基于4H-SiC的电容式高温压力传感器研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zdt19880709
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以硅为主要材料的MEMS器件已经广泛应用在消费电子、生物医疗和汽车等领域,但随着社会需求的不断多样化和科研工作的深入,在一些高温、高压、强震动的极端环境下,硅基器件经常会出现性能退化甚至失效等问题,已难以符合实际应用需求。碳化硅(Si C)材料具有较宽禁带、高机械强度、高击穿电场强度、高物理硬度等优异性质,因此非常适合取代硅材料而应用于高温高压的恶劣环境下。本课题旨在研制一款能应用于600℃高温环境下且最大测量压力为10 MPa的Si C电容式高温压力传感器,为此本文主要完成了器件设计、制造和测试三方面的工作。首先,以变间隙电容器的理论模型为指导,利用有限元仿真软件,初步选定了器件尺寸的参数组合并进行了仿真模拟与优化。从仿真结果可知:影响电容压力传感器的主要参数是压膜半径r、压膜厚度t和极板间距g;同等条件下,压膜厚度越小则器件接触点越小,从而能获得较好的高压区域线性度;在高温环境条件下,温度越高,器件的温漂越大,灵敏度越大。综合考虑器件性能和实验室的现有加工条件,确定器件的主要尺寸为:t=100μm、g=10μm、r=1.5 mm。然后,分别系统研究了影响Si C的RIE刻蚀、Si C晶圆的绝缘真空键合、Si C衬底的研磨及抛光和Si C的激光刻蚀的关键工艺因素。研究了射频电源功率、气体配比和反应腔室气压对RIE刻蚀速率的影响;键合工艺采用So G作为绝缘层,先旋涂So G再真空热压键合,在1x10-5 Pa真空度和200℃温度下进行键合,最后绝缘层厚度为1.5μm;研究了研磨浆料粒径大小、抛光液种类、盘转速、上基盘压力、浆料供给量对研磨和抛光效果的影响;研究了激光功率、切割遍数以及激光移动速率对Si C激光刻蚀速率的影响。在各单元工艺优化的基础上,整合了所有单元工艺,利用微加工技术集成制造了Si C压力传感器。最后,对器件性能进行了测试。因暂时很难同时达到高温高压的测试条件,故采用高温常压条件测试了器件的耐高温能力,采用常温高压条件测试了器件的高压性能。测试结果显示器件能承受500℃以上的高温,且在0-10 MPa载荷条件下的平均灵敏度为0.74 p F/MPa。与理论值相比,器件的温漂偏大,灵敏度偏小,且在高压区域过早饱和,误差来源主要是器件加工制造过程的尺寸误差和测试过程中引线等环节的误差。
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