一文详解MEMS高温压力传感器

高温压力传感器广泛应用于工业、航空航天等领域，用来监测航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备燃烧室内的压力，耐高温和高可靠性是对其最基本的要求。  

常规的单晶硅扩散式压阻压力传感器在超过120°C环境下使用时，会由于内部PN结出现漏电而导致传感器性能急剧下降，进而导致失效。而工业、航天航空等领域使用的压力传感器需要满足2个基本需求：高温和高可靠性。因此我们也通常把这类压力传感器称为高温压力传感器。对MEMS高温压力传感器最基本的需求是在至少125°C环境下工作。以传感器实现高温的特征进行分类，高温压力传感器主要包括多晶硅压力传感器、SOI压力传感器、SOS压力传感器和SiC压力传感器，下面详细介绍这四种高温压力传感器。  



图 MEMS压力传感器典型应用（来源YOLE）      

多晶硅高温压力传感器    

多晶硅高温压力传感器在制作中采用热氧工艺在单晶硅衬底上制备介质膜SiO2，再通过LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压气相淀积) 工艺在 SiO2上制作多晶硅膜，再通过扩散工艺制作基于多晶硅材料的压敏电阻。多晶硅高温压力传感器主要采用SiO2作为介质薄膜来代替PN结，进而实现电隔离。  

多晶硅高温压力传感器一般可用在200°C以内的环境，多晶硅层常规厚度低于2μm，与介质层SiO2和部分硅衬底组成感受压力的复合膜结构，这样的结果会因不同材料的热膨胀系数不同引起热应力，影响高温下的性能。  



图 四类MEMS高温压力传感器结构      

SOI高温压力传感器    

SOI 高温压力传感器制备工艺相对成熟，也是目前市场上最常见的一种高温压力传感器类型。SOI压力传感器具有耐高温特性，埋氧层可以隔绝压敏电阻和硅衬底，避免产生P-N结漏电问题。在相同尺寸下，SOI衬底的漏电流比硅衬底形成PN结的漏电流低3个数量级，因此SOI衬底适合研制高温压力传感器。但是存在敏感压阻层与衬底之间的键合方式、热应力和高温漏电流增大以及硅高温蠕变等因素的限制。

制备SOI衬底的两种主流技术是注氧隔离（separation by implantation of oxygen，SIMOX）技术和键合（bonding）技术, SIMOX技术是指工艺中大剂量的氧离子被注入到起始硅片中, 然后进行高温退火处理形成SOI衬底，利用SIMOX技术制作的高温压力传感器, 其耐温到220°C。

 键合技术，包括智能剥离（Smart Cut）和键合与背面减薄（bonding and etch-back SOI BESOI）技术，键合技术工艺较复杂, 成本控制较难。利用 Smart Cut技术的SOI衬底，研制出的高温压力传感器, 其高温特性可到150°C；利用BESOI 技术制作的高温压力传感器, 其耐温到200°C。

SOS高温压力传感器    

SOS高温压力传感器（Siliconon Sapphire）是基于蓝宝石衬底制成的器件。蓝宝石是Al2O3的晶体结构，熔点达到2040℃，具有良好的光学特性、绝缘性，在1500℃时机械性能良好，是制备高温传感器的理想材料。

SOS 高温压力传感器是在二十世纪八十年代提出的一种薄膜应变式压力传感器，它通过在蓝宝石晶体上异质外延生长单晶硅薄膜，并利用干法刻蚀制作硅压阻结构。SOS 高温压力传感器具有频带宽、耐腐蚀、抗辐射等优点，工作温度可达到350℃，由于难以形成真空绝压腔，SOS 高温压力传感器多为大量程的表压传感器。另外，蓝宝石热膨胀系数约为硅的2倍，外延单晶硅薄膜与蓝宝石间的晶格失配大，存在较大的失配应力，限制了这种传感器的最高使用温度。

SiC高温压力传感器    

碳化硅作为第三代直接跃迁型宽禁带半导体材料具有优良的抗辐照特性、热学性能、抗腐蚀性。SiC晶体形态较多，常用于研制高温压力传感器的晶体形态为α型的3C-SiC和β型的4H-SiC、6H-SiC，其中β-SiC在1600℃时仍能保持良好的机械强度，在制备高温传感器方面有广阔的应用前景。压力敏感结构以6H-SiC作为基底，利用同质外延掺杂、干法刻蚀技术形成PN结和压阻结构，再使用Ti/TaSi/Pt膜实现欧姆接触，传感器最高工作温度能达到 750℃。  

限制SiC压阻高温传感器工作温度的因素有两个：第一，高温下外延6H-SiC薄膜的压阻效应退化，有数据表明，6H-SiC薄膜在室温下的压阻系数为30，而在600℃时降为10~15；第二，SiC欧姆接触的使用温度限制，Ti/TaSi/Pt、Ta/Ni/Pt等欧姆接触膜系的长期使用温度均不高于 800℃。

以上四类不同结构的压力传感器是目前常见的实现高温压力传感的方式：  

从最高使用温度来讲，SiC＞SOS＞SOI＞多晶硅；

从制造难度来讲，SiC＞SOS＞SOI＞多晶硅；

从产业化程度来讲，SOI＞多晶硅＞SOS＞SiC；

从制造成本来讲，SiC＞SOS＞SOI＞多晶硅。

 

图 四类MEMS高温压力传感器比较  

审核编辑：刘清