SiC高温压力传感器电容芯片设计与仿真

李赛男，梁 庭，喻兰芳，李 颖，熊继军

(1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051；2．中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,山西太原 030051)



SiC高温压力传感器电容芯片设计与仿真

李赛男1,2，梁 庭1,2，喻兰芳1,2，李 颖1,2，熊继军1,2

(1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051；2．中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,山西太原 030051)

MEMS压力传感器的研制已相当成熟，但在高温领域却遇到了许多问题，为解决高温环境下压力测量的问题，文中介绍了一种新型SiC高温压力传感器电容芯片的设计方案。应用Ansys有限元分析软件进行热-结构耦合场仿真分析，常温下电容芯片的灵敏度为1．3pF/bar(1bar=100kPa),300 ℃、500 ℃、700 ℃时灵敏度分别为1．4pF/bar、1．54pF/bar、1．74pF/bar，表明这种结构在高温下仍具有较高的灵敏度，同时对结构进行模态仿真，由模态分析结果知，一阶频率为245 930Hz，可知该结构具有很高的频响。

SiC；高温压力传感器；电容芯片；Ansys有限元分析软件；灵敏度;频响

0 引言

高温压力传感器研制的主要目的是为了解决在高温恶劣环境下的压力测量问题，它的应用十分广泛，在当前深空探测、载人航天、大飞机以及核电等国家重大工程中具有迫切的应用需求。SiC 材料以其特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性,成为制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件的理想材料[1],在微电子、光电子等领域起到了独特的作用,成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。表1为常见半导体材料的特性参数对比。

表1 常见半导体材料的特性参数对比

1 工作原理与结构设计

1．1 工作原理

由于电容式压力传感器具有结构简单、灵敏度高、低温漂等优点，采用电容式压力传感器的工作原理来进行设计。电容式压力传感器的基本结构如图1所示，当受到压力作用时，薄膜就会发生变形，这样就会改变电容器的容量。它的灵敏度与薄膜与固定电极之间的距离、薄膜的张力成反比，与压力和薄膜的面积成正比[2]。

图1 电容式压力传感器原理图

为保证结构具有较高的频响，需提高结构的固有频率，传统圆形膜片的固有频率计算公式如下

(1)

式中：E为杨氏模量；μ为泊松比；ρ为密度；a为半径；t为敏感膜厚度。

此处采用正方形振动膜，这种几何结构之所以受到青睐是因为这种传感单元很容易从标准尺寸的晶片中切片[3]。

最大挠度发生在平板的中心，压力为p时，计算公式[4]如下：

(2)

变化电容[5]：

(3)

式中：原始电容C0=εa2/d[6]；ε为真空介电常数；d为空腔间距。

1．2 结构设计

该电容芯片利用电容式压力传感器的工作原理，采用两片SiC晶片键合制作而成。其中SiC晶片a减薄后用于制备密封腔体和敏感膜，在减薄后的晶片a上ICP刻蚀[7]一定深度构成空腔， PECVD在表面形成一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上溅射一层Ti(利于Pt的吸附[8])，再在Ti层上溅射一层Pt[9](中间可制备一层TiN，缓解层与层之间的动力学反应)，图形化形成上电极，再在晶片a的另一面ICP刻蚀一定深度以形成敏感膜。在SiC晶片b表面PECVD形成一层二氧化硅绝缘层，溅射金属层，图形化形成下电极，PECVD在下电极表面形成一层二氧化硅绝缘层(防止上下电极接触发生短路)。最后利用玻璃浆料将两片SiC晶片键合制成传感器电容芯片。

1、设计总工程师要紧紧把握总布置设计专业，并作为搞好工程设计质量、降低工程造价的重要环节之一来抓。从工程开始就要重视电厂的总体规划和全厂总布置工作，从总体规划入手，搞好工程设计质量，认真贯彻电力建设“安全可靠、经济适用、符合国情”的十二字方针。

主要制作步骤如图2所示，工艺流程如下：

(1)取SiC晶片a，减薄到115 μm；

(2)利用Ni作为掩膜[10]，ICP刻蚀SiC 25 μm制成限位柱用以精确控制玻璃浆料高度(玻璃浆料厚度一般为25 μm)，构成空腔；

(3)PECVD在表面生成SiO2绝缘层，溅射金属层并图形化，形成上电极；

(4)在SiC晶片a的另一面制作Ni掩膜，ICP刻蚀30 μm，形成敏感膜；

(5)在SiC晶片b表面PECVD生成SiO2绝缘层，溅射金属层并图形化，形成下电极；

(6)PECVD在表面生成一层SiO2绝缘层，图形化，防止短路；

2 仿真结果与分析

针对SiC材料在不同温度下弹性模量、泊松比[11]的不同，以及高温下发生热膨胀等现象[12]，运用Ansys对传感器薄膜做常温静力学仿真分析以及300 ℃、500 ℃和700 ℃时的热-结构耦合场仿真分析。碳化硅在不同温度下的特性参数如表2所示。

(a)减薄到115 μm

(b)ICP刻蚀限位柱，产生空腔

(c)制备上电极

(d)ICP刻蚀，形成敏感膜

(e)制备下电极

(f)制备下电极表面的绝缘层

(g)玻璃浆料键合图2 工艺流程图

温度/℃杨氏模量/GPa泊松比密度/(g·cm-3)导热系数/(W·m-1K-1)热膨胀系数/(10-6K-1)204150.163.161141.15004040.1593.1455.14.410003920.1573.1135.75.0

仿真结果如图3所示。图中1 atm=1.01325×105Pa。

由仿真结果可知，在不同温度下，相同的压力导致的挠度不同。不同温度下不同压力引起的最大挠度如表3所示。

表3 不同温度、不同压力下的最大挠度

(a)温度分布云图

(b)2 atm时位移云图

(c)2 atm时中线位移与位置的对应图3 500 ℃时的热-结构耦合场仿真图

不同温度下最大挠度与压力关系如图4所示。

图4 最大挠度与压力的关系

根据公式(3)由最大挠度可以计算出变化电容的大小，传感器电容值随压力变化关系如图5所示。图中1 bar=105Pa。

图5 电容与压力的关系图

计算可得出常温下传感器芯片的灵敏度为1．3 pF/bar,300 ℃、500 ℃、700 ℃时的灵敏度分别为1．4 pF/bar、1．54 pF/bar、1．74 pF/bar，可知该结构在高温下仍具有较高的灵敏度。

最后，对结构进行五阶模态仿真分析，得到五阶频率结果如表4所示。

一阶频率为245 930 kHz，可知该结构的固有频率很高，从而频响较高，同时一阶频率二阶频率相差较大，不易引起二阶共振，保证了良好的振动方式。

表4 五阶模态分析结果

3 结论

通过对SiC高温压力传感器的设计和仿真可知，这种传感器工作在较高温度下时仍具有较高的灵敏度及频响。国外高温压力传感器发展的较快，许多产品已经实用化、系列化。我国应加强新型高温半导体压力传感器的研制，尽快开发出更多更好的实用化高温压力传感器。

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DesignandSimulationAnalysisofSiCHighTemperaturePressureSensorCapacitanceChip

LISai-nan1,2,LIANGTing1,2,YULan-fang1,2,LIYing1,2,XIONGJi-jun1,2

(1．KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurementofMinistryofEducation,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2．ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

The development of MEMS pressure sensor is mature,but encounters many problems in high temperature．In order to solve the pressure measurement problems under the environment of high temperature,a new type design of SiC high temperature pressure sensor capacitance chip was introduced The Ansys finite element analysis software was utilized to analyze the thermal-structural coupled-field．The sensitivity of the capacitance chip at room temperature was 1．3 pF/bar,and the sensitivity of the capacitance chip at the temperature of 300 ℃,500 ℃ and 700 ℃ was respectively 1．4 pF/bar，1．54 pF/bar and 1．74 pF/bar,proving that the structure had relatively high sensitivity under high temperature．While the modal simulation shows the primary frequency is 245 930 Hz,demonstrating a high frequency response of the structure．

SiC;high temperature pressure sensor;capacitance chip;Ansys finite element analysis;sensitivity;frequency response

2014-02-23 收修改稿日期：2014-10-06

TN

A

1002-1841(2015)03-0007-03

李赛男(1988—)，在读研究生，主要研究高温压力传感器制备技术。E-mail：lisainannuc@126．com 梁庭(1979—)，副教授，博士，主要从事高温压力传感器和光学气体传感器等的研究。E-mail：liangtingnuc@163．com