高灵敏度4H-SiC基高温压力传感器

　　摘要:p型4H-SiC相较n型4H-SiC具有更高的压阻效应,p型4H-SiC正方形膜片作为弹性元件相较圆形膜片具有更高的灵敏度。基于此,设计了一种基于p型4H-SiC压阻效应的高灵敏度碳化硅压力传感器,探索了Ni/Al/Ni/Au与p型4H-SiC之间形成良好欧姆接触的条件,并制备了传感器芯片。在25~600℃空气环境中对传感器芯片的电阻进行了测试,验证了传感器在≤600℃下具有良好的电连接性。最后,在常温至250℃下对传感器进行性能测试。实验结果显示,常温环境下传感器具有较高的输出灵敏度为10.9μV/V/kPa,即使在250℃时其输出灵敏度也约为6.7μV/V/kPa。该研究为高温压阻式压力传感器发展提供了一定的技术参考。

　　本文源自李永伟; 梁庭; 雷程; 李强; 李志强; 熊继军， 微纳电子技术 发表时间：2021-05-25 《微纳电子技术》原：《半导体情报》，自创刊以来，致力于推动我国微米纳米技术的发展，大量报道了我国纳米电子学的基础性研究和MEMS领域的开发与应用，为全国从事微纳电子技术研究的人员搭建了一个良好的技术、信息交流平台，对我国纳米技术研究人员所做的早期研究工作和取得的成果做出了真实的、历史性的描述。

　　关键词:压力传感器;微电子机械系统(MEMS);碳化硅(SiC);压阻效应;弹性元件

　　0引言

　　随着控制科学与智能监测技术的发展,发动机和石油钻井等在极端环境下的压力信号测量技术受到了学者们的广泛关注[1]。与电容式、光纤式和声表面波式等其他类型的传感器相比,压阻式压力传感器具有体积小、工艺简单及线性范围宽等优势[2-3]。

　　由于硅材料具有优良的压阻效应和成熟的微电子机械系统(MEMS)加工工艺,硅基压力传感器是目前最常见的压阻式力学器件。但是,在超过500℃的高温环境下硅材料受压力后发生塑性形变且容易被腐蚀或者氧化,限制了硅基压力传感器在极端环境下的应用[4-5]。

　　碳化硅具有带隙宽、热导率高、机械强度大及抗辐射能力强等优点,已广泛应用于高温、高频、高压等极端环境下工作的传感器和电力电子器件[6-7]。4H-SiC作为体碳化硅,具有良好的压阻效应,有潜力制备长时间工作在超过600℃高温环境下的全碳化硅压力传感器[8]。早在2012年,T.Akiyama等人[9]验证了n型4H-SiC具有良好的压阻效应,其应变系数达到20.8,并制备了可在600℃下工作的n型4H-SiC压力传感器,该传感器在常温环境下输出灵敏度为268μV/V/kPa[10];2015年,美国NASA的R.S.Okojie等人[11]制备了可在800℃下工作的n型4H-SiC压力传感器,其输出灵敏度约为18.8μV/V/psi(1psi=6895Pa)。

　　国内,中国电子科技集团公司第十三研究所何洪涛等人[12]报道了n型4H-SiC压力传感器的设计、MEMS加工工艺、封装以及测试等,并在23~550℃环境下进行性能测试,该传感器在常温环境下输出灵敏度为5.03μV/V/kPa;此外,上海师范大学陈之战课题组的赵高杰[13]同样对n型4H-SiC压力传感器技术开展了详细研究,所研制的传感器的最大输出灵敏度为4.7μV/V/kPa。从总体上看,基于n型4H-SiC压阻效应的压力传感器灵敏度相对较低,尚无可应用于工况环境下的碳化硅高温压阻式压力传感器。另外,文献[10-13]所报道的传感器芯片均采用圆形膜片作为弹性元件,相较正方形膜片其灵敏度更小,因此,有望从感压膜片的优化设计着手提高传感器的灵敏度。

　　为了改善SiC压阻式压力传感器的性能,近几年有研究团队将目光转向p型4H-SiC。2017年,格里菲斯大学T.K.Nguyen等人[14]开始着手p型4H-SiC压阻效应的表征研究,实验性地证实了p型4H-SiC具有高达31.5的应变系数,约为n型4H-SiC应变系数的1.5倍;之后,该团队[15]于2018年以正方形感压膜片作为弹性元件,采用激光深刻蚀SiC技术制备了高灵敏度p型4H-SiC压阻式压力传感器,其灵敏度高达84μV/V/kPa。国内,2019年,中北大学Y.W.Li等人[16]基于单悬臂梁结构验证了p型4H-SiC具有优异的压阻性能。目前,国内鲜有关于p型4H-SiC压阻效应压力传感器的报道,主要有以下两方面原因:①p型SiC与金属形成低接触电阻、高稳定的欧姆接触较为困难[17];②与n型碳化硅同质外延技术相比,p型碳化硅同质外延技术更为复杂、生产成本更高[8]。

　　随着国内SiC晶圆生长、同质外延等技术的成熟化,高质量的p型4H-SiC外延晶片逐渐从进口为主走向了客户定制化。本文基于正方形感压膜片,研制了一种基于p型4H-SiC压阻效应的高灵敏度压力传感器芯片。探索了SiC与Ni/Al/Ni/Au形成欧姆接触的退火条件,制备了p型4H-SiC耐高温欧姆接触,并验证了25~600℃下传感器电连接的稳定性;最后,在常温至250℃环境下完成传感器的性能测试。

　　1传感器的设计与制备

　　1.1传感器结构设计

　　基于压阻效应的压力传感器是将4个压敏电阻集成到感压膜片上,并将电阻连接成Wheatstone电桥。当外界环境压力发生变化时,在膜片上的压敏电阻阻值产生与压力呈正比的变化,并通过电桥电路输出变化感知压力信号。常见的压力敏感膜片有正方形膜、圆形膜和带有质量块的岛膜。由于SiC体微加工难度较大,一般不考虑岛膜作为感压膜片。根据弹性力学理论,同等尺寸条件下正方形膜的最大应力比圆形膜的大1.64倍[16]。因此,本文设计1000μm×1000μm的正方形压力敏感膜片,设计工作量程为1MPa的传感器芯片结构。在考虑线性原则和抗过载原则的情况下,设计传感器感压膜片厚度。

　　所谓线性原则指传感器受到满量程压力时,感压膜片的最大挠度必须小于膜片厚度的1/5,目的是保证膜片工作在线性区。感压膜片受满量程压力后的最大挠度(ωmax)与工作量程和膜片厚度(h)关系为[4]ωmax=0.0213×12(1-v2)pmaxa416Eh3=0.0156pmaxa4Eh3

　　所谓抗过载原则指当传感器受到满量程压力时,敏感膜片承受的最大等效应力必须小于材料屈服应力的1/5,防止膜片因承受过大的压力而产生不可恢复的形变。敏感膜片表面承受的最大等效应力(σmax)与工作量程和膜片尺寸的关系为[4]σmax=1.0224(1-v)pmaxa24h2=0.2147pmaxa2h2≤σy5(2)式中σy为SiC的屈服应力。

　　综合上述计算结果和工艺可行性,设计传感器的感压膜片尺寸为1000μm×1000μm×45μm,传感器整体芯片尺寸为3300μm×3300μm×355μm,如图1(a)所示,其中R1~R4为压敏电阻。为了提高传感器输出灵敏度,要求尽可能地将4个压敏电阻布置在敏感膜片的应力集中区。利用ANSYS有限元仿真软件建立传感器芯片模型,并在膜片表面施加1MPa的均匀压力,仿真结果如图1(b)所示。由图1(b)可以发现,应力集中分布在正方形感压膜片边缘的中心区域,沿膜片对边中心点连线的路径上应力分布如图1(c)所示,其中AB和CD路径处于对称位置,应力分布一致。因此,将尺寸为80μm×20μm的SiC压敏电阻布置在敏感膜片的边缘,如图1(a)中R1~R4所示,具体布置区域如图1(c)虚线位置所示。为了方便测量单个电阻的阻值,将4个电阻连接成半开环式Wheatstone电桥,如图1(d)所示。当对膜片表面施加均匀压力时,R1和R4电阻增大,而R2和R3电阻减小,电桥输出电压发生与压力呈正比关系的变化。理想情况下,当膜片表面施加的压力p=0时,4个压敏电阻有相同的阻值,电桥呈平衡状态且输出电压为0V。当给膜片表面施加压力时,压敏电阻的阻值发生改变。假设4个电阻的变化率相同,则电桥的输出电压(Uout)可表示为Uout=ΔRRUin(3)式中:ΔRR为单个压敏电阻的变化率;Uin为电桥的输入电压。由此,可以推算出传感器的输出灵敏度(S)为S=1pΔRR=1pΔρρ=1pGfEσ