解析SOI高溫壓力傳感器工作原理與制備工藝
發(fā)布時間:2018-05-21 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】近年來,我國的傳感器技術(shù)正飛速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。作為現(xiàn)代測量技術(shù)中發(fā)展最為成熟的一類,壓力傳感器領(lǐng)域也在不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新材料和新工藝。
壓力傳感器是一種用來檢測壓力信號,將壓力信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號的器件,廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)、工業(yè)及航空航天領(lǐng)域。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的細分,高溫油井、各類發(fā)動機腔體等高溫惡劣環(huán)境下的壓力測量愈發(fā)重要,而普通壓力傳感器所用材料在超過一定溫度(例如,擴散硅壓力傳感器工作溫度低于120℃)時會失效,導(dǎo)致壓力測量失敗。因此,高溫壓力傳感器成為一個非常重要的研究方向。
高溫壓力傳感器的分類
根據(jù)所用材料的不同,高溫壓力傳感器可以分為多晶硅(Poly-Si)高溫壓力傳感器、SiC高溫壓力傳感器、SOI(silicon on insulator)高溫壓力傳感器、SOS(silicon on sapphire)硅-藍寶石壓力傳感器、光纖高溫壓力傳感器等不同類型。而從目前發(fā)展情況來看,SOI高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀及前景都非常理想。下面主要介紹SOI高溫壓力傳感器。
SOI高溫壓力傳感器
SOI高溫壓力傳感器的發(fā)展主要依托SOI材料的興起。SOI即絕緣體上硅,主要指以SiO2為絕緣層預(yù)埋在Si襯底層和Si頂層器件層中間形成的半導(dǎo)體材料。SOI的特殊結(jié)構(gòu)使得器件層與襯底層之間實現(xiàn)了絕緣,消除了體硅中常見的門閂效應(yīng),提高了器件的可靠性。另外,由于SOI器件層的高溫特性使得其成為制備高溫壓力傳感器的理想材料。
目前,國外已有研制成功的SOI高溫壓力傳感器,包括美國Kulite的XTEH-10LAC-190(M)系列,如圖1所示,工作溫度為-55~480℃;美國古德里奇先進傳感器技術(shù)中心研制的-55~500℃的SOI高溫壓力傳感器;法國LETI研究所研制的SOI高溫壓力傳感器工作溫度也超過400℃。國內(nèi)研究機構(gòu)也在積極開展SOI高溫壓力傳感器的研究,例如西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、北大等。另外,西人馬FATRI未來先進技術(shù)研究院也在開展相關(guān)研究工作,目前項目已進入論證階段。
圖1 Kulite高溫壓力傳感器
SOI高溫壓力傳感器工作原理
從原理上講,SOI高溫壓力傳感器主要利用的是單晶硅的壓阻效應(yīng)。當(dāng)力作用于硅晶體上,晶體的晶格發(fā)生形變,進而導(dǎo)致載流子的遷移率發(fā)生變化,使得硅晶體的電阻率發(fā)生變化。通過在SOI頂層器件層的特定方向刻蝕出4個壓敏電阻,構(gòu)成惠斯通電橋如圖2(a)所示;在SOI的襯底層刻蝕出壓力背腔,進而形成壓力敏感結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示。
圖2(a)惠斯通電橋
圖2 (b)傳感器芯片截面
當(dāng)壓力敏感結(jié)構(gòu)受到氣壓壓力時,壓敏電阻的阻值發(fā)生變化,進而引起輸出電壓Vout發(fā)生變化,通過輸出電壓值與壓敏電阻的阻值變化的關(guān)系,實現(xiàn)壓力值的測量。
SOI高溫壓力傳感器制備工藝
SOI高溫壓力傳感器的制備工藝涉及多道MEMS工藝,此處簡單介紹一些關(guān)鍵步驟以供了解傳感器的工藝過程,如圖3所示,主要包括壓敏電阻制備、金屬引線制備、壓力敏感膜制備以及壓力腔封裝等工藝。
圖3 SOI壓力傳感器工藝
壓敏電阻的制備關(guān)鍵在于摻雜濃度的把控及后續(xù)刻蝕成型工藝的優(yōu)化;金屬引線層則主要起到惠斯通電橋的聯(lián)通;壓力敏感膜的制備主要依托深硅刻蝕工藝;壓力腔的封裝通常會因壓力傳感器的用途不同而有所變化,本文給出的兩種可能的封裝形式如圖3所示。
由于目前商業(yè)化的高溫壓力傳感器還無法很好的滿足高溫油井、航空發(fā)動機等特殊惡劣環(huán)境對壓力測量的需求,未來高溫壓力傳感器的研究已成必然。SOI材料因其特殊結(jié)構(gòu)及高溫特性,已經(jīng)成為高溫壓力傳感器的理想材料,未來對于SOI高溫壓力傳感器的研究應(yīng)該集中在解決高溫惡劣環(huán)境下傳感器的長期穩(wěn)定性、自發(fā)熱問題及提高壓力傳感器精度等方面。
當(dāng)然,智能化時代的到來也要求SOI高溫壓力傳感器結(jié)合其他多學(xué)科技術(shù),為傳感器帶來自補償、自校準、信息存儲等更為智能化的功能,從而更好的完成感知復(fù)雜高溫環(huán)境壓力的使命。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識別和認證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負載電壓達100 V的業(yè)內(nèi)先進的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級電容的“外衣”,看看超級電容“超級”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會者蒞臨SPS 2024?展會參觀交流,體驗最新自動化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索