[发明专利]一种内嵌式高温无线压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种内嵌式高温无线压力传感器。

背景技术

高温极端环境下压力测量是石化生产、航空航天、汽车电子、国防军工等领域必须突破和掌握的基础科学技术之一。耐高温压力传感器作为微机电系统(MEMS)的主要产品之一，在工业和国防军工领域有着广阔的应用需求和前景。具体来讲，在工业上可用于化工反应釜、冶炼塔内、高温油井以及涡轮发动机内燃机的压力检测与控制。在国防军事上可用于航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面的压力测量。随着国民经济和国防现代化的发展，耐高温压力传感器的市场需求将以每年10％～32％的速率增长。

针对高温极端环境这一难题而设计的耐高温压力传感器已经有广泛的研究和应用，如SOI(绝缘体上硅)硅压力传感器、多晶硅(Ploy-Si)高温压力传感器、SOS蓝宝石高温压力传感器、与SiC压力传感器。

目前的半导体压力传感器以基于硅的压力传感器为主，但以下几点原因限制了基于硅的压力传感器在高温恶劣环境下的应用：1)由于硅禁带宽度窄，所以其耐高温和抗辐射性能比较差；2)硅容易与介质发生化学反应，被氧化或者被腐蚀；3)在高温条件下硅的机械性能退化，当温度高于500℃，硅材料将发生热塑性变形，使传感器性能恶化乃至失效。

SOS压力传感器最高工作温度可以达到350℃，但是其致命缺点是成本高，工艺复杂，成品率低，而且由于外延的硅与蓝宝石间有较大的晶格失配，难以保证长期稳定性。多晶硅与SOI压力传感器最高工作温度较低，一般在200℃左右。SOI材料是在Si材料基础上用SiO₂嵌入层以提高电绝缘性。虽然，SOI器件的工作温度可以扩展到400℃左右，但是500℃以上时，硅发生热塑性变形又限制了SOI器件的应用。

SiC材料作为第三代直接跃迁型宽禁带的半导体材料，具有宽禁带结构、高击穿电压和较高热导率等特点，以及优良的抗辐射性能和高温稳定性，这些特性使SiC在制造高温器件中具有明显的优势。2005年，Chien-Hung Wu研制出具有3C-SiC/SiO₂/Si复合层的部分SiC压阻式压力传感器，工作温度范围为-7～400℃，其灵敏度在室温下为177.6mV/V·psi，在400℃下为63.1mV/V·psi。SiO₂中间层作为绝缘层，克服了高温下漏电流的产生。但是掺杂磷的SiC在高温下相对较低的压阻系数、压敏电阻的温度效应以及SiC与SiO₂间的热失配限制了传感器在更高温度下工作。2007年，凯斯西储大学的Li Chen和MehranMehregany报道了第一例全SiC电容式压力传感器，最高工作温度达到574℃。全SiC结构消除了材料热失配。该全SiC电容式压力传感器的缺点在于采用了金属引线，使得传感器性能受到引线寄生电容与高温下欧姆接触比电阻增大的影响，限制了传感器在更高温度下的应用。因此，无线传输结构被引入，以获得能够在更高温度下工作的无线压力传感器。

无线压力传感器，实质上是一个RLC谐振传感器，是由对外界压力敏感的电容和固定电感构成的谐振电路。这种带无线传输结构的设计，为解决高温恶劣环境下有线测量会产生电路失效和电引线高温退化等问题，提供了一个很好的解决方案。但是，目前所报道的无线压力传感器，RLC谐振电路基本上都是采用金属引线工艺制作，其应用温度很难超过600℃。美国专利No.7478562B2公开了高温LC压力传感器，所公开的传感器为SiC-SiO₂-SiC三层结构，电容上极板与电容下极板分别制作在上层SiC下表面与下层SiC上表面，使得平行板电容器C内嵌在三层结构当中，而电感L制作在下层SiC底部，与平行板电容器C通过通孔连接，工艺复杂。因此，必须寻找设计新的结构和制备工艺，实现RLC谐振电路电学连接在更高温度下稳定工作，以满足未来航空航天对高温压力传感器的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对压力传感器在高温极端恶劣环境下易失效的难题，提供对环境容忍度极高，能够在高温极端环境下稳定工作的一种内嵌式高温无线压力传感器。

本发明设有压力敏感膜、传感器上盖板、电容上极板、电容下极板、电感线圈、传感器基座与压力参考腔；