【導讀】近年來，我國的傳感器技術正飛速發展，應用領域也在不斷擴大。作為現代測量技術中發展最為成熟的一類，壓力傳感器領域也在不斷涌現新技術、新材料和新工藝。
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律轉化為電信號的器件，廣泛應用于各類生產、工業及航空航天領域。隨著應用領域的細分，高溫油井、各類發動機腔體等高溫惡劣環境下的壓力測量愈發重要，而普通壓力傳感器所用材料在超過一定溫度（例如，擴散硅壓力傳感器工作溫度低于120℃）時會失效，導致壓力測量失敗。因此，高溫壓力傳感器成為一個非常重要的研究方向。
高溫壓力傳感器的分類
根據所用材料的不同，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、SOI（silicon on insulator）高溫壓力傳感器、SOS（silicon on sapphire）硅-藍寶石壓力傳感器、光纖高溫壓力傳感器等不同類型。而從目前發展情況來看，SOI高溫壓力傳感器的研究現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
SOI高溫壓力傳感器的發展主要依托SOI材料的興起。SOI即絕緣體上硅，主要指以SiO2為絕緣層預埋在Si襯底層和Si頂層器件層中間形成的半導體材料。SOI的特殊結構使得器件層與襯底層之間實現了絕緣，消除了體硅中常見的門閂效應，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。
目前，國外已有研制成功的SOI高溫壓力傳感器，包括美國Kulite的XTEH-10LAC-190(M)系列，如圖1所示，工作溫度為-55~480℃；美國古德里奇先進傳感器技術中心研制的-55~500℃的SOI高溫壓力傳感器；法國LETI研究所研制的SOI高溫壓力傳感器工作溫度也超過400℃。國內研究機構也在積極開展SOI高溫壓力傳感器的研究，例如西安交通大學、天津大學、北大等。另外，西人馬FATRI未來先進技術研究院也在開展相關研究工作，目前項目已進入論證階段。
圖1 Kulite高溫壓力傳感器
SOI高溫壓力傳感器工作原理
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。當力作用于硅晶體上，晶體的晶格發生形變，進而導致載流子的遷移率發生變化，使得硅晶體的電阻率發生變化。通過在SOI頂層器件層的特定方向刻蝕出4個壓敏電阻，構成惠斯通電橋如圖2（a）所示；在SOI的襯底層刻蝕出壓力背腔，進而形成壓力敏感結構，如圖2（b）所示。
圖2（a）惠斯通電橋
圖2 （b）傳感器芯片截面
當壓力敏感結構受到氣壓壓力時，壓敏電阻的阻值發生變化，進而引起輸出電壓Vout發生變化，通過輸出電壓值與壓敏電阻的阻值變化的關系，實現壓力值的測量。
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，此處簡單介紹一些關鍵步驟以供了解傳感器的工藝過程，如圖3所示，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。
圖3 SOI壓力傳感器工藝
壓敏電阻的制備關鍵在于摻雜濃度的把控及后續刻蝕成型工藝的優化；金屬引線層則主要起到惠斯通電橋的聯通；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如圖3所示。
由于目前商業化的高溫壓力傳感器還無法很好的滿足高溫油井、航空發動機等特殊惡劣環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材料因其特殊結構及高溫特性，已經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該集中在解決高溫惡劣環境下傳感器的長期穩定性、自發熱問題及提高壓力傳感器精度等方面。
當然，智能化時代的到來也要求SOI高溫壓力傳感器結合其他多學科技術，為傳感器帶來自補償、自校準、信息存儲等更為智能化的功能，從而更好的完成感知復雜高溫環境壓力的使命。
