李賽男，梁 庭，喻蘭芳，李 穎，熊繼軍

(1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051；2．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

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SiC高溫壓力傳感器電容芯片設(shè)計(jì)與仿真

李賽男1,2，梁 庭1,2，喻蘭芳1,2，李 穎1,2，熊繼軍1,2

(1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051；2．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

MEMS壓力傳感器的研制已相當(dāng)成熟，但在高溫領(lǐng)域卻遇到了許多問(wèn)題，為解決高溫環(huán)境下壓力測(cè)量的問(wèn)題，文中介紹了一種新型SiC高溫壓力傳感器電容芯片的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)仿真分析，常溫下電容芯片的靈敏度為1．3pF/bar(1bar=100kPa),300 ℃、500 ℃、700 ℃時(shí)靈敏度分別為1．4pF/bar、1．54pF/bar、1．74pF/bar，表明這種結(jié)構(gòu)在高溫下仍具有較高的靈敏度，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真，由模態(tài)分析結(jié)果知，一階頻率為245 930Hz，可知該結(jié)構(gòu)具有很高的頻響。

SiC；高溫壓力傳感器；電容芯片；Ansys有限元分析軟件；靈敏度;頻響

0 引言

高溫壓力傳感器研制的主要目的是為了解決在高溫惡劣環(huán)境下的壓力測(cè)量問(wèn)題，它的應(yīng)用十分廣泛，在當(dāng)前深空探測(cè)、載人航天、大飛機(jī)以及核電等國(guó)家重大工程中具有迫切的應(yīng)用需求。SiC 材料以其特有的大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率等特性,成為制作高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波長(zhǎng)發(fā)光及光電集成器件的理想材料[1],在微電子、光電子等領(lǐng)域起到了獨(dú)特的作用,成為國(guó)際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。表1為常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對(duì)比。

表1 常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對(duì)比

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 工作原理

由于電容式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、低溫漂等優(yōu)點(diǎn)，采用電容式壓力傳感器的工作原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)受到壓力作用時(shí)，薄膜就會(huì)發(fā)生變形，這樣就會(huì)改變電容器的容量。它的靈敏度與薄膜與固定電極之間的距離、薄膜的張力成反比，與壓力和薄膜的面積成正比[2]。

圖1 電容式壓力傳感器原理圖

為保證結(jié)構(gòu)具有較高的頻響，需提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，傳統(tǒng)圓形膜片的固有頻率計(jì)算公式如下

(1)

式中：E為楊氏模量；μ為泊松比；ρ為密度；a為半徑；t為敏感膜厚度。

此處采用正方形振動(dòng)膜，這種幾何結(jié)構(gòu)之所以受到青睞是因?yàn)檫@種傳感單元很容易從標(biāo)準(zhǔn)尺寸的晶片中切片[3]。

最大撓度發(fā)生在平板的中心，壓力為p時(shí)，計(jì)算公式[4]如下：

(2)

變化電容[5]：

(3)

式中：原始電容C0=εa2/d[6]；ε為真空介電常數(shù)；d為空腔間距。

1．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電容芯片利用電容式壓力傳感器的工作原理，采用兩片SiC晶片鍵合制作而成。其中SiC晶片a減薄后用于制備密封腔體和敏感膜，在減薄后的晶片a上ICP刻蝕[7]一定深度構(gòu)成空腔， PECVD在表面形成一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上濺射一層Ti(利于Pt的吸附[8])，再在Ti層上濺射一層Pt[9](中間可制備一層TiN，緩解層與層之間的動(dòng)力學(xué)反應(yīng))，圖形化形成上電極，再在晶片a的另一面ICP刻蝕一定深度以形成敏感膜。在SiC晶片b表面PECVD形成一層二氧化硅絕緣層，濺射金屬層，圖形化形成下電極，PECVD在下電極表面形成一層二氧化硅絕緣層(防止上下電極接觸發(fā)生短路)。最后利用玻璃漿料將兩片SiC晶片鍵合制成傳感器電容芯片。

1、設(shè)計(jì)總工程師要緊緊把握總布置設(shè)計(jì)專業(yè)，并作為搞好工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低工程造價(jià)的重要環(huán)節(jié)之一來(lái)抓。從工程開(kāi)始就要重視電廠的總體規(guī)劃和全廠總布置工作，從總體規(guī)劃入手，搞好工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，認(rèn)真貫徹電力建設(shè)“安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、符合國(guó)情”的十二字方針。

主要制作步驟如圖2所示，工藝流程如下：

(1)取SiC晶片a，減薄到115 μm；

(2)利用Ni作為掩膜[10]，ICP刻蝕SiC 25 μm制成限位柱用以精確控制玻璃漿料高度(玻璃漿料厚度一般為25 μm)，構(gòu)成空腔；

(3)PECVD在表面生成SiO2絕緣層，濺射金屬層并圖形化，形成上電極；

(4)在SiC晶片a的另一面制作Ni掩膜，ICP刻蝕30 μm，形成敏感膜；

(5)在SiC晶片b表面PECVD生成SiO2絕緣層，濺射金屬層并圖形化，形成下電極；

(6)PECVD在表面生成一層SiO2絕緣層，圖形化，防止短路；

2 仿真結(jié)果與分析

針對(duì)SiC材料在不同溫度下彈性模量、泊松比[11]的不同，以及高溫下發(fā)生熱膨脹等現(xiàn)象[12]，運(yùn)用Ansys對(duì)傳感器薄膜做常溫靜力學(xué)仿真分析以及300 ℃、500 ℃和700 ℃時(shí)的熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)仿真分析。碳化硅在不同溫度下的特性參數(shù)如表2所示。

(a)減薄到115 μm

(b)ICP刻蝕限位柱，產(chǎn)生空腔

(c)制備上電極

(d)ICP刻蝕，形成敏感膜

(e)制備下電極

(f)制備下電極表面的絕緣層

(g)玻璃漿料鍵合圖2 工藝流程圖

溫度/℃楊氏模量/GPa泊松比密度/(g·cm-3)導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1K-1)熱膨脹系數(shù)/(10-6K-1)204150.163.161141.15004040.1593.1455.14.410003920.1573.1135.75.0

仿真結(jié)果如圖3所示。圖中1 atm=1.01325×105Pa。

由仿真結(jié)果可知，在不同溫度下，相同的壓力導(dǎo)致的撓度不同。不同溫度下不同壓力引起的最大撓度如表3所示。

表3 不同溫度、不同壓力下的最大撓度

(a)溫度分布云圖

(b)2 atm時(shí)位移云圖

(c)2 atm時(shí)中線位移與位置的對(duì)應(yīng)圖3 500 ℃時(shí)的熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)仿真圖

不同溫度下最大撓度與壓力關(guān)系如圖4所示。

圖4 最大撓度與壓力的關(guān)系

根據(jù)公式(3)由最大撓度可以計(jì)算出變化電容的大小，傳感器電容值隨壓力變化關(guān)系如圖5所示。圖中1 bar=105Pa。

圖5 電容與壓力的關(guān)系圖

計(jì)算可得出常溫下傳感器芯片的靈敏度為1．3 pF/bar,300 ℃、500 ℃、700 ℃時(shí)的靈敏度分別為1．4 pF/bar、1．54 pF/bar、1．74 pF/bar，可知該結(jié)構(gòu)在高溫下仍具有較高的靈敏度。

最后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行五階模態(tài)仿真分析，得到五階頻率結(jié)果如表4所示。

一階頻率為245 930 kHz，可知該結(jié)構(gòu)的固有頻率很高，從而頻響較高，同時(shí)一階頻率二階頻率相差較大，不易引起二階共振，保證了良好的振動(dòng)方式。

表4 五階模態(tài)分析結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SiC高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)和仿真可知，這種傳感器工作在較高溫度下時(shí)仍具有較高的靈敏度及頻響。國(guó)外高溫壓力傳感器發(fā)展的較快，許多產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)用化、系列化。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)新型高溫半導(dǎo)體壓力傳感器的研制，盡快開(kāi)發(fā)出更多更好的實(shí)用化高溫壓力傳感器。

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DesignandSimulationAnalysisofSiCHighTemperaturePressureSensorCapacitanceChip

LISai-nan1,2,LIANGTing1,2,YULan-fang1,2,LIYing1,2,XIONGJi-jun1,2

(1．KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurementofMinistryofEducation,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2．ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

The development of MEMS pressure sensor is mature,but encounters many problems in high temperature．In order to solve the pressure measurement problems under the environment of high temperature,a new type design of SiC high temperature pressure sensor capacitance chip was introduced The Ansys finite element analysis software was utilized to analyze the thermal-structural coupled-field．The sensitivity of the capacitance chip at room temperature was 1．3 pF/bar,and the sensitivity of the capacitance chip at the temperature of 300 ℃,500 ℃ and 700 ℃ was respectively 1．4 pF/bar，1．54 pF/bar and 1．74 pF/bar,proving that the structure had relatively high sensitivity under high temperature．While the modal simulation shows the primary frequency is 245 930 Hz,demonstrating a high frequency response of the structure．

SiC;high temperature pressure sensor;capacitance chip;Ansys finite element analysis;sensitivity;frequency response

2014-02-23 收修改稿日期：2014-10-06

TN

A

1002-1841(2015)03-0007-03

李賽男(1988—)，在讀研究生，主要研究高溫壓力傳感器制備技術(shù)。E-mail：lisainannuc@126．com 梁庭(1979—)，副教授，博士，主要從事高溫壓力傳感器和光學(xué)氣體傳感器等的研究。E-mail：liangtingnuc@163．com