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什么是SOI高溫壓力傳感器?其技術(shù)原理是什么?

2022年05月16日 2827

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(xì)分,高溫油井、各類發(fā)動機(jī)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。

 什么是SOI高溫壓力傳感器?其技術(shù)原理是什么?

天沐先總結(jié)下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、SOIsilicon on insulator)高溫壓力傳感器、SOSsilicon on sapphire)硅-藍(lán)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。

 

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(jìn)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;在SOI的襯底層刻蝕出壓力背腔,進(jìn)而形成壓力敏感結(jié)構(gòu)。

 

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,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。

 

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。

 

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(jī)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。

 

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