文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)11-0081-04
0 引言
高溫壓力傳感器在民用和軍事上都有著十分廣泛的用途,然而高溫環(huán)境下的彈性結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及電引線性能退化是導致傳統(tǒng)MEMS壓力傳感器無法正常工作的關(guān)鍵原因。SiC是具有寬帶隙、高擊穿場強、高熱導率和高電子飽和速度及良好機械性能的材料,它的化學穩(wěn)定性和抗輻射能力等這些特性使SiC在制造高溫惡劣環(huán)境下的壓力傳感器中具有明顯的優(yōu)勢[1]。本文選擇SiC材料制備敏感結(jié)構(gòu),同時采用無線無源探測技術(shù)[2],從而實現(xiàn)高溫壓力測量。SiC是有許多同素異構(gòu)類型的化合物半導體,此處選擇4H-SiC進行研究,表1為4H-SiC與Si的主要特性比較。
1 工作原理
壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩種結(jié)構(gòu),電容式壓力傳感器具備高靈敏度、高頻響、低溫漂等優(yōu)點,是SiC壓力傳感器更具潛力的研究方向[3]。電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,受到壓力作用時,薄膜產(chǎn)生形變,上下極板間距發(fā)生變化,從而改變電容器的容量。
變化電容[4]:
其中,w棕為最大撓度,a為邊長,h為敏感膜厚度,d為空腔間距,r為SiC的相對介電常數(shù),0為真空介電常數(shù)。
由平板熱彈性理論,在外部壓力和溫度載荷的共同作用下,膜片的變形積分方程[5]如下:
式中:p為外部壓力載荷,D為彎曲剛度,,E為楊氏模量泊松比,x、y、z分別為3個坐標軸,是熱膨脹系數(shù),為傳感器內(nèi)部溫度分布,穩(wěn)態(tài)傳熱過程中,熱傳導方程[6]如下:
其中,?籽為密度,Cp為比熱容,k為傳熱系數(shù)。
由于高溫環(huán)境下引線性能退化,后續(xù)采用非接觸式無源技術(shù)進行測試。將電容與電感線圈串聯(lián)成LC諧振電路,利用互感耦合原理檢測頻率信號。原理圖如圖2所示。
利用一個耦合線圈讀出電路(天線)在傳感器附近進行掃頻測量,當測量信號頻率與傳感器固有頻率耦合時發(fā)生共振,導致輸入阻抗發(fā)生明顯變化,從而推算其傳感器壓力相關(guān)的固有頻率。根據(jù)壓敏結(jié)構(gòu)的壓力-位移-電容-固有頻率傳輸函數(shù),可以計算出壓力的大小[7]。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
陶瓷具有耐高溫、自封裝、絕緣、低成本等特性,低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝在制作立體結(jié)構(gòu)方面具有特別的優(yōu)勢,使用LTCC材料和工藝來制作壓力傳感器,可滿足400~600 ℃左右高溫環(huán)境下的應用[8]。玻璃漿料鍵合是通過網(wǎng)印將玻璃漿料涂在鍵合面上,熔化所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)并接觸第二個襯底,冷卻后會形成穩(wěn)定的機械性連接。它的優(yōu)勢在于其具有密封效果好,鍵合強度高,生產(chǎn)效率高,并且對于封接基板的表面沒有特殊要求[9]。利用玻璃漿料將SiC晶片制成的敏感膜與LTCC陶瓷鍵合制成電容,設(shè)計排氣管道,最后在真空環(huán)境下利用玻璃珠融化密封形成真空電容空腔,同時在陶瓷上印刷電感線圈,最后,引線鍵合串聯(lián)形成LC諧振電路。結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.1 SiC晶片部分設(shè)計
首先將SiC晶片減薄至一定厚度,在減薄后的晶片上刻蝕一定深度來構(gòu)成空腔,在另一面對應的位置刻蝕一定深度形成敏感膜。氧化一層二氧化硅絕緣層,在絕緣層上濺射一層Ti作為吸附層,再濺射一層Pt作為引線互聯(lián)層(中間可制備一層TiN擴散阻擋層,緩解層與層之間的動力學反應)[10],圖形化形成上電極,如圖4所示。
2.2 陶瓷部分設(shè)計
通過LTCC激光打孔、厚膜印刷技術(shù)和多層疊片技術(shù),經(jīng)過適當?shù)墓に嚥襟E制備出符合設(shè)計要求的電容下極板和鉑電感線圈。各層生瓷片打孔、印刷如圖5所示。
3 仿真結(jié)果與分析
對SiC薄膜進行仿真,由于SiC材料的彈性模量、泊松比、密度隨溫度的變化而變化[11],以及熱傳導、熱膨脹等現(xiàn)象的影響[12],傳感器在溫度改變時性能會發(fā)生變化,應用Ansys有限元分析軟件對傳感器薄膜作熱-結(jié)構(gòu)耦合場仿真分析。碳化硅在不同溫度下的特性參數(shù)如表2,仿真位移云圖如圖6所示。
由仿真結(jié)果可知20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃溫度時2個大氣壓內(nèi)的最大撓度如表3所示。
設(shè)計電感大小為2 H,由式(1)、式(4)可知諧振頻率變化如圖7所示。
計算可得出20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃時的靈敏度分別2.35 MHz/bar、2.4 MHz/bar、2.55 MHz/bar、2.65 MHz/bar,可知傳感器在高溫下仍具有較高的靈敏度。
4 關(guān)鍵工藝驗證
此方案中最關(guān)鍵的工藝是SiC的深刻蝕,由于SiC化學性質(zhì)十分穩(wěn)定,目前還未發(fā)現(xiàn)有哪種酸或堿能在室溫下對其起腐蝕作用,因此在SiC基體的加工工藝中常采用干法刻蝕[13]。由于Ni掩??涛g出的選擇比較大、臺階較直且表面狀況良好,此處選擇金屬Ni作為掩膜[14]。
SiC中比較特殊的是C元素,采用SF6刻蝕時需要顧及到C,由于C和O能反應,因此加入O2是比較好的策略:
SiC+O*+F*→SiF4↑+CO↑+CO2↑
因此SiC刻蝕一般采用SF6+O2,再加入Ar輔助,提升物理性,角度垂直且速率較大,刻蝕掃描電子顯微鏡圖如圖8所示。
刻蝕深度為124 m,滿足傳感器制備要求,底部形貌存在“sub-trench”現(xiàn)象,后續(xù)需進行工藝優(yōu)化。
5 結(jié)論
通過對SiC電容式無線無源高溫壓力傳感器的設(shè)計和仿真分析可知,這種傳感器在600 ℃高溫時仍具有較高靈敏度,對傳感器制備過程中的關(guān)鍵工藝——SiC深刻蝕進行了驗證,滿足傳感器制備要求。后續(xù)將進行工藝優(yōu)化、傳感器的制備與測試。
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