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SiC高温压力传感器国内外目前的基本情况

发布时间:2019-4-16      发布人:泽天传感      点击:

基于SiCSilicon Carbide)的高温压力传感器正逐步成为高温传感器领域的主流研究方向,经过二十多年的发展,SiC以其优良的高温机械特性、易加工性以及半导体材料自身的优点,已广泛应用于高温传感器的研制。不同原理的基于SiC的高温压力传感器不断涌现,传感器的性能也不断提高,可满足超高温以内(<800)大部分高温环境下的测压需求。随着欧姆接触使用温度不断提高,SiC光纤性能的不断改善,SiC在超高温环境下的测量也具有广阔的应用前景。目前,SiC高温压力传感器主要应用于航空和航天发动机、火箭发动机、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监测。在国内,有生产SiC高温压力传感器的生产线,已经用于油井高温压力的的测量。在国外,已经有SiC高温压力传感器,大压力的较成熟,微压也有样品出售。能工作在600度左右,NASA出资合作研发。高温压力传感器较成熟的材料有基于SOISiC。据研究SOI500度左右会经历塑性形变。而SiC可用于更高温度。

基于SiC的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,包括a型的3C-SiCB型的4H6H-SiC,其中B-SiC1600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。目前,SiC的干法刻蚀、欧姆接触制备、SiC-SiC圆片级键合等微加工技术已基本成熟,基于SiC的高温传感器已成为高温传感器的热门研究方向。基于SiC的高温压力传感器主要包括压阻式、电容式两大类。

SiC压阻式高温压力传感器

压阻式压力传感器灵敏度较高,工艺较为简单,可靠性高,是目前SiC压力传感器研究的热点,也是成果最多的一种方案。1997年,德国柏林工业大学的Zeirmann 等人在SOI结构上生长了一层3C-SiC 薄膜,并利用RIE刻蚀出压敏电阻实现压力测量,工作温度达到450NASAGlenn研究中心在压阻式压力传感器方面的研究开展得比较深入,该中心率先实现了全SiC结构的压敏芯片。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 膜系实现欧姆接触。传感器的样机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:①高温下外延6H-SiC薄膜的压阻效应退化,Glenn中心的数据表明,6H-SiC薄膜在室温下的压阻系数为30,而在600时降为10-15;②SiC欧姆接触的使用温度限制,Ti/TaSi/PtTa/Ni/Pt 等欧姆接触膜系的长期使用温度均不高于800

SiC压阻式高温压力传感器

SiC电容式压力传感器

电容结构的压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、温度稳定性高的特点。美国西储大学对电容式高温压力传感器进行了深入的研究,2004年该校的Young Darrin J等人利用APCVD在硅衬底上沉积3C-SiC 薄膜制备了压力传感器,压力敏感单元结构如图所示,由于感压膜较薄,该传感器工作时,膜的中心与底部接触。这种传感器的最高工作温度可达到400,该温度下的灵敏度为7.7fF/torr2008年该校的Chen Li又提出一种全SiC结构的电容式压力传感器。在该方案中Chen利用低温氧化物LTOLow-temperature Oxidation)作为牺牲层和密封材料,该种传感器的最高工作温度为574。另外,法国LETI研究所也开展了SiC电容式高温压力传感器的研究,主要技术指标:工作温度高于600,量程65kPa-145kPa,灵敏度1pF/100kPa,非线性<1%FS,精度<1%FS25。国内北京遥测技术研究所的尹玉刚等人工作较为突出,研制了基于4H-SiC的全SiC电容式高温微压传感器,工作温度可达到600,实现了0~3kPa的微压测量,全温区精度达到3%,达到国内领先水平。与压阻式高温压力传感器类似,电容式高温压力传感器的工作温度同样受限于SiC欧姆接触的工作温度,另外高温下绝缘层漏电流的增大会降低电容测量精度。

SiC电容式压力传感器

SiC高温压力传感器主要关键工艺有:

1、电化学腐蚀

2、深反应离子刻蚀

SiC高温压力传感器目前存在的问题:

1、刻蚀深度难控制。

2、微通道影响,产生图案难。

3、无引线封装工艺

解决途径:

1SiC基片可从市场上购买。

2、电化学腐蚀和深反应离子刻蚀相结合控制刻蚀深度。

3、使用高电导率的金属和玻璃粉构成熔融物作为电极和外引线的过渡。本文源自泽天传感,转载请保留出处。