基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究

梁 庭，贾传令，李 强，王心心，李永伟，雷 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 030051)

0 引言

高温压力传感器广泛应用于深空探测、航空航天、大飞机和涡轮式发动机等许多国家重大工程和民用工程[1]。目前硅基压力传感器应用较多，但由于在超过500 ℃环境下硅材料易氧化、易腐蚀且发生塑性变形限制了其进一步高温应用[2-3]。近年来，基于新材料、新结构的高温压力传感器成为新的研究方向。SiC材料具有抗辐射、耐化学腐蚀、高热导率、高硬度和弹性模量等特性成为制作高温、高频等MEMS器件的理想材料[4]。压力传感器的工作原理主要有压阻式和电容式，压阻式一般对工作温度较为敏感，且需要温度补偿，而电容式压力传感器受温度影响较小，因此本文提出一种基于SiC材料的电容式耐高温压力传感器，采用变间距式结构，具有灵敏度高及低非线性等优点[5-6]。

1 工作原理与结构设计

1.1 工作原理

本实验制备了电极板裸露在电容腔外部的变间距式的电容式压力传感器，其结构如图1所示。

图1 变间距式电容压力传感器结构图

当传感器下极板的位置不发生变化，上极板受到外界压力时，使两极板间距tg改变，从而使电容值发生变化[7]。传感器初始电容C0的计算如式(1)所示：

(1)

式中：tg为电容腔间距；a为正方形敏感膜边长；ε0为敏感膜材料(SiC)介电常数，ε0=8.854 187 817× 10-12F/m；εr为真空介电常数；tm1为电容腔顶部距上极板厚度；tm2为电容腔底部距下极板间厚度。

1.2 结构设计

本文针对电容式高温压力传感器的敏感膜片和电容腔结构进行设计。为了使传感器工作在更宽的线性输出区域，一般要求敏感膜片的最大挠度小于膜厚的1/5，同时还应满足敏感薄膜表面最大应力差小于SiC的破坏应力的1/5。综合上述考虑，敏感膜厚约束如式(2)所示：

(2)

式中：ωmax为敏感膜片的最大变形量；σx、σy分别为横向应力与纵向应力；t为敏感膜厚；敏感膜片边长a=3 000μm；量程p=300 kPa；杨氏模量E=453.5 GPa；屈服强度σm=21 GPa。

综合上述两个计算得到敏感膜厚的范围为t>43.85 μm，并结合本实验室的MEMS加工条件，取敏感膜厚t=45 μm。

为了提高传感器的灵敏度，尽可能增大传感器的初始电容值，由式(1)可知，在电容极板厚度和结构相对介电常数确定及相同的外界压力的情况下，灵敏度与tg成反比，可见通过减小电容间距可以提高传感器灵敏度。结合工艺条件，设计电容极板间距为10 μm，即电容空腔深度为10 μm。

由以上设计可知，敏感膜片整体厚度为55 μm，且初始电容值C0=6.05 pF。由于55 μm厚度的SiC晶片非常脆且易碎，采用晶圆减薄工艺难以实现上述敏感膜片的制备。为使敏感膜片变得更加结实且保证敏感膜片厚度，本实验采用晶圆背面深刻蚀工艺。

2 碳化硅电容式高温压力传感器制备

为了提高传感器的灵敏度，敏感芯片采用导电型的碳化硅晶圆和半绝缘型碳化硅晶圆相结合制备而成，具体工艺流程如图2所示。首先将4H-SiC晶圆背面减薄到150 μm，清洗后旋涂AZ5214光刻胶，在SiC正面进行光刻，胶厚度控制在2 μm左右；接着溅射500 nm的金属镍，通过剥离工艺打开刻蚀窗口；利用ICP刻蚀SiC10 μm，使用稀硝酸腐蚀多余的镍掩膜得到电容空腔，上述的工艺加工完成了电容结构的空腔制备，具体工艺流程如图2(1)～(6)所示。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。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50 nm的Ti做粘附层和50 nm的Au做种子层，然后电镀5 μm左右的金属Ni做掩膜层，然后利用ICP对碳化硅进行深刻蚀95 μm，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。

图2 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、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1300 ℃、4 MPa压力下完成键合[9-10]，如图2(16)所示。随后完成电容结构的上电极极板制作，首先，溅射50 nm的Ti做金属粘附层，接着溅射400 nm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。

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上，然后加热固化。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。

图3 电容压力传感器关键工艺图

3 测试

3.1 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。

图4 压力传感器测试系统

3.2 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=8.50 pF，通过封装后的压力传感器整体初始电容值C0=13.15 pF。通过与理论电容值对比发现，实际测试值大于理论电容值。

在常温下，测试了0、50、100、150、200、250、 300 kPa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0～300 kPa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4.51×10-3pF/kPa，非线性误差为2.83%。

图5 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600 ℃，其中，每隔100 ℃为测试节点，包括20、100、200、300、400、500、600℃，每个节点保持10 min，当完成600 ℃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。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20～600 ℃的范围内，电容变化量为8.50～8.65 pF。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。

图6 传感器电容与温度的关系图(高温)

4 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。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、制备方法简单等优势，同时也为≥500 ℃工作环境下原位压力测试需求提供技术参考。