作為微機電系統MEMS的主要產品，壓力傳感器，尤其是高溫壓力傳感器有著廣闊的應用領域（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，它們各具特點和不足，使用環境不同，高溫壓阻式壓力傳感器由于其制作工藝先進，與半導體集成電路平面工藝兼容，易于實現系統化、智能化，符合傳感器的發展方向。（3）

傳統的硅擴散壓阻式壓力傳感器用重摻雜 4個P型硅應變電阻構成惠斯頓電橋的力敏檢測模式(4)，采用PN結隔離，當溫度在100℃以上時，PN結漏電流很大，使器件無法工作。因此，設計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，用離子注入摻雜構成惠斯頓應變檢測電橋。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(與相同設計參數的單晶壓力傳感器相比，靈敏度只有其 1／4—1／5)，其橫向壓阻系數遠小于縱向壓阻系數，因此，設計中只能充分利用正負縱向應力。多晶硅芯片晶粒問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境中有大量解縛逃逸的能力，因此，很難解決其高溫性能穩定性問題。圖1是多晶硅高溫壓力傳感器的典型設計。

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結取代了傳統的硅 PN結隔離，而提高了傳感器的工作溫度。美國 KULflE公司利用SiCPN結，使得此傳感器工作溫度提高到500℃．I6j在500℃時，靈敏度為 0.58mV／ V／MPa，在室溫時靈敏度為 1.17mV／V／MPa，滿量程非線性和遲滯分別為一0.17％和 0.17％。國內未見相關報道。

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。德國戴姆勒一奔馳技術研究中心與柏林工業大學合作研制的傳感器采用了圓膜結構獲得了較高的靈敏度，在200℃時，靈敏度為21mV／V／MPa，室溫時靈敏度為35mV／V／MPa，且認為由于SiC優良的壓阻效應可將工作溫度提到 450℃以上。[7] “九五”期間，國內技術人員展開了 si上碳化硅薄膜材料生長、分析及壓阻式壓力傳感器制作研究。用過渡緩沖層生長技術獲得了si上的優質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）技術的兩種基本的SOl晶片結構如圖3所示，其制作方法一種為硅在絕緣體上，如硅一藍寶石SOS(silicononsapphire)技術；另外一種為埋設絕緣體在體硅與表面硅層之間，如硅／硅鍵合 SDB(siliconwaferdirectbonding)LlO]技術和SIMOX(separationbyimplantedoxygen)_l 技術等，而SDB技術與背部刻蝕相結合形成BESOI技術、與氫離子注人相結合形成 SMARTCUT(或 UNIBOND)12技術，利用多孑L硅的特性外延單晶硅的ELTRAN(epitaxial layertransfer)13技術等

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

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形成電阻；按照設計要求的尺寸用拋光方法將背面的硅去掉，形成所需結構。其主要優點是工藝簡單，硅膜質量好，SiO：層性能良好且厚度容易控制，缺點是每次鍵合都耗費2塊硅片，較難獲得均勻超薄的硅膜。

經過多年的發展，美國KULrrE公司采用此si02介質隔離的BESOI技術，已開發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，國內此項技術已成熟，耐溫以200℃為上限，芯片制作方法和傳感器的制作方法授權專利見文獻16—17。

4.2 SMARTCUT技術

智能剝離SMARTCUT技術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，經熱處理，硅／硅鍵合對在氫離子注人的投影射程處裂開。其中一片形成SOI結構，另一片硅可以循環利用。此技術背部無需腐蝕，能提供較好的晶片質量和絕緣層，硅膜和埋設氧化層能夠調節，低成本，適合批量制作。其主要工藝流程如圖5所示。

利用此技術制作的傳感器耐溫到150℃，靈敏度為63mv／(MPa·5v)，并預計通過改進封裝工藝，工作溫度可提高到300℃．（18）

4.3 SIMOX技術

如圖6所示，采用SIMOX技術，在N型硅片上高能注人氧離子，獲得了優質商用的SiO₂ 介質隔離的SOI晶片，并在微加工平臺上，用MEMS工藝制作耐高溫芯片。

利用SIMOX技術的SOI芯片，采用懸臂梁隔離結構,將被測高溫流體(或氣體)與硅敏感元件相隔離避免了被測物的瞬時高溫沖擊,解決了2kC瞬時高溫沖擊的難題,傳感器性能指標達到了國際先進水亞,結構圖見圖7。

針對低成本化和系列化,使得研究成果產業化商品化,研制了通用型高溫壓力傳感器,產品也達到了國際同類產品的先進水亞。[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展有 2個因素:芯片自身質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償帶來了很大困難,制約了傳感器靜態精度和動態響應能力的提高。因此,需對芯片的初測數據進行分析反饋,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燒結的方法將芯片與彈性元件結合為一體,圖 8[20]中采用芯片/玻璃環靜電鍵合技術,然后用高溫膠粘結,兩種工藝中都需解決材料間熱膨脹系數的匹配和應力消除問題,才能進一步拓寬工作溫度,提高穩定性,從而實現低成本化。此外,在結構上,針對各行業需求,通過建模分析,解決與之相對應的處理電路,從而擴大產品使用領域,如取代高溫熔體壓力傳感器[21]等,使產品標準化和系列化。

6 結束語

高溫壓力傳感器廣泛應用于航空航天、石油化工、汽車等領域高溫環境下的壓力測量,有著極大的應用前景。國外耐高溫壓力傳感器長期壟斷國際市場,隨著國內MEMS工藝水平的提高和在敏感元件集成設計和傳感器結構設計的突破,必定會在此高新技術領域擁有一席之地。

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