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微纳加工公司

本文作者为;西安交通大学机械工程学院精密工程研究所 方续东老师团队

团队成员为--Chen Wu, Xudong Fang, Qiang Kang, Ziyan Fang, Junxia Wu, Hongtao He, Dong Zhang, Libo Zhao, Bian Tian, Ryutaro Maeda & Zhuangde Jiang 

基于硅的微机电系统（MEMS）压力传感器应用广泛，具有小型化和高精度的优点。然而，由于固有的材料限制，它们无法轻易承受超过 150 °C 的高温。在此，我们提出并实施了基于SiC的MEMS压力传感器的系统、全过程研究，该传感器可在-50°C至300°C范围内稳定工作。首先，为了探索非线性压阻效应，获得了 4H-SiC 压敏电阻在 -50 至 500 °C 范围内的电阻温度系数 (TCR) 值。建立了基于散射理论的电导率变化模型，揭示了非线性变化机制。然后设计并制作了基于4H-SiC的压阻式压力传感器。该传感器在-50至300°C范围内表现出良好的输出灵敏度（3.38 mV/V/MPa）、精度（0.56% FS）和较低的灵敏度温度系数（TCS）（-0.067% FS/°C）。此外，传感器芯片在H 2 SO 4和NaOH溶液中的抗腐蚀能力以及5 W X射线下的耐辐射能力证明了传感器芯片在极端环境下的生存能力。因此，这项工作中开发的传感器具有测量高温和极端环境中压力的巨大潜力，例如地热能提取、深井钻探、航空发动机和燃气轮机所面临的压力。

本文分享一篇文章 ，关于 碳化硅材料在mems传感器行业的应用，为了迎接mems传感器行业的蓬勃发展，小编为各位行业专家，科学家准备了N型碳化硅晶圆，高纯半绝缘碳化硅晶圆和先进绝缘体上碳化硅晶圆 SICOI晶圆，

SICOI晶圆，类似于soi，只不过顶硅层换成了高纯半绝缘碳化硅，各位老师可以基于碳化硅层开发碳化硅mems传感器器件。

我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，

因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如 

GaAs-SiC，InP-Diamond， LN-SiC，Si-Si，GaN-Dlamond,Sl-Diamond,蓝宝石-蓝宝石，金刚石-sic, sic-inp,sic-LN, ic-ga2o3,glass--glass，Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge  、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si and more(晶体，陶瓷，等等)

扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围

*MEMS传感器             *光子集成电路                   *半导体激光器 

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划重点：小编提供基于si+sio2+sic ，减薄+cmp/smartcut全套工艺的4H半绝缘碳化硅基片，助力SICOI在碳化硅光子学和mems种发展。

SICOI（两条工艺路线）

路线1：SMARTCUT 离子注入SICOI

优点：厚度控制精准

缺点：离子注入会对材质本身造成变化

路线2：减薄CMP--SICOI

优点：对材质本身不造成改变

缺点：厚度控制不精准

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"

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微机电系统（MEMS）高温压力传感器广泛应用于工业自动化领域，如石油管道、水利水电、航空航天、石化、油井、电力等领域1 , 2 。除了高温之外，这些设备还暴露在电磁辐射、腐蚀性气体环境和其他恶劣因素下。在这样的工况下，设备运行过程中的压力监测是一个主要问题3 。典型的 MEMS 压力传感器采用硅 (Si)。在100℃以下的温度范围内，商用硅压力传感器成熟、体积小、性能良好。然而，当它们在高于150℃的环境中使用时，内部PN结的漏电流会直接降低传感器性能，甚至由于窄Si带隙4而导致故障。另外，在高温下，Si不仅发生塑性变形，还容易发生氧化和腐蚀。因此，传统的硅基传感器通过采用散热结构或添加水冷套来实现150℃的压力测量。此外，压力管广泛用于传导测量。然而，这些间接测量方法会失去压力脉动并导致信号滞后4 、 5 。Si MEMS传感器在较高温度和恶劣环境下的应用因此受到限制。

高温传感器应包含高温材料，传感器的工作温度与其基底材料的耐温能力有关。为此，研究了采用耐高温材料制备高温传感器的可行性。作为代表性的第三代宽带隙半导体，碳化硅（SiC）已被用来制造绝缘栅双极晶体管（IGBT ） 6、7和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 8、9、10 ，其是主流的下一代功率器件，提供更快的开关速度和超高的工作电压。如此优异的性能取决于SiC的电学优势，包括大带隙和高饱和载流子迁移率。值得一提的是，SiC还具有导热率高、耐辐射性能好、耐酸碱腐蚀等优点11、12 。这些机械、化学和电气优势支持了 SiC 作为高温 MEMS 器件4衬底的固有优势

SiC在MEMS压力传感器中的应用随着单晶SiC生长技术的发展而发展。此前，受大块单晶SiC外延生长的限制，大多数研究集中于在Si基衬底上沉积3C-SiC薄膜以形成结构敏感层。所制造的压阻式13、14、15和电容式16、17 3C -SiC on Si验证了SiC作为压敏材料的可行性。然而，Si和3C-SiC之间的热膨胀系数存在差异，这会导致高温下晶格失配，引入噪声并增加失效的可能性。因此，此类装置的应用受到很大限制4 。随着6H-SiC和4H-SiC单晶生长技术的成熟以及外延片的商业化，采用全SiC材料作为衬底可以制作出耐温更高、性能更好的压力传感器芯片，成为了国内外研究的课题。主流研究。从压力传感的角度来看，SiC压力传感器芯片主要有三种类型。其中，电容式通过膜片受到压力负载18、19、20、21后，输出电容值因极距的变化而变化来实现压力测量。这种类型的优点是受温度影响较小；但其缺点是传感器芯片容易受到寄生电容信号的干扰。光纤型主要使用SiC衬底作为结构支撑22、23、24 ，并使用光纤作为压力传感器。该方法可以实现较高温度下的压力测量，但光信号的调制和解调复杂。因此，第三种压阻式最为常用，具有结构简单、输出信号采集方便25、26的优点。最早的相关研究是RS进行的。奥科杰等人。 27、28 。他们开发了一种使用 6H-SiC 基板的压阻式压力敏感芯片。随后，他们专注于提高芯片的工作温度，并对芯片电极进行了一系列相关研究。近年来，Dzung Viet Dao 等人。 29、30、31一直致力于SiC在MEMS传感器中的应用，并持续进行基于P型4H-SiC的压阻式压力传感器芯片的制作和测试。综上所述，很明显SiC的出现及其在高温传感器器件中的应用可能为传感器芯片衬底提供更好的选择。但该领域仍存在困难和挑战。首先，对SiC传感器芯片的结构优化设计研究较少；特别是对于SiC的压阻效应研究较少，导致传感器灵敏度较低。其次，由于SiC压阻传感器的高温稳定性差，目前尚无输出重复性测试，限制了这些SiC压力传感器在高温下的实际工程应用。

本研究提出了一种NPN型电隔离4H-SiC压阻压力传感器芯片。首先，探讨了4H-SiC在宽温度范围内的非线性压阻效应。使用与制造的传感器芯片相同的基板来制备压敏电阻样品。采用悬臂梁弯曲法研究了N型4H-SiC的压阻效应，测量了4H-SiC的横向压阻应变系数（GF t ）和纵向压阻应变系数（GF）。此外，还研究了压敏电阻在-50至500°C范围内的非线性变化，并开发了基于散射理论的电导率变化模型以揭示其潜在机制。然后，通过理论计算与仿真优化算法相结合，得到了传感器芯片的最佳尺寸参数。最后，封装压力传感器在-50至300°C范围内的可重复输出测试结果显示出高输出灵敏度和低温度系数灵敏度（TCS）。此外，实验验证了SiC压力传感器在恶劣环境下的生存性能，包括承受酸性和腐蚀性环境以及X射线电磁辐射的能力。

结果与讨论

N型4H-SiC的压阻效应

由于压阻结构是制造4H-SiC高温压力传感器芯片32的最佳选择，因此为了用SiC体材料设计MEMS压力传感器芯片，应该研究4H-SiC的压阻效应。根据半导体SiC 31、33、34的压阻效应，半导体在压力负载变形后电阻的变化主要是由于电阻率的变化，电阻率与变形应变呈正相关。应变引起的电阻率变化程度直接决定了传感器的输出灵敏度，我们根据压阻应变系数 GF 35定义这种相关性。为了确保压阻测试结果支持相同衬底参数的芯片设计和制造，在传感器芯片设计之前有必要研究掺杂浓度为1e19 cm -3的N型4H-SiC的GF值。另一方面，压敏电阻器的尺寸也影响特定掺杂浓度36、37、38、39的GF值。

为了研究N型4H-SiC的压阻效应，如图1a所示，施加等截面悬臂梁弯曲40 ，其中我们固定样品的一端并向另一端施加特定的力F。悬臂梁弯曲在压敏电阻所在位置产生应变，测量电阻值变化，导致GF 35值出现差异。用于研究压阻效应的晶片的掺杂外延结构示意图如图1b所示。表面n型外延层为重掺杂，浓度为1e19 cm - 3 ，厚度为2 μm。经过表面浅刻蚀、SiO 2绝缘层沉积、金属欧姆接触制作等一系列微纳工艺后形成压阻测试样品。施加的力范围为0~0.686 N，测试样品表面的压敏电阻产生相应的应变ε 。我们设计了压敏电阻的长度（ L ）和宽度（ W ）的四种组合（L400×W10、L200×W30、 L400×W20和L200×W10)研究4H-SiC的压阻效应并确保最大灵敏度传感器在设计阶段。如图1a所示，压敏电阻样品的总尺寸为33mm×5mm×0.35mm，压敏电阻中心距样品固定端11.45mm。为了进一步计算压阻系数GF，需要通过仿真确定悬臂梁上压敏电阻的应变值。为此，利用多物理场耦合仿真软件COMSOL建立了悬臂压阻模型。样品尺寸和压敏电阻分布与实验样品一致，如图1c中嵌入式矩形悬臂结构所示。在仿真中，对悬臂施加与实验相同的载荷和约束（一端固定，另一端施加力 F）。考虑到压敏电阻上应变值的线性分布，我们将压敏电阻几何中心点处的应变值作为最终应变值。值得注意的是，该值也等于整个压敏电阻的平均应变。最后，提取压敏电阻中引起的应变，然后绘制在图1c中。纵向压阻系数GF用于描述电压V与应变ε平行时压敏电阻的阻值变化。相反，横向压阻系数GF t用于描述V和ε方向垂直时的压阻效应。GF 和 GF t的研究和计算对于传感器芯片设计至关重要，也是设计 SiC 压阻压力传感器所必需的。

N型4H-SiC的压阻效应。 a压阻效应测试实验装置示意图。 b 4H-SiC外延片参数及X射线衍射特征峰。 c F载荷下压阻测试样品的表面应变分布。 d横向压阻系数GF的拟合曲线。 e纵向压阻因子 GF t的拟合曲线

图1d 、 e显示了GF值的拟合曲线，表1列出了四种不同尺寸压敏电阻的最终GF值。由此可见，不同长度和宽度的压敏电阻的原始电阻值与压敏电阻的几何形状有关。压敏电阻器的薄层电阻相同并且等于约100Ω/□。由于压敏电阻掺杂的不均匀性以及光刻制造的误差，理论设计与实际测量的阻值之间存在可控误差。对于n型4H-SiC，GF t和GF 值相对于应变表现出相反的趋势。横向压敏电阻的阻值随着应变的增大而增大，而纵向压敏电阻的阻值则随着应变的增大而减小。无论压敏电阻器的长度和宽度如何，GF t的绝对值始终大于 GF 的绝对值。这揭示了n型4H-SiC压阻效应的新发现，为进一步传感器芯片设计提供了有意义的基础。相比之下，L400×W10尺寸的压敏电阻具有更大的GF和GF t 。因此，根据上述研究，确定了压敏电阻传感器的尺寸

表1 不同压敏电阻尺寸对应的GF值

传感器芯片的结构和微观细节

在获得压阻效应最大的4H-SiC压阻尺寸后，我们进一步设计了压阻式4H-SiC压力传感器芯片的结构。本研究以第三代宽带隙半导体单晶4H-SiC为衬底，研制了一种NPN型电隔离压阻式压力传感器芯片。图2a显示了传感器芯片制造中使用的4H-SiC衬底晶圆，该晶圆购自中国东莞天宇有限公司。与硅片切片后呈现不透明的灰黑色不同，单晶4H-SiC硅片在切片后呈半透明绿色，这也是其区别于硅片的一个特点。此外，还设计了多层外延结构来实现电隔离。表面外延n型强掺杂层的掺杂浓度为1e19cm -3 ，n型衬底的厚度为350μm。衬底和n型层之间有p型外延层，掺杂浓度为5e18cm - 3 。p型外延层的厚度为5μm，n型外延层的厚度为2μm。所开发的4H-SiC压阻式圆形隔膜压力传感器芯片如图2b所示。通过在单晶衬底上掺杂生长获得外延层。敏感压敏电阻形成于表面重掺杂n型外延层上，中间p型掺杂层形成PN结隔离。由于等离子干法刻蚀方法的高质量刻蚀效果，该结构包含可变形敏感膜片。方形和圆形是硅基结构中最常用的形状。考虑到SiC 3的高硬度和耐腐蚀性能，与方形隔膜相比，圆形隔膜具有受力分布均匀、应力集中低的优点，使其成为4H-SiC等脆性半导体衬底的理想隔膜形状。四组压敏电阻围绕圆形膜片边缘对称布置，如图2b所示。当膜片受到压力负载时，压敏电阻的应变发生变化，导致阻值发生变化。压敏电阻之间的电连接通过惠斯通电桥实现，如图2d所示。

传感器芯片的基本概念设计。绿色透明4H-SiC晶圆。 b传感器芯片结构示意图。 c A-A'剖面图。 d惠斯登电桥连接

图3显示了所制造芯片的详细信息。在4英寸4H-SiC晶圆上制作了数百个传感器芯片，单个芯片尺寸为3 mm×3 mm×180 μm，敏感膜片厚度为51 μm，与设计参数一致。表面敏感压敏电阻对称分布。传感器芯片后腔平整度高，保证了传感器输出的线性度和迟滞性。压敏电阻之间的电气模型如图3i的插图所示，测量的电流-电压特性是从欧姆接触获得的。

a在一块 4 英寸 SiC 晶圆内制造的 SiC 压阻式压力传感器芯片。 b SiC压阻式压力传感器芯片单元及外形尺寸。 c芯片上压敏电阻排列的 SEM 微观结构。 d 、 e敏感膜片后腔的 SEM 微观结构。 f压敏电阻器的放大 SEM 微观结构。 g芯片截面SEM图（可观察测量敏感膜片厚度）。 h欧姆接触区金属层的SEM微观结构。 i金属/SiC欧姆接触电学等效模型及不同温度退火后的I - V特性

4H-SiC压敏电阻的温度效应

半导体电阻随温度的变化被认为是材料的电阻温度效应，电阻温度系数（TCR）用于定量评估这种效应的显着性41 。本文通过测量n型重掺杂4H-SiC在高温下的电阻值来确定SiC压敏电阻的电阻值变化与温度之间的关系。

当将电阻温度效应应用于热传感器等器件的制造时，希望通过在温度变化时尽可能改变电阻值来实现更高的温度分辨率。然而，对于碳化硅压阻式高温压力传感器来说，温度引起的电阻变化并不是恒定的，这会导致输出电压出现温度漂移，需要避免并最小化这种温度漂移，以确保传感器在宽温度范围内的性能。为了研究温度对片式压敏电阻的影响，不同温度下片式压敏电阻值的变化如图4所示。如图所示，芯片的金属焊盘编号为1到4，这些金属焊盘之间跨闭环惠斯通电桥有6个电阻值，分别是R12、R13、R14、R23、R24和R34。记录所有六个电阻值，以准确监测电阻的变化。当温度低于室温时，随着温度的降低，电阻逐渐增大。然而，当温度高于室温时，电阻的变化不是单调的。当温度在100～200℃之间时，电阻值首先下降，之后电阻值继续增加。此外，使用二次多项式拟合来确定电阻值增加和减少的临界温度拐点。对于六组电阻曲线，获得电阻上升和下降的温度拐点为200、225、245、160、220和185℃。去除最高和最低温度后，温度拐点的平均值为207.5℃。电阻的非线性变化反映了高温下掺杂半导体压阻内部的微观变化，这可能导致传感器输出灵敏度的变化。对于传感器性能，电阻温度系数 (TCR) 定义为

4H-SiC 压敏电阻的温度效应。 a不同温度下传感器芯片上四个金属焊盘压敏电阻阻值的变化。 b电阻温度系数（TCR）。 c不同温度下载流子的微观运动机制。在一定温度区间（低温），掺杂杂质电离产生载流子，随着温度升高，载流子浓度增加，杂质散射效应减弱，电导率增加。当温度升高（中温）时，杂质电离达到饱和，此时载流子浓度不再变化，晶格振动散射成为影响载流子迁移率的主要因素，强烈的晶格振动使载流子迁移率降低，导致载流子迁移率下降。电导率下降。随着温度进一步升高（高温），晶格振动继续作用，但本征激发会使载流子浓度迅速上升，效果更加显着。综合效应体现在电导率的提高，也接近半导体器件温度的极限

TCR不仅反映电阻随温度变化的趋势和变化，还可以用来定量评估电阻对温度漂移的依赖性。根据惠斯通电桥的串并联关系，电阻值R13和R24理论上等于单个桥臂的压敏电阻阻值。表2计算了不同温度下桥臂电阻值R13的TCR值。图4b中的实验结果表明，在低于300℃的温度下出现负TCR。TCR 值在 0 °C 附近达到负最大值 (−2092 ppm/°C)。这意味着在这个温度点，电阻值完全受到温度的影响，并且变化很快。在 300 °C 时，正 TCR 低至 41.324 ppm/°C，其次是高温下的正 TCR 值。在100~450℃温度范围内，TCR值虽然经历了由负值到正值的变化，但整体表现出较好的线性，且不同电阻之间的TCR值差异较小。在450℃时，TCR最大值仅为899.33ppm/℃，表明在450℃以下，阻值变化更加稳定和规律，意味着传感器芯片输出性能更加稳定。当温度超过450℃时，TCR值开始表现出明显的变异性，而在500℃时，TCR超过1000ppm/℃，表明传感器的输出可能会出现明显波动。事实上，TCR值不仅受温度影响，还与SiC压阻层的掺杂浓度和类型有关。对于未掺杂和轻掺杂（小于1e18 cm -3 ）4H-SiC，TCR值高达7600 ppm/°C 34 ，并且掺杂浓度越高，电阻值的温度依赖性越弱，从而表现出TCR 值较小。在Alexander A. Ned 42的结果中，对于掺杂浓度为2e19 cm - 3 的6H-SiC，100℃下n型和p型电阻对应的TCR值为-2400和-7400 ppm/ °C，随着温度升高到 250 °C，TCR 值显着下降（尽管仍然为负值）。奥克杰等人。 43证明压阻式 SiC 压力传感器的输出灵敏度在 300 °C 附近出现一个波谷，随后随着温度的升高灵敏度出现反弹的趋势。这种有趣的现象可能是由于封装引起的热应力变形，需要进一步研究。

表2 R13在不同温度下的TCR

通过测量n型掺杂4H-SiC在高温下的电阻值，发现了电阻与温度的变化关系。随着温度的升高，电阻首先下降，直到温度达到207.5℃，之后又逐渐增加回到室温下的原始电阻。当温度超过300℃时，电阻大于原值并继续增大。这从根本上解释了压阻式SiC压力传感器灵敏度输出的变化，可能与压敏电阻阻值的变化密切相关。此外，高掺杂n型4H-SiC随温度变化的非线性变化的内部因素值得研究。

根据半导体物理理论44 ，掺杂杂质半导体的电导率σ满足以下关系 σ=𝑛𝑞𝜇𝑛+𝑛𝑞𝜇𝑝 ，其中n是载流子浓度， μ是载流子迁移率。这种关系意味着半导体的电导率取决于载流子的浓度分布及其迁移率的大小。在恒定温度下，理想载流子在外部电场的作用下不断加速。事实上，这些载流子在自由运动过程中不断与振动的晶格原子或杂质离子碰撞，改变了原有的速度大小和方向，从而使周期性势场被破坏。这种碰撞归因于散射效应，包括晶格振动散射、电离杂质散射和层间散射等机制，并且可以看出这些散射效应阻碍载流子运动。不同温度下载体的微观运动机制如图4c所示。在一定温度区间（如低温），掺杂杂质电离产生载流子，随着温度升高，载流子浓度增加，杂质散射效应减弱，电导率增加。当温度升高（中温）时，杂质电离饱和，此时载流子浓度不再变化。晶格振动散射成为影响载流子迁移率的主要因素，强烈的晶格振动会降低载流子迁移率，导致电导率下降。随着温度进一步升高（高温），晶格振动继续作用，但本征激发导致载流子浓度迅速上升，这种效应变得更加显着。这种现象体现在电导率的增加上，电导率也接近半导体器件在该温度范围内的极限。

从以上分析可以看出，电导率随温度的变化是一个受载流子浓度和迁移率影响的复杂的相互作用过程。由于电阻率和电导率存在倒数关系，因此该模型解释了电导率先下降后上升的实验现象。上述模型阐明了4H-SiC压阻随温度变化的机理，为进一步利用压阻效应开发各种传感器件奠定了理论基础。另外，通过TCR值34、42、43的对比，根据测试结果，压敏电阻的阻值在450℃以下稳定且在小范围内波动，且4H-SiC压敏电阻的TCR值较小。。这两个显着优势意味着4H-SiC的压阻效应受高温影响较小。因此，对4H-SiC压阻特性的全面、系统的研究对于后续4H-SiC压阻压力传感器的设计具有重要作用。

压力传感器芯片的输出特性

传统的压力传感器性能测量是通过静态单点压力测试的方式进行的。这包括缺乏反映实时传感器压力反馈的功能。另外，对于150℃以上的高温压力测量，很少有实时、多次重复的压力测试结果。因此，目前很难寻找评价压力传感器高温静态性能的标准。因此，在这项工作中，首次报道了碳化硅高温压力传感器在宽温度范围内的实时可重复性测量。首先，这个结果可以证明SiC传感器在高温下的可重复性。其次，这意味着该传感器不仅在实验室原型测试阶段，而且在直接应用于实际工程测量时都具有稳定的工作特性。我们研究了传感器芯片在 -50 至 300 °C（-50、0、25、100、200 和 300 °C）之间六个关键温度点的静水压输出，将传感器在每个温度点保持 1.5 小时，等待输出电压稳定后再进行测试。值得注意的是，数据采集系统嵌入在控制PC中，对传感器在高温下进行完整的重复性测试。计算输出特性，例如高温下的磁滞和线性度，以证明该传感器的有价值的工程应用（尽管在以前的研究中很少提出）。

图5a显示了传感器的满量程输出 (FSO) 特性。传感器在满量程负载下保持 2 分钟，卸载后在零负载下保持 3 分钟。宏观观察输出曲线，传感器在室温下的FSO约为31.8 mV，计算出灵敏度为3.18 mV/V/MPa。除了FSO特性之外，图5b还显示了传感器芯片在正向加载和反向卸载行程中逐渐加压期间的测试结果，每个负载的维持压力加载时间为50秒。数据反映了传感器的重复性和迟滞特性。表3列出了计算得出的传感器在室温（25℃）、低温（−50℃）和高温（300℃）下的主要性能特征，室温下传感器精度达到0.56%FS。低温下的性能下降比高温下的性能下降要好。总体而言，传感器具有较小的迟滞。

输出特性和高温重复性测试。 a满量程输出。（对于各温度点的循环测量曲线，右上角给出了压力达到2MPa时的满量程稳态输出的放大图。同样，压力达到2MPa后的稳态输出的放大图卸载显示在右下角。这样做是为了观察输出的细微变化。） b正向加载和反向卸载的传感器输出。

表3 传感器芯片的输出特性

传感器在各个温度点的重复性和稳定性都很好，达到300℃的高温后，稳态时芯片的输出有很小的漂移。我们还提供了满量程和零压力状态下输出曲线的详细图，这表明总体输出波动很小。在压力加载和卸载的瞬间，由于压力控制器的手动操作，曲线在压力变化的拐点处出现毛刺。这种毛刺是由于手动操作失误造成的，反映了传感器对压力负载的敏感响应。输出结果表明，传感器的满量程输出FSO随着温度的升高而降低。在-50℃时，FSO较室温提高了2mV，相应的灵敏度提高到3.38mV/V/MPa。相反，在300℃时，FSO下降7.8mV，此时灵敏度为2.4mV/V/MPa。图6b显示了传感器芯片在不同温度点的灵敏度变化，可以计算出传感器在低温（-50℃）和高温（300℃）下的灵敏度温度系数（TCS），TCS值为分别为-0.073% FS/°C 和-0.067% FS/°C。与Si基压力传感器45、46相比，该传感器的小TCS以及其他报道的SiC 34、42上的传感器性能表明其优异的高温稳定性。对于高温传感器来说，传感器的零位会随着温度的变化而发生漂移，这是评价高温稳定性的重要指标。图6a显示了传感器在不同温度下的零漂直方图。传感器在-50℃和300℃时的零漂分别为-0.45%FS/℃和-0.037%FS/℃。该传感器在高温下零漂小也暗示了其在高温领域的潜在应用。

a不同温度下的满量程输出直方图和零压输出变化曲线。 b灵敏度与温度的关系曲线。 c , d分别为两个芯片浸入H 2 SO 4 (pH = 1.05) 和NaOH (pH = 12.52) 溶液时的电阻值。 e传感器被工业CT照射的示意图。 f X射线照射后的电阻值和零输出变化

值得注意的是，通过仿真，所设计传感器的FSO理论值为32.45 mV，略大于测量值（31.8 mV）。由于结构优化设计时考虑了4H-SiC的各向异性杨氏弹性模量，因此理论设计值与实测值相当接近。然而，传感器芯片制造过程中的工艺误差会影响传感器芯片的最终测试性能。对于本工作设计的4H-SiC压阻式压力传感器芯片，重要的工艺之一是隔膜蚀刻。由于4H-SiC具有较大的弹性模量，并且在室温下不与任何酸或碱发生化学反应，因此它是一种硬而脆的单晶材料，难以加工2 。因此，在4H-SiC干法刻蚀工艺中，隔膜的刻蚀厚度应尽可能接近设计厚度。但实际蚀刻速率的控制取决于蚀刻机的精度（包括气体流量和功率）。为了保证4H-SiC隔膜在后续压力负载下重复测试中的可靠性，我们一般都比较保守，使得蚀刻后的隔膜厚度略大于设计值（而不是冒过度蚀刻的风险）。在这项工作中，测量的隔膜厚度（约51.5μm）略大于设计值（51μm），这个误差很可能是测试与仿真结果偏差的主要原因。因此，更高精度的工艺技术将促进传感器更好的性能。

恶劣的工况条件下，除了高温挑战外，还有酸性或碱性气体气氛，与水发生反应，产生酸性或碱性恶劣环境。为了评价传感器承受酸性和碱性恶劣环境的能力，将传感器芯片浸入pH值为1.05的H 2 SO 4溶液和pH值为12.52的NaOH溶液中60 h，每12小时测量一次电阻值。与图4a中的电阻命名法一致，图6c中记录了四个金属焊盘之间的六个电阻值。随着浸泡时间的增加，电阻值呈现出较小的增量变化；当达到第60小时时，在H 2 SO 4溶液中电阻值增加了1.398%，在NaOH溶液中电阻值增加了0.343%，验证了芯片对腐蚀环境具有较高的耐受性。此外，为了研究辐射对传感器性能的影响，在工业CT室中对传感器进行辐照，如图6e所示。X射线源电压为80 kV，电流为62.5 μA，照射功率为5 W，共照射5次，每次10 min，照射后测量传感器芯片的电阻值为以及零输出时的情况，如图6f所示。传感器电阻值最大波动为0.125%，传感器零输出最大变化为1.93%。X射线辐射广泛存在于恶劣的工业环境中，波长极短、能量高的电磁波很容易干扰传感器设备，使监测信号失真。上述实验结果验证了我们的SiC衬底压阻式压力传感器不仅可以在高温环境下测量压力，而且可以承受腐蚀环境和抵抗电磁辐射的影响。

表4总结了本研究与其他公开报道的结果之间的比较。首次对SiC压力传感器进行了高温下的多次重复加载测试，获得了更广泛的性能指标，对实际工程应用具有深远意义。而且，由于深入研究了n型4H-SiC的压阻效应，并进行了详细的传感器优化，因此传感器的灵敏度很高。事实上，图4所示的压敏电阻温度特性研究表明，传感器芯片可以在空气中 500 °C 的温度下工作。然而，受限于传感器封装的高温性能，本研究中的有效重复性测试在高达300°C的温度下进行。未来，除了进一步提高传感器性能外，还将设计高温封装，以实现更高温度的重复性测试和性能验证。

表4 不同传感器的性能总结及比较

方法

芯片尺寸的各向异性数值计算

为了精确设计压阻式SiC压力传感器芯片的关键尺寸，我们将变形敏感隔膜部分视为薄夹板，如图7a所示。根据Tymosinko薄板理论47 ，可以获得传感器尺寸设计的两个主要原则。首先，膜片在均匀的压力载荷作用下发生弯曲变形，最大变形应满足小挠曲变形类别，这意味着膜片上的最大弯曲位移应小于膜片总厚度的5%。其次，弯曲和应变导致膜片表面应力分布不同，应保证最大应力小于4H-SiC材料破坏应力极限的95%。上述理论设计模型是根据4H-SiC的各向同性弹性特性参数和传感器芯片的膜片厚度、直径等关键尺寸参数推导和计算的，可以针对不同的压力负载范围进行初步计算。相关的计算理论已在我们之前的工作中详细阐述47 。晶体分析表明，4H-SiC属于六方晶系，空间点群为P6/3m，其晶体沿不同方向的应力应变关系表示为6×6对称矩阵方程47 , 48 。在压力变形的4H-SiC芯片基板中，材料弹性特性呈现各向异性。因此，根据理论计算设计的传感器的性能参数与实验测试得到的性能参数相比会存在误差，需要通过精确考虑材料的各向异性响应来进一步优化传感器的详细尺寸。

芯片尺寸的各向异性数值计算。 a圆形膜片在压力载荷作用下的变形和膜片边缘的应力（包括径向应力A和切向应力B）。 b 、 c圆形SiC敏感膜片的表面应力和位移分布。 d , e不同尺寸下圆形SiC膜片表面不同位置的应力和位移值。 f敏感膜片半径和厚度全面优化。 g , j两种压敏电阻排列（圆周排列和径向排列）对应的电位分布和电流矢量图。 h , i , k , l压敏电阻位于膜片上不同位置时传感器满量程输出的仿真结果

隔膜在压力下的变形对于传感器的灵敏度设计尤为重要。当基板材料确定后，影响膜片变形的主要参数是膜片半径a和厚度h。因此，为了获得更高的灵敏度，可以增加隔膜半径，并且可以减小隔膜厚度。但在实际的传感器芯片制造中，考虑到原始SiC晶圆的利用率以及传感器封装和测试空间的尺寸限制，认为晶圆利用率越高，整体尺寸越小越好传感器的。因此，隔膜尺寸不能无限大。为此，为了更准确地逼近真实变形，利用COMSOL软件建立了基于各向异性材料特性的4H-SiC压阻式压力传感器芯片的等效结构优化模型，如图7所示。通过数值计算，可以获得不同压力载荷下膜片上的最大应力和位移。图7d显示了片式隔膜在压缩变形后的应力分布，结果表明，对于圆形隔膜，最大应力出现在隔膜的边缘处。膜片的半径越大、厚度越薄，膜片上的应力应变就越大。图7e为振膜变形位移的计算结果，可以观察到振膜中心处的变形位移最大。图7f显示了膜上最大应力和位移的复合优化结果。对于设计的2 MPa芯片，当芯片膜片半径a为900 μm、厚度h为51 μm时，膜片上的应力达到最大，膜片变形不超过总厚度的5%，这不仅实现了最高的芯片灵敏度同时也保证振膜始终处于线性变形阶段。这是针对2 MPa SiC压力芯片的优化尺寸设计。

除了隔膜的尺寸之外，压阻布置方案还影响传感器47的灵敏度。基于上述4H-SiC压阻效应研究结果，研究了不同压阻布置位置对传感器输出灵敏度的影响，得到了优化的压阻布置方案。根据图7d中的膜片应力分布，圆形膜片边缘附近的应力最高，圆形膜片中心附近的应力大于其他位置。基于此，压阻布置方案的优化计算包括两个步骤。第一步是压阻布置方案的设计，主要体现在图7j和g中。第二步是确定每种布置方案中压敏电阻与膜片中心之间的最佳距离，主要体现在图7 h，i和k，l中。图7j示出了压阻环绕布置方案，四组压敏电阻对称布置在圆形膜片的边缘。当受到应变时，两组径向排列的压敏电阻在圆形膜片的径向上受到应变。当施加电场时，电流方向变得与应变方向平行。本案例主要利用4H-SiC的纵向压阻效应，另外两组切向排列的压敏电阻承受沿膜片径向方向的应变方向；因此，电流方向垂直于应变方向，这利用了4H-SiC的横向压阻效应。对传感器芯片施加2 MPa的压力负载，图7h、k中的芯片输出比较结果表明，与压敏电阻径向排列相比，当压敏电阻排列在其他压敏电阻周围时，这种排列方式保证了更高的灵敏度，因为前一种情况更好地利用了4H-SiC的横向压阻效应。图7h中的计算结果表明压敏电阻位置对芯片输出有显着影响，需要进行详细研究以更好地探索这一现象。

图7i中三组的比较表明，使用横向压阻效应时，改变压敏电阻的位置对使用纵向压阻效应时传感器的输出有显着影响，这与使用纵向压阻效应时得到的结论是一致的。4H-SiC压阻效应研究图7g示出了压敏电阻的径向布置方案，其中两组压敏电阻径向地位于膜片的边缘，另外两组也径向地布置但位于圆形膜片的中心。随着膜片变形，四组压敏电阻承受平行的应变和电流方向，仅考虑4H-SiC的纵向压阻效应。在这种情况下，当压敏电阻更接近边缘最大应力的位置时，输出灵敏度更大。通过上述系统研究，对压敏电阻的排列方案和位置进行了详细优化，保证了4H-SiC压阻传感器芯片在设计阶段的高灵敏度。

压力传感器芯片的制作

在4H-SiC压阻式压力传感器芯片的制造过程中，最困难的加工包括两个方面。首先，由于4H-SiC较硬，常温下不与酸碱发生反应，Si工艺中常用的湿法刻蚀方法不适用于4H-SiC 49 ，因此敏感膜片的形成主要采用干等离子体蚀刻。相关研究表明，干法刻蚀具有质量高的优点，通过添加合适的氧气，可以及时去除刻蚀产生的产物，显着提高刻蚀率。其次，作为芯片信号与外部器件之间的连接点，欧姆接触几乎存在于所有传感器器件中，包括那些采用硅衬底的传感器器件。凭借其小的禁带带宽和合适的功函数50、51 ，Si已被证明能够相对容易地与传统金属形成线性电流-电压特性（欧姆特性）。然而，与Si相比，4H-SiC作为宽带隙半导体具有较大的4.95eV功函数52 ，这导致金属-SiC欧姆接触界面处的肖特基势垒较高。因此，电流-电压欧姆接触特性的形成成为限制一系列4H-SiC电子应用（包括4H-SiC压力传感器）的主要挑战。此外，所使用的金属组合必须能够承受超过500℃的高温条件，这使得SiC欧姆接触成为限制SiC器件发展的重要挑战。在此基础上，采用镍基4H-SiC欧姆接触和Ta基耐高温阻挡层的多层金属组合来形成高温SiC欧姆接触和引线层，克服了加工挑战。

图8显示了传感器芯片制造的完整工艺流程。(a)首先将4H-SiC晶片浸入H 2 SO 4和H 2 O 2 2 :1的混合溶液中，在100℃下浸泡10分钟，以去除表面的有机杂质。然后，使用稀释的HF溶液去除氧化物。之后，在70-75℃下NH 4 OH:H 2 O 2 :H 2 O=1:1:5的碱性混合溶液和HCl:H 2 O 2 :H 2 O=1:1:8的酸性溶液连续使用°C去除晶片表面上可能存在的金属元素。最后用去离子水冲洗晶圆数次，使晶圆表面清洁。(b) 将 3 μm 厚的 AZ4620 光刻胶涂覆在 4H-SiC 外延片的背面（C 面）上，并通过光刻图案形成敏感膜片图案。光刻机型号为ABM6/350NAV13SV/M。(c) 通过磁控溅射和电镀在图案化敏感膜片外部区域生长镍层。(d)采用电感耦合等离子体蚀刻(ICP)来形成敏感膜片。蚀刻工艺参数为800W RF功率、CF 4 : O 2 = 4:1蚀刻气体流量、2400W源功率以及约1200nm/min的蚀刻速率。（e）将8μm厚的AZ4620光刻胶涂覆在4H-SiC外延片的n型外延层（Si侧）上，并通过光刻图案形成压敏电阻图案。(f) ICP浅刻蚀去除n型压敏电阻区域之外的多余材料，形成厚度为2μm的压敏电阻。(g)通过ORION III型等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在压敏电阻表面上沉积300nm厚的SiO 2层，用于金属层和基底之间的电绝缘。(h) AZ4620光刻胶再次涂覆在表面上并图案化以形成欧姆接触窗。(i)使用BOE溶液蚀刻多余的SiO 2以打开欧姆接触窗。(j)使用DISCOVERY635型磁控溅射机将Ni(75nm厚)磁控溅射到晶片的正面。然后，通过剥离工艺形成欧姆接触电极。(k)进行1000℃、120s、N 2气氛高温快速热退火(RTA)形成Ni/SiC电欧姆接触，RTA炉类型为RTP-100 UniTemp。(l)将Ta基多层金属组合TaSi 2 /Pt/Au溅射并图案化，形成金属引线层，实现芯片与外界的电连接，并覆盖和保护欧姆接触层。(m) UVCS-15X型激光切割用于将晶圆切割成单独的单元传感器芯片。

芯片制造的完整工艺流程。 a使用标准 RCA 程序清洁晶圆。 b敏感膜片图案的光刻图案。 c电镀掩蔽镍层。 d对敏感膜片后腔进行深度干法蚀刻。 e敏感压敏电阻图案的光刻图案。 f敏感压敏电阻的干法蚀刻。 g SiO 2层的PECVD。 h欧姆接触区域的光刻图案。 i打开欧姆接触窗口。 j 溅射镍金属层并剥离。 k快速热退火。 l形成金属引线层

测量设置

对于SiC高温压力传感器器件的实验，除了传感器芯片本身之外，静压校准测试平台的搭建尤为重要。与Si基压力传感器测试平台不同，SiC高温压力传感器测试平台面临更多限制。最关键的要求是封装和测试中的所有材料和设备，除了能够承受特定范围的压力负载外，还必须能够承受高温负载。针对这一问题，搭建了压力范围为6 MPa的高温压力测试系统，如图9a 、 b所示。该系统由压力范围为6 MPa的PDQ-G6M型活塞气压计、50 L氮气瓶、不锈钢先导管、高温炉、Keithley 34460 A欧姆计和Keithley 2400源组成仪表。具体地，如图9c所示，将压阻式SiC压力传感器芯片封装在可伐合金芯中，然后通过金属不锈钢封装夹具将整体固定到位，形成密封的压力空间。传感器通过压力导入管与压力控制器连接，形成压力流道。测试时，将封装好的传感器探头放置在高低温炉中，传感器芯片的差分电压信号通过高温电线输出到外部欧姆表，传感器惠斯通电桥由直流电源供电。5V电压源。

实验平台。 a压阻式高温压力传感器闭环测试平台示意图。 b压阻式高温压力传感器实验系统。 c传感器芯片的高温封装细节