kaiyun官方注册
您所在的位置: 首页> MEMS|传感技术> 设计应用> 4H-SiC无线无源高温压力传感器设计
4H-SiC无线无源高温压力传感器设计
2014年电子技术应用第11期
喻兰芳1,2,梁 庭1,2,熊继军1,2,崔海波1,2,刘雨涛1,2,张 瑞1,2
1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原030051; 2.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室,山西 太原030051
摘要:高温压力传感器研制的主要目的是解决高温恶劣环境下的压力测量问题,SiC是制造高温压力传感器的理想材料,结合薄膜技术与陶瓷厚膜技术,提出了一种新型的4H-SiC无线无源电容式高温压力传感器设计方案。应用Ansys有限元分析软件进行仿真, 600 ℃时灵敏度为2.65 MHz/bar,说明传感器在高温下具有较高的灵敏度,对制备过程中的关键工艺——SiC深刻蚀进行了验证,刻蚀深度达到124 m,满足传感器制备要求。
中图分类号:TN212
文献标识码:A
文章编号: 0258-7998(2014)11-0081-04
Design of 4H-SiC wireless passive high temperature pressure sensor
Yu Lanfang1,2,Liang Ting1,2,Xiong Jijun1,2,Cui Haibo1,2,Liu Yutao1,2,Zhang Rui1,2
1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China
Abstract:The main purpose of the development of high-temperature pressure sensor is to solve the pressure measurement problems in high-temperature harsh environments, SiC is an ideal material for manufacturing high temperature pressure sensor. Combined the technology of thin film and ceramic thick-film technology, a new design of 4H-SiC capacitive wireless passive high temperature pressure sensor is introduced in this paper. The Ansys finite element analysis software is utilized to simulate, the sensitivity of the capacitance chip is 2.65 MHz/bar at 600 ℃, which proves that the sensor has relatively high sensitivity under high temperature. The key process of preparation—SiC deep etch is verified, etching depth reaches 124 um, meets the requirements of sensor preparation.
Key words :4H-SiC;wireless passive;high temperature pressure sensor;Ansys;sensitivity;SiC deep etch

0 引言

高温压力传感器在民用和军事上都有着十分广泛的用途,然而高温环境下的弹性结构失稳以及电引线性能退化是导致传统MEMS压力传感器无法正常工作的关键原因。SiC是具有宽带隙、高击穿场强、高热导率和高电子饱和速度及良好机械性能的材料,它的化学稳定性和抗辐射能力等这些特性使SiC在制造高温恶劣环境下的压力传感器中具有明显的优势[1]。本文选择SiC材料制备敏感结构,同时采用无线无源探测技术[2],从而实现高温压力测量。SiC是有许多同素异构类型的化合物开云棋牌官网在线客服,此处选择4H-SiC进行研究,表1为4H-SiC与Si的主要特性比较。

1 工作原理


001.jpg

  压力传感器主要有压阻式和电容式两种结构,电容式压力传感器具备高灵敏度、高频响、低温漂等优点,是SiC压力传感器更具潜力的研究方向[3]。电容式压力传感器的基本结构如图1所示,受到压力作用时,薄膜产生形变,上下极板间距发生变化,从而改变电容器的容量。

  变化电容[4]:

1.png

  其中2-.jpg,w棕为最大挠度,a为边长,h为敏感膜厚度,d为空腔间距,r为SiC的相对介电常数,0为真空介电常数。

  由平板热弹性理论,在外部压力和温度载荷的共同作用下,膜片的变形积分方程[5]如下:

2.png

  式中:p为外部压力载荷,D为弯曲刚度,3+.jpg,E为杨氏模量泊松比,x、y、z分别为3个坐标轴,3++.png是热膨胀系数,为传感器内部温度分布,稳态传热过程中,热传导方程[6]如下:

3.png

  其中,?籽为密度,Cp为比热容,k为传热系数。

  由于高温环境下引线性能退化,后续采用非接触式无源技术进行测试。将电容与电感线圈串联成LC谐振电路,利用互感耦合原理检测频率信号。原理图如图2所示。

002.jpg

  利用一个耦合线圈读出电路(天线)在传感器附近进行扫频测量,当测量信号频率与传感器固有频率耦合时发生共振,导致输入阻抗发生明显变化,从而推算其传感器压力相关的固有频率。根据压敏结构的压力-位移-电容-固有频率传输函数,可以计算出压力的大小[7]。

4.png

2 结构设计

  陶瓷具有耐高温、自封装、绝缘、低成本等特性,低温共烧陶瓷(LTCC)工艺在制作立体结构方面具有特别的优势,使用LTCC材料和工艺来制作压力传感器,可满足400~600 ℃左右高温环境下的应用[8]。玻璃浆料键合是通过网印将玻璃浆料涂在键合面上,熔化所产生的结构并接触第二个衬底,冷却后会形成稳定的机械性连接。它的优势在于其具有密封效果好,键合强度高,生产效率高,并且对于封接基板的表面没有特殊要求[9]。利用玻璃浆料将SiC晶片制成的敏感膜与LTCC陶瓷键合制成电容,设计排气管道,最后在真空环境下利用玻璃珠融化密封形成真空电容空腔,同时在陶瓷上印刷电感线圈,最后,引线键合串联形成LC谐振电路。结构如图3所示。

003.jpg

2.1 SiC晶片部分设计

  首先将SiC晶片减薄至一定厚度,在减薄后的晶片上刻蚀一定深度来构成空腔,在另一面对应的位置刻蚀一定深度形成敏感膜。氧化一层二氧化硅绝缘层,在绝缘层上溅射一层Ti作为吸附层,再溅射一层Pt作为引线互联层(中间可制备一层TiN扩散阻挡层,缓解层与层之间的动力学反应)[10],图形化形成上电极,如图4所示。

004.jpg

 2.2 陶瓷部分设计

  通过LTCC激光打孔、厚膜印刷技术和多层叠片技术,经过适当的工艺步骤制备出符合设计要求的电容下极板和铂电感线圈。各层生瓷片打孔、印刷如图5所示。

005.jpg

  3 仿真结果与分析

  对SiC薄膜进行仿真,由于SiC材料的弹性模量、泊松比、密度随温度的变化而变化[11],以及热传导、热膨胀等现象的影响[12],传感器在温度改变时性能会发生变化,应用Ansys有限元分析软件对传感器薄膜作热-结构耦合场仿真分析。碳化硅在不同温度下的特性参数如表2,仿真位移云图如图6所示。

010.jpg

006.jpg

  由仿真结果可知20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃温度时2个大气压内的最大挠度如表3所示。

011.jpg

  设计电感大小为2 H,由式(1)、式(4)可知谐振频率变化如图7所示。

007.jpg

  计算可得出20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃时的灵敏度分别2.35 MHz/bar、2.4 MHz/bar、2.55 MHz/bar、2.65 MHz/bar,可知传感器在高温下仍具有较高的灵敏度。

4 关键工艺验证

  此方案中最关键的工艺是SiC的深刻蚀,由于SiC化学性质十分稳定,目前还未发现有哪种酸或碱能在室温下对其起腐蚀作用,因此在SiC基体的加工工艺中常采用干法刻蚀[13]。由于Ni掩模刻蚀出的选择比较大、台阶较直且表面状况良好,此处选择金属Ni作为掩膜[14]。

  SiC中比较特殊的是C元素,采用SF6刻蚀时需要顾及到C,由于C和O能反应,因此加入O2是比较好的策略:

  SiC+O*+F*→SiF4↑+CO↑+CO2↑

  因此SiC刻蚀一般采用SF6+O2,再加入Ar辅助,提升物理性,角度垂直且速率较大,刻蚀扫描电子显微镜图如图8所示。

008.jpg

  刻蚀深度为124 m,满足传感器制备要求,底部形貌存在“sub-trench”现象,后续需进行工艺优化。

5 结论

  通过对SiC电容式无线无源高温压力传感器的设计和仿真分析可知,这种传感器在600 ℃高温时仍具有较高灵敏度,对传感器制备过程中的关键工艺——SiC深刻蚀进行了验证,满足传感器制备要求。后续将进行工艺优化、传感器的制备与测试。

参考文献

  [1] 朱作云,李跃进,杨银堂,等.SiC薄膜高温压力传感器[J].传感器技术学报,2001,20(2):1-3.

  [2] 耿淑琴,郭跃,吴武臣.无源电感耦合式RFID读写器天线的优化设计[J].电子器件,2008,31(2):564-567.

  [3] 程伟.SiC电容式压力传感器敏感元件的工艺研究[D].厦门:厦门大学,2013.

  [4] FONSECA M A.Polymer/ceramic wireless MEMS pressure for harsh environments:High temperature and bio- medical applications[D].Atlanta:Georgia Institute of Tech- nology,2007.

  [5] 严宗达,王洪礼.热应力[M].北京:高等教育出版社,1993.

  [6] 蔡永恩.热弹性问题的有限元方法及程序设计[M].北京:北京大学出版社,1997.

  [7] 康昊,谭秋林,秦丽.基于LTCC的无线无源压力传感器的研究[J].传感技术学报,2013,26(4):498-499.

  [8] 李莹.LTCC高温压力传感器的设计制作和测试[J].传感器与微系统,2013,32(4):101-102.

  [9] 陈骁.玻璃浆料在MEMS圆片级气密封装中的应用研究[D].南京:南京理工大学,2009.

  [10] 严子林.碳化硅高温压力传感器设计与工艺实验研究[D].北京:清华大学,2011.

  [11] MUNRO R G.Material properties of sintered α-SiC[J]. Phys.Chem.Ref.Dat.1997,26(5):1195-1203.

  [12] 吴清仁,文璧璇.SiC材料导热系数和热膨胀系数与温度关系[J].华南理工大学学报(自然科学版),1996,3(24):11-16.

  [13] 潘宏菽,霍玉柱.控制SiC基体刻蚀的台阶形貌的方法[P].中国:CN 101556919A,2009.

  [14] 陈刚,李哲洋,陈征,等.4H-SiC MESFET工艺中的金属掩膜研究[C].广州:第十五届全国化合物开云棋牌官网在线客服材料、微波器件和光电器件学术会议,2008.


此内容为AET网站原创,未经授权禁止转载。
Baidu
map