2024年3月14日发(作者：渠梦菲)
２０２１年
第３期
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
仪表技术与传感器
２０２１
Ｎｏ．３
基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究
梁 庭，贾传令，李 强，王心心，李永伟，雷 程
（中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 ０３００５１）
摘要：针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境（≥５００℃）下测试需求的问题，设计
并制备了一种基于碳化硅（ＳｉＣ）材料的电容式高温压力传感器。利用ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺实
现了气密性良好的敏感绝压腔结构，结合金属沉积、金属图形化等ＭＥＭＳ工艺制备了感压敏感芯片。
搭建了压力
－
温度复合测试平台，完成了传感器在０～６００℃环境下压力
－
电容响应特性的测试。测试
结果表明，在０～３００ｋＰａ内，该传感器灵敏度为４．５１
×
１０
－
３
ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％；同时测试结果
也表明该传感器的温度漂移效应较低，０～６００℃环境下电容变化量为８．５０～８．６５ｐＦ。
关键词：微机电系统；碳化硅；电容式高温压力传感器；直接键合
中图分类号：ＴＮ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２
－
１８４１（２０２１）０３
－
０００１
－
０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣａｐａｃｉｔｉｖｅＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＳｉＣ
（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｖｉｃｅｄｉｄｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅ⁃
ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（≥５００℃），ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎ
ｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄ．ＴｈｅＩＣＰｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ
ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｓｕｃｈａｓｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓ⁃
ａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｏｏｄａｉｒｔｉｇｈｔｎｅｓｓ，ａｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇＭＥＭＳ
ｓｕｒｅ⁃ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔ０～６００℃．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｓ
ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｌｏｗａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｉｓ８．５０～８．６５ｐＦａｔ０～６００℃．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ＳｉＣ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇ
ＬＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＪＩＡＣｈｕａｎ⁃ｌｉｎｇ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｎ⁃ｘｉｎ，ＬＩＹｏｎｇ⁃ｗｅｉ，ＬＥＩＣｈｅｎｇ
４．５１
×
１０
－
３
ｐｆ／ｋＰａａｎｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｉｓ２．８３％ａｔ０～３００ｋＰａ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｐｒｏｖｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔ
０ 引言
高温压力传感器广泛应用于深空探测、航空航
天、大飞机和涡轮式发动机等许多国家重大工程和民
用工程
［１］
。目前硅基压力传感器应用较多，但由于在
超过５００℃环境下硅材料易氧化、易腐蚀且发生塑性
变形限制了其进一步高温应用
［２
－
３］
。近年来，基于新
ＳｉＣ材料具有抗辐射、耐化学腐蚀、高热导率、高硬度
和弹性模量等特性成为制作高温、高频等ＭＥＭＳ器件
的理想材料
［４］
。压力传感器的工作原理主要有压阻
基金项目：山西省重点研发计划项目（２０１９０３Ｄ１２１１２３）；山西省
自然科学基金项目（２０１８０１Ｄ１２１１５７，２０１８０１Ｄ２２１２０３）；高等学
校科技创新项目（１８１０６００１０８ＭＺ）；重点实验室基金
（６１４２００１１９０４１４）；２０２０年中央引导地方科技发展资金自由探
索类项目（Ｚ１３５０５０００９０１７）
收稿日期：２０２０
－
０２
－
２６
式和电容式，压阻式一般对工作温度较为敏感，且需
要温度补偿，而电容式压力传感器受温度影响较小，
因此本文提出一种基于ＳｉＣ材料的电容式耐高温压力
传感器，采用变间距式结构，具有灵敏度高及低非线
１ 工作原理与结构设计
１．１ 工作原理
本实验制备了电极板裸露在电容腔外部的变间
距式的电容式压力传感器，其结构如图１所示。
性等优点
［５
－
６］
。
材料、新结构的高温压力传感器成为新的研究方向。
图１ 变间距式电容压力传感器结构图
２ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
当传感器下极板的位置不发生变化，上极板受到
Ｍａｒ．２０２１
背面减薄到１５０μｍ，清洗后旋涂ＡＺ５２１４光刻胶，在
ＳｉＣ正面进行光刻，胶厚度控制在２μｍ左右；接着溅
射５００ｎｍ的金属镍，通过剥离工艺打开刻蚀窗口；利
用ＩＣＰ刻蚀ＳｉＣ１０μｍ，使用稀硝酸腐蚀多余的镍掩膜
得到电容空腔，上述的工艺加工完成了电容结构的空
腔制备，具体工艺流程如图２（１）～（６）所示。接着在
碳化硅背面进行深刻蚀，从而完成压力敏感膜片的制
备。由于需要进行深刻蚀工艺，而常规的金属溅射和
蒸发工艺无法为ＳｉＣ的深刻蚀提供足够厚的掩膜层，
本文采用了溅射和电镀工艺制备较厚的金属掩膜层，
外界压力时，使两极板间距ｔ
ｇ
改变，从而使电容值发
生变化
［７］
。传感器初始电容Ｃ
０
的计算如式（１）所示：
Ｃ
０
＝
４ε
０
ａ
２
ε
ｒ
ｔ
ｇ
＋
ｔ
ｍ１
＋
ｔ
ｍ２
（１）
式中：ｔ
ｇ
为电容腔间距；ａ为正方形敏感膜边长；ε
０
为
敏感膜材料（ＳｉＣ）介电常数，ε
０
＝
８．８５４１８７８１７
×
１０
－
１２
Ｆ／ｍ；ε
ｒ
为真空介电常数；ｔ
ｍ１
为电容腔顶部距上极板
厚度；ｔ。
１．２ 结构设计
ｍ２
为电容腔底部距下极板间厚度
本文针对电容式高温压力传感器的敏感膜片和
电容腔结构进行设计。为了使传感器工作在更宽的
线性输出区域，一般要求敏感膜片的最大挠度小于膜
厚的１／５，同时还应满足敏感薄膜表面最大应力差小
于ＳｉＣ的破坏应力的１／５。综合上述考虑，敏感膜厚
约束如式（２）所示：
ì
ï
ï
ω
４
ｍａｘ
＝
０．０１３８ｐａ
í
Ｅｔ
３
＜
ï
ï
î
ｍａｘ（｜σ
ｘ
－
σ
ｙ
｜）
＝
０
５
ｔ
．３０８
ｔ
２
ｐａ
４
≤
σ
ｍ
（２）
式中：ω
５
ｍａｘ
为敏感膜片的最大变形量；σ
ｘ
、σ
ｙ
分别为横
向应力与纵向应力；ｔ为敏感膜厚；敏感膜片边长
ａ
＝
３０００μｍ；量程ｐ
＝
３００ｋＰａ；杨氏模量Ｅ
＝
４５３．５ＧＰａ；
屈服强度σ
ｍ
综合上述两个计算得到敏感膜厚的范
＝
２１ＧＰａ。
围为ｔ＞
感膜厚
４３．８５μｍ
ｔ
＝
，
４５
并结合本实验室的
μｍ。
ＭＥＭＳ加工条件，取敏
为了提高传感器的灵敏度，尽可能增大传感器的
初始电容值，由式（１）可知，在电容极板厚度和结构相
对介电常数确定及相同的外界压力的情况下，灵敏度
与ｔ
灵敏度
ｇ
成反比，可见通过减小电容间距可以提高传感器
。结合工艺条件，设计电容极板间距为１０μｍ，
即电容空腔深度为１０μｍ。
由以上设计可知，敏感膜片整体厚度为５５μｍ，且初
始电容值Ｃ
脆且易碎，采用晶圆减薄工艺难以实现上述敏感膜片的
０
＝
６．０５ｐＦ。由于５５μｍ厚度的ＳｉＣ晶片非常
制备。为使敏感膜片变得更加结实且保证敏感膜片厚
度，本实验采用晶圆背面深刻蚀工艺。
２ 碳化硅电容式高温压力传感器制备
为了提高传感器的灵敏度，敏感芯片采用导电型
的碳化硅晶圆和半绝缘型碳化硅晶圆相结合制备而
成，具体工艺流程如图２所示。首先将４Ｈ
－
ＳｉＣ晶圆
首先溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做粘附层和５０ｎｍ的Ａｕ做种子
层，然后电镀５μｍ左右的金属Ｎｉ做掩膜层，然后利
用ＩＣＰ对碳化硅进行深刻蚀９５μｍ，深腔刻蚀的ＳＥＭ
如图３（ａ）所示，腐蚀掉剩余的Ｎｉ掩膜以及底层的Ａｕ
和金属Ｔｉ，得到碳化硅感压敏感芯片，具体工艺流程
如图２（７）～（１５）所示，敏感芯片实物如图３（ｂ）所示。
图２ 敏感芯片及电容结构制备工艺流程图
为了制备键合强度高、密封性好的电容结构，本
文采用直接键合工艺，ＲＣＡ清洗去除表面颗粒，然后
在１３００℃、４ＭＰａ压力下完成键合
［９
－
１０］
所示。随后完成电容结构的上电极极板制作
，如图
，
２（１６）
首先，
溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做金属粘附层，接着溅射４００ｎｍ的
Ａｕ
图２（１７）
做金属极板
～（１８）
，完成后续的极板图形化
所示，电容键合结构如图
，
３（ｄ）
工艺流程如
所示。
为了方便后续的测试实验，传感器采用陶瓷和耐
热金属２种材料相结合进行封装
［１１］
料将芯片下极板安装在具有金属图形层的陶瓷底板
，利用高温导电浆
第３期梁庭等：基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究
３
上，然后加热固化。芯片电极与外部的互连采用引线
键合技术，芯片的外壳封装采用金属壳封装，封装后
的传感器实物如图３（ｃ）所示。
的不同压力下的电容值，其测试结果如图５所示，曲线
表示随着气压增大时，传感器电容增大，并且在０～
３００ｋＰａ内，传感器具有良好的响应，电容与压力成近
图３ 电容压力传感器关键工艺图
３ 测试
３．１ 测试系统介绍
为检验研制的电容式高温压力传感器的性能，搭
建了相应的检测平台，其中初始电容利用探针台探针
分别接触传感器的上下极板，然后利用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ的
４２００
常温压力测试平台由压力控制系统
－
ＳＣＳ半导体特性分析系统完成初始电容值测试
，Ａｇｉｌｅｎｔ的４２８２Ａ
；
阻抗分析仪构成如图４（ａ）所示；由自研的真空压力炉
提供高温环境下的测试实验，测试时电容式压力传感
器置于炉腔，通过耐高温导线与外部４２８２Ａ相连接，
如图４（ｂ）所示。
图４ 压力传感器测试系统
３．２ 常温压力测试
经过对样品的测试分析，得到该传感器芯片的初
始电容值Ｃ
初始电容值
０
Ｃ
＝
８．５０ｐＦ，通过封装后的压力传感器整体
现，实际测试值大于理论电容值
０
＝
１３．１５ｐＦ。通过与理论电容值对比发
。
在常温下，测试了０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００ｋＰａ
似线性关系，通过计算，得到该传感器的灵敏度可以
达到４．５１
×
１０
－
３
ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％。
图５ 传感器电容与压力的关系图（常温）
在常压下，从常温开始逐渐升温至６００℃，其中，
每隔１００℃为测试节点，包括２０、１００、２００、３００、４００、
５００、６００℃
后，开始进行降温测试
，每个节点保持
，重新进行测试实验
１０ｍｉｎ，当完成６００
，其测试结
℃测试
果如图６所示。从该曲线可以看出，随着温度的升高，
传感器芯片的电容值缓慢增大，在２０～６００℃的范围
内，电容变化量为８．５０～８．６５ｐＦ。但相比于外界压力
对它的作用，在大气压下，由温度变化引起的电容变
化值几乎可以忽略不计，即该碳化硅高温压力传感器
的温度漂移效应较低。
图６ 传感器电容与温度的关系图（高温）
４ 结束语
本文在探索碳化硅ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工
艺的基础上制备了基于碳化硅材料的电容式高温压
力传感器。与目前常用的硅基压力传感器相比，基于
碳化硅材料的电容式压力传感器具有工作温度高、制
备方法简单等优势，同时也为≥５００℃工作环境下原
位压力测试需求提供技术参考。
参考文献：
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，２０１１．
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研制
陈勇
［Ｊ］．
，郭方方
仪表技术与传感器
，白晓弘，等．基于
，２０１４（６）：１０
ＳＯＩ技术高温压力传感器的
－
１２．
（下转第８页）
８ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
［Ｊ］．微纳电子技术，２０１７，５４（１１）：７７２
－
８０．
ｔｉｏｎ，２００７，３０６（３）：６９１
－
７１１．
技术大学，２０１１．
Ｍａｒ．２０２１
１．８μｍ的孔，其频率裂解及修调效率始终小于其他深
度的孔，这与上一节的结果相似。
孔的径向位置从里向外移动时，其频率裂解和修
调效率先增大后减小，但频率裂解和修调效率的最小
值始终在靠近球壳处。所以，对于小的频率解裂，可
以靠近陀螺内侧打孔修调，以使得同样的频率裂解下
去除的质量更多，加工较容易；对于大的频率裂解，可
以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到
修调要求，修调效率更高。
４ 结束语
硅微半球陀螺小而脆弱的谐振子导致修调难度
大，为确定需要合适的修调方法和工艺参数，本文介
绍了硅微半球陀螺频率裂解微孔修调方法。并通过
仿真分析了其工艺参数对频率裂解的影响规律。
结果表明应该在低频模态上打孔以减小频率裂
解。该方法下每去除１ｎｇ质量改变的频率裂解在２１
～３０Ｈｚ／ｎｇ之间。频率裂解对于各工艺参数变化较敏
感，若要使得频率裂解减小到理想值，修调的加工精
度需要在微米级甚至是亚微米级。
当需要修调的频率裂解较小时，即修调孔的体积
较小时，应优先使用深宽比较大的孔，并且孔的位置
应尽量靠近内壁。对于大的频率裂解，可以靠近外侧
打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，
修调效率更高。
参考文献：
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作者简介：胡友旺（１９８１—），教授，博士，主要研究方向为飞秒
激光微纳制造、集成光机电系统（ＭＯＥＭＳ）、微传感
器及其检测系统。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｙｗ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
钟宏民（１９９４—），硕士研究生，主要研究方向为陀螺
的频率裂解修调。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｈｏｎｇｍｉｎ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
（上接第３页）
［４］ 周继承，郑旭强，刘福．ＳｉＣ薄膜材料与器件最新研究进展
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［６］ 汪赟，郝秀春，蒋纬涵，等．基于ＳＯＮ构造的电容式绝对压力
［７］ ＷＵＦ，ＣＨＥＮＸＹ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｉｅ⁃
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，４３：１７５
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１８８．
社，２０１４：４６
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４９．
ｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅａｎｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．
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１１４．
ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＡｌｌ
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ＳｉＣｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．
［１０］ 李旺旺，梁庭，张迪雅，等．表面处理对碳化硅直接键合
的影响研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（７）：１２
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１４．
［１１］ 高岭，赵东亮．系统级封装用陶瓷基板材料研究进展和
作者简介：梁庭（１９７９—），博士，副教授，主要从事ＭＥＭＳ高温
压力传感器、微光学集成气体传感器、宽禁带半导体
传感器以及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究。
Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｔｉｎｇｎｕｃ＠１６３．ｃｏｍ．
Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｎｊｋ０８＠１６３．ｃｏｍ
李强（１９９５—），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ高温
压力传感器及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究。
Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ，２０１９（１０）：６３５．
［８］ 王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津：天津出版
［９］ ＭＵＦ，ＸＵＹ，ＳＨＩＮＳ，ｅｔａｌ．ＷａｆｅｒｂｏｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ
－
ＡｌＮａｔ
2024年3月14日发(作者：渠梦菲)
２０２１年
第３期
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
仪表技术与传感器
２０２１
Ｎｏ．３
基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究
梁 庭，贾传令，李 强，王心心，李永伟，雷 程
（中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 ０３００５１）
摘要：针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境（≥５００℃）下测试需求的问题，设计
并制备了一种基于碳化硅（ＳｉＣ）材料的电容式高温压力传感器。利用ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺实
现了气密性良好的敏感绝压腔结构，结合金属沉积、金属图形化等ＭＥＭＳ工艺制备了感压敏感芯片。
搭建了压力
－
温度复合测试平台，完成了传感器在０～６００℃环境下压力
－
电容响应特性的测试。测试
结果表明，在０～３００ｋＰａ内，该传感器灵敏度为４．５１
×
１０
－
３
ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％；同时测试结果
也表明该传感器的温度漂移效应较低，０～６００℃环境下电容变化量为８．５０～８．６５ｐＦ。
关键词：微机电系统；碳化硅；电容式高温压力传感器；直接键合
中图分类号：ＴＮ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２
－
１８４１（２０２１）０３
－
０００１
－
０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣａｐａｃｉｔｉｖｅＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＳｉＣ
（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｖｉｃｅｄｉｄｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅ⁃
ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（≥５００℃），ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎ
ｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄ．ＴｈｅＩＣＰｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ
ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｓｕｃｈａｓｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓ⁃
ａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｏｏｄａｉｒｔｉｇｈｔｎｅｓｓ，ａｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇＭＥＭＳ
ｓｕｒｅ⁃ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔ０～６００℃．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｓ
ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｌｏｗａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｉｓ８．５０～８．６５ｐＦａｔ０～６００℃．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ＳｉＣ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇ
ＬＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＪＩＡＣｈｕａｎ⁃ｌｉｎｇ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｎ⁃ｘｉｎ，ＬＩＹｏｎｇ⁃ｗｅｉ，ＬＥＩＣｈｅｎｇ
４．５１
×
１０
－
３
ｐｆ／ｋＰａａｎｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｉｓ２．８３％ａｔ０～３００ｋＰａ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｐｒｏｖｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔ
０ 引言
高温压力传感器广泛应用于深空探测、航空航
天、大飞机和涡轮式发动机等许多国家重大工程和民
用工程
［１］
。目前硅基压力传感器应用较多，但由于在
超过５００℃环境下硅材料易氧化、易腐蚀且发生塑性
变形限制了其进一步高温应用
［２
－
３］
。近年来，基于新
ＳｉＣ材料具有抗辐射、耐化学腐蚀、高热导率、高硬度
和弹性模量等特性成为制作高温、高频等ＭＥＭＳ器件
的理想材料
［４］
。压力传感器的工作原理主要有压阻
基金项目：山西省重点研发计划项目（２０１９０３Ｄ１２１１２３）；山西省
自然科学基金项目（２０１８０１Ｄ１２１１５７，２０１８０１Ｄ２２１２０３）；高等学
校科技创新项目（１８１０６００１０８ＭＺ）；重点实验室基金
（６１４２００１１９０４１４）；２０２０年中央引导地方科技发展资金自由探
索类项目（Ｚ１３５０５０００９０１７）
收稿日期：２０２０
－
０２
－
２６
式和电容式，压阻式一般对工作温度较为敏感，且需
要温度补偿，而电容式压力传感器受温度影响较小，
因此本文提出一种基于ＳｉＣ材料的电容式耐高温压力
传感器，采用变间距式结构，具有灵敏度高及低非线
１ 工作原理与结构设计
１．１ 工作原理
本实验制备了电极板裸露在电容腔外部的变间
距式的电容式压力传感器，其结构如图１所示。
性等优点
［５
－
６］
。
材料、新结构的高温压力传感器成为新的研究方向。
图１ 变间距式电容压力传感器结构图
２ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
当传感器下极板的位置不发生变化，上极板受到
Ｍａｒ．２０２１
背面减薄到１５０μｍ，清洗后旋涂ＡＺ５２１４光刻胶，在
ＳｉＣ正面进行光刻，胶厚度控制在２μｍ左右；接着溅
射５００ｎｍ的金属镍，通过剥离工艺打开刻蚀窗口；利
用ＩＣＰ刻蚀ＳｉＣ１０μｍ，使用稀硝酸腐蚀多余的镍掩膜
得到电容空腔，上述的工艺加工完成了电容结构的空
腔制备，具体工艺流程如图２（１）～（６）所示。接着在
碳化硅背面进行深刻蚀，从而完成压力敏感膜片的制
备。由于需要进行深刻蚀工艺，而常规的金属溅射和
蒸发工艺无法为ＳｉＣ的深刻蚀提供足够厚的掩膜层，
本文采用了溅射和电镀工艺制备较厚的金属掩膜层，
外界压力时，使两极板间距ｔ
ｇ
改变，从而使电容值发
生变化
［７］
。传感器初始电容Ｃ
０
的计算如式（１）所示：
Ｃ
０
＝
４ε
０
ａ
２
ε
ｒ
ｔ
ｇ
＋
ｔ
ｍ１
＋
ｔ
ｍ２
（１）
式中：ｔ
ｇ
为电容腔间距；ａ为正方形敏感膜边长；ε
０
为
敏感膜材料（ＳｉＣ）介电常数，ε
０
＝
８．８５４１８７８１７
×
１０
－
１２
Ｆ／ｍ；ε
ｒ
为真空介电常数；ｔ
ｍ１
为电容腔顶部距上极板
厚度；ｔ。
１．２ 结构设计
ｍ２
为电容腔底部距下极板间厚度
本文针对电容式高温压力传感器的敏感膜片和
电容腔结构进行设计。为了使传感器工作在更宽的
线性输出区域，一般要求敏感膜片的最大挠度小于膜
厚的１／５，同时还应满足敏感薄膜表面最大应力差小
于ＳｉＣ的破坏应力的１／５。综合上述考虑，敏感膜厚
约束如式（２）所示：
ì
ï
ï
ω
４
ｍａｘ
＝
０．０１３８ｐａ
í
Ｅｔ
３
＜
ï
ï
î
ｍａｘ（｜σ
ｘ
－
σ
ｙ
｜）
＝
０
５
ｔ
．３０８
ｔ
２
ｐａ
４
≤
σ
ｍ
（２）
式中：ω
５
ｍａｘ
为敏感膜片的最大变形量；σ
ｘ
、σ
ｙ
分别为横
向应力与纵向应力；ｔ为敏感膜厚；敏感膜片边长
ａ
＝
３０００μｍ；量程ｐ
＝
３００ｋＰａ；杨氏模量Ｅ
＝
４５３．５ＧＰａ；
屈服强度σ
ｍ
综合上述两个计算得到敏感膜厚的范
＝
２１ＧＰａ。
围为ｔ＞
感膜厚
４３．８５μｍ
ｔ
＝
，
４５
并结合本实验室的
μｍ。
ＭＥＭＳ加工条件，取敏
为了提高传感器的灵敏度，尽可能增大传感器的
初始电容值，由式（１）可知，在电容极板厚度和结构相
对介电常数确定及相同的外界压力的情况下，灵敏度
与ｔ
灵敏度
ｇ
成反比，可见通过减小电容间距可以提高传感器
。结合工艺条件，设计电容极板间距为１０μｍ，
即电容空腔深度为１０μｍ。
由以上设计可知，敏感膜片整体厚度为５５μｍ，且初
始电容值Ｃ
脆且易碎，采用晶圆减薄工艺难以实现上述敏感膜片的
０
＝
６．０５ｐＦ。由于５５μｍ厚度的ＳｉＣ晶片非常
制备。为使敏感膜片变得更加结实且保证敏感膜片厚
度，本实验采用晶圆背面深刻蚀工艺。
２ 碳化硅电容式高温压力传感器制备
为了提高传感器的灵敏度，敏感芯片采用导电型
的碳化硅晶圆和半绝缘型碳化硅晶圆相结合制备而
成，具体工艺流程如图２所示。首先将４Ｈ
－
ＳｉＣ晶圆
首先溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做粘附层和５０ｎｍ的Ａｕ做种子
层，然后电镀５μｍ左右的金属Ｎｉ做掩膜层，然后利
用ＩＣＰ对碳化硅进行深刻蚀９５μｍ，深腔刻蚀的ＳＥＭ
如图３（ａ）所示，腐蚀掉剩余的Ｎｉ掩膜以及底层的Ａｕ
和金属Ｔｉ，得到碳化硅感压敏感芯片，具体工艺流程
如图２（７）～（１５）所示，敏感芯片实物如图３（ｂ）所示。
图２ 敏感芯片及电容结构制备工艺流程图
为了制备键合强度高、密封性好的电容结构，本
文采用直接键合工艺，ＲＣＡ清洗去除表面颗粒，然后
在１３００℃、４ＭＰａ压力下完成键合
［９
－
１０］
所示。随后完成电容结构的上电极极板制作
，如图
，
２（１６）
首先，
溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做金属粘附层，接着溅射４００ｎｍ的
Ａｕ
图２（１７）
做金属极板
～（１８）
，完成后续的极板图形化
所示，电容键合结构如图
，
３（ｄ）
工艺流程如
所示。
为了方便后续的测试实验，传感器采用陶瓷和耐
热金属２种材料相结合进行封装
［１１］
料将芯片下极板安装在具有金属图形层的陶瓷底板
，利用高温导电浆
第３期梁庭等：基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究
３
上，然后加热固化。芯片电极与外部的互连采用引线
键合技术，芯片的外壳封装采用金属壳封装，封装后
的传感器实物如图３（ｃ）所示。
的不同压力下的电容值，其测试结果如图５所示，曲线
表示随着气压增大时，传感器电容增大，并且在０～
３００ｋＰａ内，传感器具有良好的响应，电容与压力成近
图３ 电容压力传感器关键工艺图
３ 测试
３．１ 测试系统介绍
为检验研制的电容式高温压力传感器的性能，搭
建了相应的检测平台，其中初始电容利用探针台探针
分别接触传感器的上下极板，然后利用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ的
４２００
常温压力测试平台由压力控制系统
－
ＳＣＳ半导体特性分析系统完成初始电容值测试
，Ａｇｉｌｅｎｔ的４２８２Ａ
；
阻抗分析仪构成如图４（ａ）所示；由自研的真空压力炉
提供高温环境下的测试实验，测试时电容式压力传感
器置于炉腔，通过耐高温导线与外部４２８２Ａ相连接，
如图４（ｂ）所示。
图４ 压力传感器测试系统
３．２ 常温压力测试
经过对样品的测试分析，得到该传感器芯片的初
始电容值Ｃ
初始电容值
０
Ｃ
＝
８．５０ｐＦ，通过封装后的压力传感器整体
现，实际测试值大于理论电容值
０
＝
１３．１５ｐＦ。通过与理论电容值对比发
。
在常温下，测试了０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００ｋＰａ
似线性关系，通过计算，得到该传感器的灵敏度可以
达到４．５１
×
１０
－
３
ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％。
图５ 传感器电容与压力的关系图（常温）
在常压下，从常温开始逐渐升温至６００℃，其中，
每隔１００℃为测试节点，包括２０、１００、２００、３００、４００、
５００、６００℃
后，开始进行降温测试
，每个节点保持
，重新进行测试实验
１０ｍｉｎ，当完成６００
，其测试结
℃测试
果如图６所示。从该曲线可以看出，随着温度的升高，
传感器芯片的电容值缓慢增大，在２０～６００℃的范围
内，电容变化量为８．５０～８．６５ｐＦ。但相比于外界压力
对它的作用，在大气压下，由温度变化引起的电容变
化值几乎可以忽略不计，即该碳化硅高温压力传感器
的温度漂移效应较低。
图６ 传感器电容与温度的关系图（高温）
４ 结束语
本文在探索碳化硅ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工
艺的基础上制备了基于碳化硅材料的电容式高温压
力传感器。与目前常用的硅基压力传感器相比，基于
碳化硅材料的电容式压力传感器具有工作温度高、制
备方法简单等优势，同时也为≥５００℃工作环境下原
位压力测试需求提供技术参考。
参考文献：
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传感器与微系统
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－
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ＭＥＭＳ
：厦门大学
全高温接触
，２０１１．
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研制
陈勇
［Ｊ］．
，郭方方
仪表技术与传感器
，白晓弘，等．基于
，２０１４（６）：１０
ＳＯＩ技术高温压力传感器的
－
１２．
（下转第８页）
８ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
［Ｊ］．微纳电子技术，２０１７，５４（１１）：７７２
－
８０．
ｔｉｏｎ，２００７，３０６（３）：６９１
－
７１１．
技术大学，２０１１．
Ｍａｒ．２０２１
１．８μｍ的孔，其频率裂解及修调效率始终小于其他深
度的孔，这与上一节的结果相似。
孔的径向位置从里向外移动时，其频率裂解和修
调效率先增大后减小，但频率裂解和修调效率的最小
值始终在靠近球壳处。所以，对于小的频率解裂，可
以靠近陀螺内侧打孔修调，以使得同样的频率裂解下
去除的质量更多，加工较容易；对于大的频率裂解，可
以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到
修调要求，修调效率更高。
４ 结束语
硅微半球陀螺小而脆弱的谐振子导致修调难度
大，为确定需要合适的修调方法和工艺参数，本文介
绍了硅微半球陀螺频率裂解微孔修调方法。并通过
仿真分析了其工艺参数对频率裂解的影响规律。
结果表明应该在低频模态上打孔以减小频率裂
解。该方法下每去除１ｎｇ质量改变的频率裂解在２１
～３０Ｈｚ／ｎｇ之间。频率裂解对于各工艺参数变化较敏
感，若要使得频率裂解减小到理想值，修调的加工精
度需要在微米级甚至是亚微米级。
当需要修调的频率裂解较小时，即修调孔的体积
较小时，应优先使用深宽比较大的孔，并且孔的位置
应尽量靠近内壁。对于大的频率裂解，可以靠近外侧
打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，
修调效率更高。
参考文献：
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ｓｈａｐｅｍａｓｓｅｓ
ｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ
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１４９．
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［１３］ ＢＥＲＮＳＴＥＩＮＪＪ，ＢＡＮＣＵＭＧ，ＢＡＵＥＲＪＭ，ｅｔａｌ．ＨｉｇｈＱ
作者简介：胡友旺（１９８１—），教授，博士，主要研究方向为飞秒
激光微纳制造、集成光机电系统（ＭＯＥＭＳ）、微传感
器及其检测系统。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｙｗ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
钟宏民（１９９４—），硕士研究生，主要研究方向为陀螺
的频率裂解修调。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｈｏｎｇｍｉｎ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
（上接第３页）
［４］ 周继承，郑旭强，刘福．ＳｉＣ薄膜材料与器件最新研究进展
［５］ 揣荣岩，吕品，杨宇新，等．压阻式小量程ＳＯＩ压力敏感结
构仿真分析［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（２）：１４
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１７．
传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１９，３８（６）：６６
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６９．
［６］ 汪赟，郝秀春，蒋纬涵，等．基于ＳＯＮ构造的电容式绝对压力
［７］ ＷＵＦ，ＣＨＥＮＸＹ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｉｅ⁃
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，４３：１７５
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１８８．
社，２０１４：４６
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４９．
ｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅａｎｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．
［Ｊ］．材料导报，２００７，２１（３）：１１２
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１１４．
ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＡｌｌ
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ＳｉＣｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．
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的影响研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（７）：１２
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发展趋势［Ｊ］．真空电子技术，２０１６（５）：１１
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１４．
［１１］ 高岭，赵东亮．系统级封装用陶瓷基板材料研究进展和
作者简介：梁庭（１９７９—），博士，副教授，主要从事ＭＥＭＳ高温
压力传感器、微光学集成气体传感器、宽禁带半导体
传感器以及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究。
Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｔｉｎｇｎｕｃ＠１６３．ｃｏｍ．
Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｎｊｋ０８＠１６３．ｃｏｍ
李强（１９９５—），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ高温
压力传感器及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究。
Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ，２０１９（１０）：６３５．
［８］ 王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津：天津出版
［９］ ＭＵＦ，ＸＵＹ，ＳＨＩＮＳ，ｅｔａｌ．ＷａｆｅｒｂｏｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ
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ＡｌＮａｔ