摘 要

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，其中压力传感器是应用最为广泛的一类。而随着半导体技术与微机电系统 (MEMS)技术的发展，人们深入的对极端环境尤其是高温环境进行研究探索，例如在汽车发动机、航天航空、石油化工以及地热勘探等领域，使得压力测量需要在350℃甚至更高的温度环境下进行。目前发动机气缸壁的最高温度一般在500℃左右，气缸内最大压力一般在10MPa左右,最大平均压力在1.5MPa左右。气缸内高温高压的环境对压力传感器工作性能的稳定性提出了更高的要求。

碳化硅(SiC)材料由于其稳定的化学性质、高的热稳定性、优异的力学性能以及独特的电学特性，逐渐为人们所重视。它是第三代宽禁带半导体材料的代表，与现有的广泛用作为压力传感器材料的硅 (Si)相比，SiC材料具有优良的宽带隙、高热导率、高熔点、优异的力学性能、抗辐射、抗腐蚀、高的热稳定性、大的压电系数、高饱和电子漂移率以及小的介电常数等优良的材料性能，是制作耐高温器件的理想材料。

本毕业论文主要研究了目标工作温度达350℃以上，最高工作温度达600℃的压阻式SiC高温压力传感器，主要内容包括：(1)对MEMS的发展及国内外高温压力传感器研究现状进行了研究；(2)对传感器芯片结构进行了优化设计；(3)对MEMS加工工艺进行了研究以及并确定了芯片加工工艺流程；(4)对芯片的封装进行了研究及设计；(5)利用ANSYS等有限元软件对敏感膜片进行了静力学分析、对封装基体与SiC芯片进行了热应力分析、对芯片进行了模态分析和谐响应分析，并对传感器的灵敏度进行了仿真计算；(6)对芯片加工中的图形化工艺、光刻掩膜版的结构、深刻蚀与浅刻蚀以及湿法刻蚀的刻蚀剂等进行了研究。

关键词：MEMS；碳化硅；压阻式；耐高温；压力传感器；有限元分析

Abstract

Sensor technology is an important symbol of the development level of modern science and technology, among which pressure sensor is the most widely used one. With the development of semiconductor technology and Micro-Electro-Mechanical system (MEMS) technology, people have made in-depth research and Exploration on extreme environment, especially high temperature environment, such as automobile engine, aerospace, petrochemical industry and geothermal exploration, which makes pressure measurement need to be carried out at 350℃ or even higher temperature. At present, the maximum temperature of engine cylinder wall is about 500℃, the maximum pressure in cylinder is about 10 MPa, and the maximum average pressure is about 1.5 MPa. The high temperature and high pressure environment in the cylinder puts forward higher requirements for the stability of the working performance of pressure sensor.

Silicon carbide (SiC) materials have attracted increasing attention due to their stable chemical properties, high thermal stability, excellent mechanical properties and unique electrical properties. It is the representative of the third generation wide band gap semiconductor material. Compared with silicon (Si), which is widely used as pressure sensor material, SiC has excellent material properties such as wide band gap, high thermal conductivity, high melting point, excellent mechanical properties, radiation resistance, corrosion resistance, high thermal stability, large piezoelectric coefficient, high saturated electron drift rate and small dielectric constant. It is an ideal material for making high temperature resistant devices.

This thesis mainly studies the piezoresistive SiC high temperature pressure sensor with the target working temperature above 350℃ and the maximum working temperature up to 600℃. The main contents include: (1) the development of the micro-electronics system and the research status of high temperature pressure sensors at home and abroad are studied; (2) the structure of the sensor chip is optimized; (3) the fabrication process of the micro-electronics system is studied and determined; (4) the packaging of the chip is studied and designed; (5) static analysis of the sensitive diaphragm, thermal stress analysis of the package matrix and SiC chip, modal analysis and harmonic response analysis of the chip are carried out by using finite element software such as ANSYS，and the sensitivity of the sensor is simulated. (6) the graphical technology in chip processing, the structure of photomask, deep and shallow etching and etchant for wet etching are studied.

Keywords: MEMS; Silicon carbide; Piezoresistive type; High temperature resistant; Pressure sensor; Finite element analysis.

目录

第1章 文献综述 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 MEMS介绍 2

1.1.1 MEMS材料 2

1.1.2 半导体材料的发展 3

1.1.3 SiC材料介绍 4

1.1.4 MEMS加工制造工艺 6

1.1.5 MEMS的应用 7

1.3 SiC压力传感器国内外研究现状 7

1.4 课题研究目标及论文内容结构 8

第2章 压阻式压力传感器原理与芯片关键参数设计 10

2.1 压阻式压力传感器的工作原理 10

2.1.1 压阻效应 10

2.1.2 压阻式压力传感器测量电路 11

2.2 压敏电阻的布置形式研究 12

2.2.1 敏感膜片变形受力分析 12

2.2.2 压敏电阻相对变化与应力的关系 14

2.2.3 压敏电阻的应变灵敏度系数研究 14

2.2.4 压敏电阻布置形式确定 15

2.3 芯片关键参数设计 16

2.3.1 敏感膜片尺寸设计 16

2.3.2 压敏电阻尺寸设计 17

第3章 加工工艺与封装设计及相关仿真 20

3.1 传感器芯片加工工艺流程研究与设计 20

3.1.1 芯片材料 20

3.1.2 芯片制备流程设计 20

3.1.3 MEMS加工工艺研究 22

3.1.4 芯片加工工艺流程确定 26

3.2 欧姆接触金属体系的研究与设计 30

3.3 传感器封装设计 32

3.3.1 传感器封装要求 32

3.3.2 传感器封装方案 32

3.4 敏感膜片的静力学仿真 36

3.5 传感器的灵敏度仿真计算 41

3.6 传感器封装系统的热应力仿真 43

3.7 芯片的模态分析及谐响应分析 46

第4章 芯片关键加工工艺研究 52

4.1 光刻工艺及光刻掩膜版的设计 52

4.1.1 光刻基本原理及光刻胶性质 52

4.1.2 光刻掩膜版版图设计 53

4.2 干法刻蚀 59

4.2.1 SiC的浅刻蚀——RIE反应离子刻蚀 59

4.2.2 SiC的深刻蚀——ICP电感应耦合等离子体刻蚀 61

4.3 湿法刻蚀 64

4.3.1 SiO₂的湿法刻蚀 64

4.3.2 金属体系的湿法刻蚀 65

第5章 总结与展望 66

参考文献 68

致谢 71

第1章 文献综述

1.1 研究背景及意义

在汽车上存在各式各样的传感器，可测量力、磁、热、化学等各种类型的物理量，将其输出为电压、电流、频率、脉冲等形式的物理量、并将其交由数据处理控制中心将其转化为我们所需的数据信息^[1]。这些传感器是汽车ECU（Electronic Control Unit, 即电子控制单元）判断车辆运行状态的信息源，也可以说这些器件是控制汽车电气系统如何运行和工作的关键。而传感器作为汽车电子领域的关键研究内容之一，其高速发展促进了汽车电子的迅速发展，同时促进了汽车的整体性能的不断提高。在各种传感器中，压力传感器具有质量小、体积小、价格便宜、性能稳定、便于集成等优点^[2]，可用于压力、加速度、压强等各种力学量和运动学量的测量。

压力传感器在汽车上亦是应用广泛，如气缸压力传感器、进气压力传感器、高压油压力传感器、油箱压力传感器、尿素压力传感器等^[3]，其中气缸压力传感器对于发动机的性能影响巨大。Hellemans等人2011年在《In-cylinder pressure sensor》一书中写到，大陆集团利用缸内压力传感器，从其信号中提取例如燃油质量和数量、氧气量、燃烧效率、传递的扭矩以及相关的污染物产生/排放等信息，以实现最佳燃烧，减小发动机的排放^[4]。Türksch, Ricardo 等人2012年在《Engine Performance Monitoring with Cylinder Pressure Sensors》一书中写到，“气缸压力的直接测量对发动机性能的监测、诊断和控制具有重要意义”。因此，瑞士的Trafag AG公司研发新型传感器用于发动机的连续监测^[5]。Jinli Wang等人在2015提出了基于气缸压力传感器的燃油调节控制方法，解决了燃油柔性发动机（使用汽油和柴油混合燃料）的两个问题：不同燃料的发动机制动输出转矩不同；不重新校准发动机的热效率会下降^[6]。Gao, JW等人在2017年利用气缸压力传感器对火花点火发动机进行了燃烧控制，以实现最大限度的提高发动机的性能^[7]。一般来说，发动机的不正常点火燃烧有两种：表面点火和爆震，这会使发动机的燃油消耗增加、输出功率下降，而爆震燃烧产生的最高压力是正常燃烧的两倍，会使发动机曲轴等动力传输系统承受很大的压力，这将使得发动机的寿命大大缩短。Panzani, Giulio 等人在2017年利用缸内压力传感器，基于逻辑回归技术推导出了发动机的爆震裕度（或距离），并证实了是创新爆震控制策略的有效概念^[8]。Cho, H等人也在2018年提出了一种可实现的利用气缸压力传感器实时预测发动机氮氧化物排放的零维模型^[9]。从以上气缸压力传感器对于发动机的排放、故障检测、动力输出、燃烧等方面的控制具有极大的影响和帮助，有助于提高汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性等整体性能。目前发动机气缸壁的最高温度一般在500℃左右，气缸内最大压力一般在10MPa左右,最大平均压力在1.5MPa左右，气缸内高温高压的环境对压力传感器工作性能的稳定性以及传感器的灵敏度等各方面均提出了高的要求。