利用變溫探針臺探討MEMS傳感器在高溫環(huán)境下的魯棒性

汽車、石油化工、航空航天、核能以及材料工程等各種行業(yè)都需要能在高溫惡劣環(huán)境下工作的傳感器。21世紀以來，研發(fā)這樣的滿足這樣的傳感器一直都充滿了挑戰(zhàn)。

基于SiC材料制造的MEMS電阻真空計雖然已被廣泛應(yīng)用于汽車、半導(dǎo)體等領(lǐng)域，但這些真空計的設(shè)計溫度范圍一般不超過150℃，這是因為硅基材料在高溫應(yīng)用（超過500℃）中的機械性能仍飽受質(zhì)疑。不過，現(xiàn)在人們越來越有興趣探究MEMS傳感器在高溫應(yīng)用中的穩(wěn)定性，因為硅基材料在高溫時的塑性變形現(xiàn)象，需要達到3GPa以上的應(yīng)力時才會發(fā)生，而低于這個極限的時候仍處于彈性區(qū)域。

↑ 美國MKS Instruments牌MEMS電阻式真空計 ↑

本文介紹了一個研究M&NEMS（微納機電系統(tǒng) ，micro-and nano-electromechanical systems）傳感器在超過500℃環(huán)境下魯棒性的案例。

本次實驗評估的對象為MEMS氣壓計，包含一個直徑為60µm、厚度為500nm的圓形膜片，放置在外部壓力和低壓腔之間，膜片會在大氣壓下變形。該膜與兩個壓阻式納米規(guī)封裝在500nm厚的NEMS層，一個圓形剛性活塞刻蝕在20μm后的MEMS層中并連接到膜的中心，將膜變形傳遞到杠桿臂。由鉸鏈固定的杠桿臂壓縮或拉伸放置于下方的兩個納米規(guī)。

↑ 掃描電鏡下壓力傳感器的俯視圖像 ↑

↑ 傳感器橫截面示意圖 ↑

在真空條件下，納米規(guī)的電阻為800 Ohm。兩個納米測壓元件以半惠斯通電橋的形式電連接，每個納米測壓元件通過1mA的直流電流極化，并使用四點探針測量法測量兩個納米測壓元件兩端的電壓輸出。當膜片上施加壓力時，一個納米測壓元件被拉伸，另一個被壓縮，導(dǎo)致電橋不平衡，該不平衡被轉(zhuǎn)換為與壓力測量成比例的電壓信號。

↑ 用于測量壓力傳感器的電路 ↑

高溫測量在變溫探針平臺中進行，在真空條件下，熱循環(huán)測量納米規(guī)的電阻。電氣測量則使用萬用表進行。

↑ 探針臺帶有四個臂，用于溫度循環(huán)和納米規(guī)電阻測量 ↑

↑ 熱循環(huán)設(shè)定溫度曲線，溫度斜坡：20℃/min，時長：1h。途中數(shù)值對應(yīng)臺面的實際溫度 ↑

實驗結(jié)果顯示，兩個納米規(guī)的電阻在前三個循環(huán)周期中是非常穩(wěn)定的，之后，由于重復(fù)接觸而導(dǎo)致的AlSi焊盤金屬化損壞會改變接觸電阻。不過，我們依然可以得出結(jié)論，在522℃以下，納米規(guī)不受高溫循環(huán)的影響。

↑ 不同溫度下兩個納米規(guī)的電阻變化曲線 ↑

本研究是初步研究，旨在確定M&NEMS技術(shù)作為高溫壓力傳感器的潛力。Si的熔點約為1400℃，目前瓶頸在于AlSi金屬化所帶來的損壞，未來可以通過研究鎢等高溫電阻金屬取代AlSi合金金屬化。

↑ 果果儀器外部調(diào)節(jié)探針冷熱臺 ↑

果果儀器外部調(diào)節(jié)探針冷熱臺是一款專為材料研究過程中變溫電學測試而設(shè)計的科研儀器。它基于光學冷熱臺增加了一個電學模塊，包括探針及電學接口等?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)外部探針臂，移動內(nèi)部探針位置，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的XYZ方向位移，使針尖與樣品表面的任何區(qū)域接觸。

在測試過程中，電信號通過連接到針座的導(dǎo)線傳輸?shù)诫妼W儀器（如源表、萬用表等），從而測出相關(guān)電學數(shù)據(jù)，以分析材料在可變溫度下的電學特性。該冷熱臺采用液氮致冷和電阻加熱的方式，能在-190~400℃或RT~1000℃的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精準而穩(wěn)定的溫度控制。