1 引言 

        作為微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的主要產(chǎn)品，壓力傳感器 ，尤其是高溫壓力傳感器有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域（1）， 典型的高溫壓力傳感器有高溫壓阻式壓力傳感器、石英壓力傳感器、濺射合金薄膜高溫壓力傳感器、陶瓷厚膜高溫壓力傳感器（2）、光纖高溫壓力傳感器、金剛石壓力傳感器等，它們各具特點(diǎn)和不足，使用環(huán)境不同，高溫壓阻式壓力傳感器由于其制作工藝先進(jìn)，與半導(dǎo)體集成電路平面工藝兼容 ，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化 、智能化 ，符合傳感器的發(fā)展方向。（3）

       傳統(tǒng)的硅擴(kuò)散壓阻式壓力傳感器用重?fù)诫s 4個(gè)P型硅應(yīng)變 電阻構(gòu)成惠斯頓電橋 的力敏檢測(cè)模式(4)，采用PN結(jié)隔離 ，當(dāng)溫度在100℃以上時(shí)，PN結(jié)漏電流很 大，使器件無(wú)法工作。因此 ，設(shè)計(jì)制作高溫壓阻式壓力傳感器較容易的方法是取消單晶硅PN結(jié)隔離。

2 多晶硅中高溫壓力傳感器

       多晶硅薄膜用低壓氣相淀積法 LPCVD(1owpres— surechemicalvapordeposition)制備在 Si02或 Si3N4上 ，形成力敏材料 ，用離子注入摻雜構(gòu)成惠斯頓應(yīng)變檢測(cè)電橋。多晶硅壓力傳感器定位于低成本 、中等工作溫度和中等靈敏度L5j5(與相同設(shè)計(jì)參數(shù)的單晶壓力傳感器相比，靈敏度只有其 1／4—1／5)，其橫向壓阻系數(shù)遠(yuǎn)小于縱向壓阻系數(shù) ，因此 ，設(shè)計(jì)中只能充分利用正負(fù)縱向應(yīng)力 。多晶硅芯片晶粒問(wèn)界中有大量 的懸掛鍵 ，其在薄膜形成中俘獲了氫離子 ，而氫離子在較高溫度下的非富氫環(huán)境 中有大量解縛逃逸的能力 ，因此，很難 解決其高溫性能穩(wěn)定性問(wèn)題。圖1是多晶硅高溫壓力傳感器的典型設(shè)計(jì)。

3 SiC高溫壓力傳感器 

3．1 僅(6H)一SiC高溫壓力傳感器 

      如圖2所示 ，用N型6H—SiC單晶作為襯底 ，在其上外延P型和N型 6H—SiC，中間的P型6H—SiC作為刻蝕停止層 ，用電化學(xué)刻蝕 PEC(photoelectrochemical etching)N型6H—SiC制作壓敏電阻 ，然后在表面淀積si02，最后刻出接觸孔 ，淀積金屬 ，進(jìn)行金屬 化以形成 歐姆接觸。a(6H)一SiC高溫壓力傳感器用 6H—SiC材料的寬禁帶和低空穴遷移率的 SiCPN結(jié)取代了傳 統(tǒng)的硅 PN結(jié)隔離，而提高了傳感器的工作溫度。美 國(guó) KULflE公司利用SiCPN結(jié) ，使得此傳感器工作溫度提高到500℃．I6j在500℃時(shí)，靈敏度為 0.58mV／ V／MPa，在室溫時(shí)靈敏度為 1.17mV／V／MPa，滿量程非 線性和遲滯分別為 一0.17％和 0.17％。國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

3.2 3C—SiC高溫壓力傳感器 

      3C—SiC高溫壓力傳感器 ，以 SOI(siliconOilinsula— tor)晶片為襯底 ，在掩 膜層的sio2表 面選 擇性地生長(zhǎng)3C—SiC，3C—SiC僅淀積在與 si相接觸的部位，形成3C—SiC壓敏電阻條 。德國(guó)戴姆勒一奔馳技術(shù)研究中心與柏林工業(yè)大學(xué)合作研制的傳感器采用了圓膜結(jié) 構(gòu)獲得了較高的靈敏度 ，在200℃時(shí)，靈敏 度為21mV／V／MPa，室溫時(shí)靈敏度為35mV／V／MPa，且認(rèn)為由于SiC優(yōu)良的壓阻效應(yīng)可將工作溫度提到 450℃以 上 。[7] “九五”期間，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員展開(kāi)了 si上碳化硅薄 膜材料生長(zhǎng)、分析及壓阻式壓力傳感 器制作研究。用過(guò)渡緩沖層生長(zhǎng)技術(shù)獲得了si上的優(yōu)質(zhì)3C—SiC薄膜 ，并制成 了碳化硅壓阻高溫高壓傳感器，包括Si02／ si上的擇優(yōu)3C—SiC多晶薄膜制作的中壓傳感器和si上3C—SiC單晶薄膜制作的高壓傳感器。因未能解決封裝問(wèn)題做到 200℃樣品而停止。（8）

4 單晶硅SO1高溫壓力傳感器 

      采用硅氧化物絕緣體 SOl（9）技術(shù)的兩種基本的SOl晶片結(jié)構(gòu)如圖3所示 ，其制作方法一種為硅在絕緣體上 ，如硅一藍(lán)寶石SOS(silicononsapphire)技術(shù) ；另外一種為埋設(shè)絕緣 體在體硅與表面硅層之間，如硅／ 硅鍵 合 SDB(siliconwaferdirectbonding)LlO]技術(shù)和SIMOX(separationbyimplantedoxygen)_l 技術(shù)等 ，而SDB技術(shù)與背部刻蝕相結(jié)合形成BESOI技術(shù) 、與氫離 子注人相結(jié)合形成 SMARTCUT(或 UNIBOND)12技術(shù) ，利用多孑L硅的特性外延單晶硅的ELTRAN(epitaxial layertransfer)13技術(shù)等

      其他SOI晶片制作方法有RMR(zone．meltingre． crystallization)、SEG／ELO(selectiveepitaxial growthand epitaxiallateralovergrowth)（14）。而提供商用SOI晶片的常用方法是BESOI、SMARTCUT和 SIMOXll（15）．

4.1 BESOI技術(shù) 

如圖4所示 ，在P型(100)硅襯底上外延l層N型硅膜 ，在另一 N型 (100)硅膜上用各 向異性腐蝕 出孔腔，然后將兩硅片鍵合；用PN自停止腐蝕方法將P型襯底腐蝕掉 ，并用雙面光刻和離子注人技術(shù)形成 電 阻 ；按照設(shè)計(jì)要求的尺寸用拋光方法將背面的硅去掉，形成所需結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，硅膜質(zhì)量好 ，SiO：層性能良好且厚度容易控制 ，缺點(diǎn)是每次鍵合都耗費(fèi)2塊硅片 ，較難獲得均勻超薄的硅膜。

       經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展 ，美國(guó)KULrrE公司采用此si02介質(zhì)隔離的BESOI技術(shù) ，已開(kāi)發(fā)出超高溫的壓力傳感器 ，如XTEH一10LAC一190(M)系列 ，工作溫度為 -55 ~ 482℃．目前 ，國(guó)內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)已成熟 ，耐溫以200℃為上限，芯片制作方法和傳感器 的制作方法授權(quán)專利見(jiàn)文獻(xiàn)16—17。

4.2 SMARTCUT技術(shù) 

       智能剝離SMARTCUT技術(shù)是在一塊硅片中注人中等劑量的氫離子，然后與另一硅片低溫鍵合，經(jīng)熱處理 ，硅／硅鍵合對(duì)在氫離子注人的投影射程處裂開(kāi) 。 其中一片形成SOI結(jié)構(gòu)，另一片硅可以循環(huán)利用 。此技術(shù)背部無(wú)需腐蝕 ，能提供較好的晶片質(zhì)量 和絕緣層，硅膜和埋設(shè)氧化層能夠調(diào)節(jié)，低成本，適合批量制作。其主要工藝流程如圖5所示 。

       利用此技術(shù)制作 的傳感器耐溫到150℃，靈敏度為63mv／(MPa·5v)，并預(yù)計(jì)通過(guò)改進(jìn)封裝工藝 ，工作 溫度可提高到300℃．（18）

4.3 SIMOX技術(shù) 

       如圖6所示 ，采用SIMOX技術(shù) ，在N型硅片上高能注人氧離子 ，獲得了優(yōu)質(zhì)商用的SiO₂ 介質(zhì) 隔離的SOI晶片，并在微加工平臺(tái)上 ，用MEMS工藝制作耐高溫芯片。

       利用SIMOX技術(shù)的SOI芯片 ，采用懸臂梁隔離結(jié)構(gòu),將被測(cè)高溫流體(或氣體)與硅敏感元件相隔離避免了被測(cè)物的瞬時(shí)高溫沖擊,解決了2kC瞬時(shí)高溫沖擊的難題,傳感器性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水亞,結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖7。

      針對(duì)低成本化和系列化,使得研究成果產(chǎn)業(yè)化商品化,研制了通用型高溫壓力傳感器,產(chǎn)品也達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水亞。[20]

5耐高溫壓阻式壓力傳感器展望

      制約高溫壓力傳感器的發(fā)展有 2個(gè)因素:芯片自身質(zhì)量和耐高溫封裝工藝。受MEMS工藝微加工偏差的影響,力敏元件一致性差,給后期的溫度漂移的補(bǔ)償帶來(lái)了很大困難,制約了傳感器靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的提高。因此,需對(duì)芯片的初測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反饋,從而使其制作工藝愈加成熟,成品率上升在封裝工藝中,圖7中采用了玻璃漿料低溫?zé)�結(jié)的方法將芯片與彈性元件結(jié)合為一體,圖 8[20]中采用芯片/玻璃環(huán)靜電鍵合技術(shù),然后用高溫膠粘結(jié),兩種工藝中都需解決材料間熱膨脹系數(shù)的匹配和應(yīng)力消除問(wèn)題,才能進(jìn)一步拓寬工作溫度,提高穩(wěn)定性,從而實(shí)現(xiàn)低成本化。此外,在結(jié)構(gòu)上,針對(duì)各行業(yè)需求,通過(guò)建模分析,解決與之相對(duì)應(yīng)的處理電路,從而擴(kuò)大產(chǎn)品使用領(lǐng)域,如取代高溫熔體壓力傳感器[21]等,使產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

6 結(jié)束語(yǔ)

      高溫壓力傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車等領(lǐng)域高溫環(huán)境下的壓力測(cè)量,有著極大的應(yīng)用前景。國(guó)外耐高溫壓力傳感器長(zhǎng)期壟斷國(guó)際市場(chǎng),隨著國(guó)內(nèi)MEMS工藝水平的提高和在敏感元件集成設(shè)計(jì)和傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破,必定會(huì)在此高新技術(shù)領(lǐng)域擁有一席之地。

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班寧產(chǎn)品匯總