
在工业生产、能源开发和环境监测等领域，高温薄膜传感器发挥着重要作用。
本文将介绍自然科学基金高温薄膜传感器的原理、应用和发展趋势。
一、高温薄膜传感器的原理自然科学基金高温薄膜传感器是一种基于薄膜材料的传感器，通过薄膜在高温环境中的电阻、电容、热敏特性等物理性能的变化来感知并测量环境参数。
薄膜材料的选择对传感器的性能和稳定性具有重要影响。
高温薄膜传感器一般采用耐高温、耐腐蚀的材料，如氧化铝、氧化硅等。
二、高温薄膜传感器的应用1. 工业生产领域：高温薄膜传感器可以用于监测和控制工业炉、炉窑等设备的温度、压力和气体成分，确保生产过程的稳定和安全。
2. 能源开发领域：高温薄膜传感器可以用于监测和测量燃烧系统、发动机等设备的燃烧效率、排放物等参数，提高能源利用率和降低污染排放。
3. 环境监测领域：高温薄膜传感器可以用于监测高温环境中的气体、液体、固体的成分、浓度等参数，用于环境监测和控制。
三、高温薄膜传感器的发展趋势1. 多功能集成：未来的高温薄膜传感器将具备多种功能集成，能够同时监测多种参数，提高传感器的综合性能和应用范围。
2. 网络化智能：未来的高温薄膜传感器将具备网络化智能，能够实现远程监测、控制和数据传输，实现智能化的生产和管理。
3. 先进材料应用：未来的高温薄膜传感器将采用更多先进材料，如二维材料、纳米材料等，提高传感器的响应速度、稳定性和精度。
第二篇示例：自然科学基金高温薄膜传感器研究近年来，随着工业化进程的不断加快和科学技术的不断发展，高温环境下的传感技术需求日益增多。
高温环境下的传感器在工业生产中具有重要的作用，能够实时监测和控制生产过程中的温度、压力、流速等参数，为生产安全和效率提供重要依据。
在高温环境下，传统的传感器往往难以稳定工作，因此研究开发高温薄膜传感器成为当今科学研究的热点之一。
SiC压力传感器调研
第一章 SiC压力传感器基
电容式压力传感器的原理图如下图，当受到压力作用时上极板薄膜会 产生形变，上极板和下极板的有效距离产生变化，从而导致结构的电 容变化。电容式压力传感器可以进行无线耦合进行测试，通过测试测 试端电路推算传感器端的固有频率进而推算出电容和外加压力。
三种SiC压力传感器优缺点的比较
A. 压阻式压力传感器优点是结构简单、应用方便，缺点是会受到温度的影 响。目前压阻式压力传感器的研究非常广泛，也取得了较多的成果，以 NASA为代表的国外研究机构已经取得了600摄氏度以上能稳定工作的 SiC压阻式压力传感器。 B. 电容式压力传感器的优点是对温度不敏感、动态响应快、灵敏度高，缺 点是检测电路复杂而且容易产生寄生电容，导致很严重的非线性失真。 电容式SiC压力传感器以美国西储大学为代表。 C. 光学式压力传感器的优点是可以远程无线控制而不需要电连接，可以消 除漏电流。缺点是光路部分成本较高且线路复杂。光学式SiC压力传感 器以美国中弗罗里达大学为代表。
高温压力传感器是指在高于125摄氏度环境下能正常工作的压力 传感器。其在石油、化工、冶金、汽车、航空航天、工业过程控制、 兵器工业甚至食品工业中都有着广阔的应用前景。例如高温油井内 的压力测量、各种发动机腔体内的压力测量、宇宙飞船和航天飞行 器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制以及喷气 发动机、火箭、导弹、卫星能耐热墙体和表面各部分的压力测量。
高温硅压力传感器关键技术及应用
高温硅压力传感器关键技术及应用高温硅压力传感器是一种能够在高温环境下测量压力的传感器。
它常用于汽车发动机、石油钻井和航空航天等领域。
高温硅压力传感器的关键技术及应用包括：1. 高温材料：传感器需要使用高温耐受的材料，如硅材料。
硅材料具有较好的耐高温性能，可在高温环境下保持传感器的稳定性。
2. 热补偿：高温环境下，温度会对传感器的测量结果产生影响。
因此，传感器需要进行热补偿，以消除温度对测量结果的影响。
3. 高精度的压力测量：高温环境下的压力测量需要具备高精度和稳定性。
传感器通常采用微机械系统技术，通过微米级别的结构实现高精度的压力测量。
4. 高温封装：传感器的封装需要能够抵御高温环境下的腐蚀和热变形。
常用的封装材料包括高温胶和陶瓷材料。
5. 防护措施：由于高温环境下的压力传感器容易受到腐蚀和热膨胀等因素的影响，传感器需要采取相应的防护措施，如使用压力隔离装置和冷却系统。
高温硅压力传感器的应用领域广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 汽车发动机：高温硅压力传感器可以测量汽车发动机内的油压、冷却液压力等参数，帮助监测发动机的工作状态。
2. 石油钻井：高温硅压力传感器可以在油井中测量地下油层的压力，为油井的开采提供参考。
3. 航空航天：航空航天领域对高温硅压力传感器的需求较高，传感器可以用于测量飞机发动机的压力和推力，以及航天器的燃料压力等参数。
4. 汽车制造工艺：在汽车制造过程中，高温硅压力传感器可以用于车身焊接过程中的压力监测，保证焊接的质量和稳定性。
综上所述，高温硅压力传感器的关键技术和应用较为广泛，它在高温环境下的可靠性和稳定性使其成为许多领域中不可或缺的传感器之一。
一种SiC高温压力传感器及其封装方法[发明专利]
![一种SiC高温压力传感器及其封装方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5820ff2fa200a6c30c22590102020740be1ecd2d.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911037821.1(22)申请日 2019.10.29(71)申请人 武汉大学地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学(72)发明人 周圣军 于圣韬 徐浩浩 万泽洪 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222代理人 杨宏伟(51)Int.Cl.B81B 7/00(2006.01)B81B 7/02(2006.01)B81C 1/00(2006.01)G01K 1/14(2006.01)G01K 7/02(2006.01)G01L 1/18(2006.01)(54)发明名称一种SiC高温压力传感器及其封装方法(57)摘要本发明公开了一种SiC高温压力传感器及其封装方法，传感器包括SiC MEMS芯片、AlN载体、弹性金属膜、支撑管壳、导热基座和多根导电接线柱，导热基座安装在支撑管壳内，所述AlN载体固定安装在导热基座上，所述SiC MEMS芯片固定安装在AlN载体上，所述弹性金属膜设于SiC MEMS芯片上方的支撑管壳上，SiC MEMS芯片与AlN载体相贴的一面刻蚀有减薄的自密封空腔，所述导电接线柱从支撑管壳下端贯穿导热基座后与SiC MEMS芯片的电极相连，且导电接线柱与导热基座之间设有绝缘层。
将上述装配结构放入导热硅油中，利用环形塞帽将弹性金属膜压配到支撑管壳中，完成SiC高温压力传感器封装。
本发明封装成本低廉，可靠性好，将芯片与介质完全隔离，可在500℃以上高温条件下连续工作。
权利要求书2页 说明书6页 附图7页CN 111003683 A 2020.04.14C N 111003683A1.一种SiC高温压力传感器，其特征在于：包括SiC MEMS芯片、AlN载体、弹性金属膜、支撑管壳、导热基座和多根导电接线柱，所述导热基座安装在支撑管壳内，所述AlN载体固定安装在导热基座上，所述SiC MEMS芯片固定安装在AlN载体上，所述弹性金属膜通过环形塞帽固定在SiC MEMS芯片上方的支撑管壳上，通过弹性金属膜将SiC MEMS芯片与待检测介质隔离开，所述导电接线柱从支撑管壳下端贯穿导热基座后与SiC MEMS芯片的电极相连，且导电接线柱与导热基座之间设有绝缘层。