[发明专利]高温压力传感器及其制作方法

说明书

本发明为一种高温压力传感器，其包括主芯片，所述主芯片具有位于第一层的衬底、位于第二层的弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的敏感电阻层，所述高温压力传感器还具有与所述主芯片贴合的盖板，所述盖板具有开口朝向所述主芯片方向的收容腔，所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内，所述高温压力传感器还包括分别与所述金属电极连接的一对导引线并延伸出所述密封腔。所述金属电极与敏感电阻层由于金属电极与弹性膜被密封在真空腔，或者接近真空腔内，令金属电极与敏感电阻层不容易氧化而提高整个传感器更能在高温下工作，可以使传感器在600℃的使用温度条件下的寿命达到1000小时。

【技术领域】

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种用于高温环境的压力传感器。

【背景技术】

传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术与MEMS技术的发展，人们以硅作为主要材料，采取电容、压阻等多种形式，开发了硅微压力传感器，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。随着应用与研究范围的扩展，人们又开始重视开发能够直接工作在恶劣环境下的微压力传感器。所谓“恶劣环境”，是指高温、强辐射、高振动或具有氧化和腐蚀性特点的环境，其中以高温环境最为常见，例如在航天航空、核能技术、石油化工、地热勘探以及汽车电子学等领域压力测量经常需要在350℃甚至更高时进行。

研制高温压力传感器目的就是能够在高温环境下对各种气液的压力进行测量。它的应用范围极为广泛，在民用方面，可用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、油井压力和各种发动机腔体内的压力，在军事方面，可用于喷气发动机、坦克发动机、舰船发动机、风洞、航天器外壳等的压力测量。

目前，半导体压力传感器以扩散硅压力传感器为主，但以下几点原因限制了以硅材料为主的传感器在高温恶劣条件下的应用：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。

对于扩散硅压力传感器，它的应变电桥采用p型扩散电阻，应变膜为n型硅衬底，两者之间是自然的pn结隔离，一旦工作温度超过120℃，应变电阻与衬底间的pn结漏电加剧，就会使传感器特性严重恶化乃至失效。在没有出现真正耐高温的压力传感器前，为了解决高温压力测量的需要，人们普遍采用以下几种方式来提高硅微压力传感器的耐温性能。在对压力变化频率不高的情况下，优先使用“引压管”。所谓“引压管”就是引导高温被测介质到达压力感应芯片用的管子，可以起到隔热和散热的效果。在被测介质温度不是很高时，可以使用散热片作为传感器的外封装结构。而在测量介质温度较高，同时对压力响应也有较高要求时，如发动机燃烧室内压力的测量，最常用的方法就是对压力传感器加上水冷套进行水冷。

由于高温下硅材料的局限性，人们把目光投向新材料、新工艺，提出了多种新的高温压力传感器结构。目前已经研制出多晶硅压力传感器、绝缘体上硅(SOI，Silicon onInsulator)压力传感器、蓝宝石上硅(SOS，Silicon on Sapphire)压力传感器、金刚石压力传感器和碳化硅压力传感器等。

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。

碳化硅由于其独特的物理性质与电学特性，逐渐为人们所重视。它是第三代宽禁带半导体材料的代表，具有优良的抗辐射性能和高温稳定性，是制作高温器件的理想材料，一般都能在300℃工作。常温下，对6H-SiC，当掺杂浓度低时，其纵向应变系数大约为-25，高掺杂时大约为-20，适合用来制作压阻式压力传感器。这些特性使得碳化硅成为高温压力传感器领域最有发展前景的材料。