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(dǎo)致傳統(tǒng)MEMS壓力傳感器無(wú)法正常工作的關(guān)鍵原因,。SiC是具有寬帶隙,、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率和高電子飽和速度及良好機(jī)械性能的材料,，它的化學(xué)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(shì)[1],。本文選擇SiC材料制備敏感結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用無(wú)線無(wú)源探測(cè)技術(shù)[2],，從而實(shí)現(xiàn)高溫壓力測(cè)量,。SiC是有許多同素異構(gòu)類型的化合物半導(dǎo)體，此處選擇4H-SiC進(jìn)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(diǎn)，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(shí)，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(zhǎng)，h為敏感膜厚度,，d為空腔間距,，r為SiC的相對(duì)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(gè)坐標(biāo)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(guò)程中,，熱傳導(dǎo)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(wú)源技術(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)頻率信號(hào)。原理圖如圖2所示,。

　　利用一個(gè)耦合線圈讀出電路（天線）在傳感器附近進(jìn)行掃頻測(cè)量,，當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率與傳感器固有頻率耦合時(shí)發(fā)生共振，導(dǎo)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(jì)算出壓力的大小[7]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　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(shì),，使用LTCC材料和工藝來(lái)制作壓力傳感器，可滿足400～600 ℃左右高溫環(huán)境下的應(yīng)用[8],。玻璃漿料鍵合是通過(guò)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(gè)襯底，冷卻后會(huì)形成穩(wěn)定的機(jī)械性連接,。它的優(yōu)勢(shì)在于其具有密封效果好,，鍵合強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高,，并且對(duì)于封接基板的表面沒(méi)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(jì)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(shí)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(jì)

　　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(lái)構(gòu)成空腔,，在另一面對(duì)應(yīng)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(kuò)散阻擋層，緩解層與層之間的動(dòng)力學(xué)反應(yīng))[10],，圖形化形成上電極,，如圖4所示。

　　2.2 陶瓷部分設(shè)計(jì)

　　通過(guò)LTCC激光打孔,、厚膜印刷技術(shù)和多層疊片技術(shù),，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚥襟E制備出符合設(shè)計(jì)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(duì)SiC薄膜進(jìn)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(dǎo)、熱膨脹等現(xiàn)象的影響[12],，傳感器在溫度改變時(shí)性能會(huì)發(fā)生變化,，應(yīng)用Ansys有限元分析軟件對(duì)傳感器薄膜作熱-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,，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(shí)2個(gè)大氣壓內(nèi)的最大撓度如表3所示,。

　　設(shè)計(jì)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(jì)算可得出20 ℃,、200 ℃、400 ℃,、600 ℃時(shí)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(yàn)證

　　此方案中最關(guān)鍵的工藝是SiC的深刻蝕,，由于SiC化學(xué)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(duì)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(tái)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(shí)需要顧及到C,，由于C和O能反應(yīng),，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(jìn)行工藝優(yōu)化,。

5 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)SiC電容式無(wú)線無(wú)源高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)和仿真分析可知,，這種傳感器在600 ℃高溫時(shí)仍具有較高靈敏度，對(duì)傳感器制備過(guò)程中的關(guān)鍵工藝——SiC深刻蝕進(jìn)行了驗(yàn)證,，滿足傳感器制備要求,。后續(xù)將進(jìn)行工藝優(yōu)化、傳感器的制備與測(cè)試,。

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