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SiC高溫壓力傳感器國內外目前的基本情況

發布時間:2019-4-16??????發布人:澤天傳感??????點擊:

基于SiCSilicon Carbide)的高溫壓力傳感器正逐步成為高溫傳感器領域的主流研究方向,經過二十多年的發展,SiC以其優良的高溫機械特性、易加工性以及半導體材料自身的優點,已廣泛應用于高溫傳感器的研制。不同原理的基于SiC的高溫壓力傳感器不斷涌現,傳感器的性能也不斷提高,可滿足超高溫以內(<800)大部分高溫環境下的測壓需求。隨著歐姆接觸使用溫度不斷提高,SiC光纖性能的不斷改善,SiC在超高溫環境下的測量也具有廣闊的應用前景。目前,SiC高溫壓力傳感器主要應用于航空和航天發動機、火箭發動機、航空發動機、重型燃氣輪機、燃煤燃氣鍋爐等動力設備燃燒室內的壓力監測。在國內,有生產SiC高溫壓力傳感器的生產線,已經用于油井高溫壓力的的測量。在國外,已經有SiC高溫壓力傳感器,大壓力的較成熟,微壓也有樣品出售。能工作在600度左右,NASA出資合作研發。高溫壓力傳感器較成熟的材料有基于SOISiC。據研究SOI500度左右會經歷塑性形變。而SiC可用于更高溫度。

基于SiC的高溫壓力傳感器碳化硅作為第三代直接躍遷型寬禁帶半導體材料,具有優良的抗輻照特性、熱學性能、抗腐蝕性。Sic晶體形態較多,常用于研制高溫壓力傳感器,包括a型的3C-SiCB型的4H6H-SiC,其中B-SiC1600時仍能保持良好的機械強度,在制備高溫傳感器方面有廣闊的應用前景。目前,SiC的干法刻蝕、歐姆接觸制備、SiC-SiC圓片級鍵合等微加工技術已基本成熟,基于SiC的高溫傳感器已成為高溫傳感器的熱門研究方向。基于SiC的高溫壓力傳感器主要包括壓阻式、電容式兩大類。

SiC壓阻式高溫壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器靈敏度較高,工藝較為簡單,可靠性高,是目前SiC壓力傳感器研究的熱點,也是成果最多的一種方案。1997年,德國柏林工業大學的Zeirmann 等人在SOI結構上生長了一層3C-SiC 薄膜,并利用RIE刻蝕出壓敏電阻實現壓力測量,工作溫度達到450NASAGlenn研究中心在壓阻式壓力傳感器方面的研究開展得比較深入,該中心率先實現了全SiC結構的壓敏芯片。壓力敏感結構以6H-SiC作為基底,利用同質外延摻雜、干法刻蝕技術形成PN 結和壓阻結構,再使用Ti/TaSi/Pt 膜系實現歐姆接觸。傳感器的樣機最高工作溫度能達到750。限制SiC壓阻高溫傳感器工作溫度的因素有兩個:①高溫下外延6H-SiC薄膜的壓阻效應退化,Glenn中心的數據表明,6H-SiC薄膜在室溫下的壓阻系數為30,而在600時降為10-15;②SiC歐姆接觸的使用溫度限制,Ti/TaSi/PtTa/Ni/Pt 等歐姆接觸膜系的長期使用溫度均不高于800

SiC壓阻式高溫壓力傳感器

SiC電容式壓力傳感器

電容結構的壓力傳感器具有靈敏度高、動態響應快、溫度穩定性高的特點。美國西儲大學對電容式高溫壓力傳感器進行了深入的研究,2004年該校的Young Darrin J等人利用APCVD在硅襯底上沉積3C-SiC 薄膜制備了壓力傳感器,壓力敏感單元結構如圖所示,由于感壓膜較薄,該傳感器工作時,膜的中心與底部接觸。這種傳感器的最高工作溫度可達到400,該溫度下的靈敏度為7.7fF/torr2008年該校的Chen Li又提出一種全SiC結構的電容式壓力傳感器。在該方案中Chen利用低溫氧化物LTOLow-temperature Oxidation)作為犧牲層和密封材料,該種傳感器的最高工作溫度為574。另外,法國LETI研究所也開展了SiC電容式高溫壓力傳感器的研究,主要技術指標:工作溫度高于600,量程65kPa-145kPa,靈敏度1pF/100kPa,非線性<1%FS,精度<1%FS25。國內北京遙測技術研究所的尹玉剛等人工作較為突出,研制了基于4H-SiC的全SiC電容式高溫微壓傳感器,工作溫度可達到600,實現了0~3kPa的微壓測量,全溫區精度達到3%,達到國內領先水平。與壓阻式高溫壓力傳感器類似,電容式高溫壓力傳感器的工作溫度同樣受限于SiC歐姆接觸的工作溫度,另外高溫下絕緣層漏電流的增大會降低電容測量精度。

SiC電容式壓力傳感器

SiC高溫壓力傳感器主要關鍵工藝有:

1、電化學腐蝕

2、深反應離子刻蝕

SiC高溫壓力傳感器目前存在的問題:

1、刻蝕深度難控制。

2、微通道影響,產生圖案難。

3、無引線封裝工藝

解決途徑:

1SiC基片可從市場上購買。

2、電化學腐蝕和深反應離子刻蝕相結合控制刻蝕深度。

3、使用高電導率的金屬和玻璃粉構成熔融物作為電極和外引線的過渡。本文源自澤天傳感,轉載請保留出處。

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