面向高温应用的III族氮化物MEMS压力传感器
2026-02-15 20:56:12   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微机电系统（MEMS）技术的最新进展，极大推动了集成MEMS元件的压力传感器与执行器的设计进步。在石油和天然气、汽车、国防、航空航天/航空电子、核电等领域，对能够在恶劣环境条件下（包括高温、高湿、机械冲击和振动、过载应力、辐射暴露和腐蚀性化学环境等）可靠运行的MEMS器件的需求日益增长。除了微型化之外，MEMS压力传感器还具有多项关键优势：功耗低、灵敏度高、质量轻、体积小、可在狭小空间内实现精确测量、制造成本低、对被测系统干扰极小、易于与信号处理电路单片集成，以及适合大规模批量生产。

由于硅的禁带宽度较窄（约1.12 eV），传统的硅基MEMS传感器通常被限制在约125°C以下的工作温度；当温度超过约150 °C时，其性能会显著下降，这是由于热载流子的产生和较大的漏电流所致，这使得硅基器件难以适用于恶劣环境。硅在高温下的耐腐蚀性不足，进一步限制了其在长期极端条件下的应用。因此，科学家们已着手探索可在该类环境中稳定工作的替代材料与换能机制的解决方案。

据麦姆斯咨询报道，近期，美国克莱姆森大学（Clemson University）、德州仪器（Texas Instruments）、Modjoul、佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究人员组成的团队对基于内嵌AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）振膜的MEMS压力传感器在高温下的工作性能进行了研究。该传感器凭借AlGaN/GaN材料的宽禁带与压阻特性，实现了在高温环境下的稳定工作。该压力传感器在高达300°C的温度下，经过多次压力循环测试，仍展现出稳定且可重复的传感性能，并具有小于10 ms的快速响应时间。该器件在严苛高温环境中具备实现高可靠性、高性能压力传感的巨大应用潜力。相关研究成果以“Investigation of III-Nitride MEMS Pressure Sensor for High-Temperature Applications”为题发表在Micromachines期刊上。

本研究中所开发的MEMS压力传感器是在沉积于（111）晶向硅片上的AlGaN/GaN外延层上制造而成的。MEMS晶圆结构自上而下包括：2 nm厚的本征GaN（i-GaN）盖层、18 nm厚的Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N层、1 µm厚的本征GaN层，以及一层300 nm厚的缓冲层，用于将GaN外延层与厚度为675 µm的硅衬底隔开。图1a展示了所制造的MEMS压力传感器的层结构，图1b为压力传感器的光学显微图像，展示了其物理结构，其中外围集成的HFET与接触焊盘相连接。膜片的标称半径为500 µm，漏极、栅极和源极的宽度均为10 µm。此外，图2展示了该压力传感器制备工艺流程的示意图。

图1 （a）MEMS压力传感器的层结构（未按比例绘制）；（b）集成HEMT膜片的光学显微图像；（c）内嵌AlGaN/GaN HFET的压力传感器的横截面结构；（d）膜片背面（压力施加区域）的光学显微图像。

图2 MEMS压力传感器制造工艺流程示意图

为了理解基于AlGaN/GaN异质结构的压阻型HFET膜片的工作原理，研究人员介绍了一种理论模型，并阐明在施加压力下膜片的机械形变如何引起HFET沟道电阻的变化。在所开发的基于内嵌AlGaN/GaN HFET膜片的MEMS压力传感器中，AlGaN/GaN异质结的压电特性已被用于将膜片偏转转换为电信号。图3通过膜片和相应的AlGaN和GaN层的简化示意图说明了这种换能机制。

图3 （a）施加压力ΔP时，基于内嵌AlGaN/GaN HFET膜片的压力传感器示意图；零施加压力（b）和施加压力∆P（c）时的自发极化和压电极化，在AlGaN和GaN层中，只有由外部压力引起的应变所诱导的极化PPE（S）的压电分量发生了变化。

在35 kPa的外加压力变化范围内对该压力传感器进行了性能测试，实验测得漏源电阻的相对变化（ΔR_DS/R_DS(0)）在室温下为0.32%，在250°C时为0.65%。此外，研究采用基于COMSOL的有限元（FE）仿真，结合自主建立的理论模型，对漏源电阻的变化开展理论计算。室温下理论计算得到的ΔR_DS/R_DS(0)为0.45%，与实验结果高度吻合。

图4 仿真结果：（a）基于COMSOL有限元方法计算得到的AlGaN/GaN膜片上的应变分布；（b）膜片在施加压力变化（35 kPa）下的位移情况。

此外，该MEMS压力传感器表现出栅极偏压依赖的可调特性，随着栅极电压逐渐变得更负，其灵敏度显著提升。更重要的是，该压力传感器在高达300 °C的温度下，经过多次压力循环测试仍能保持稳定且可重复的传感性能，并具备小于10 ms的快速响应时间，充分展现出其在严苛高温环境中实现可靠、高性能压力测量的巨大应用潜力。

图5 （a）在室温下，不同栅极偏压下，漏源电阻随施加压力变化（80 kPa）的响应；（b）在室温下测得的压力传感器的灵敏度随栅极电压的变化曲线。

图6 MEMS压力传感器的响应时间计算

图7 负栅极偏压下MEMS压力传感器的可靠性测试

综上所述，研究人员成功开发了一种基于内嵌AlGaN/GaN HFET膜片的圆形薄膜压力传感器，能够在高达300°C的温度下实现稳定且可重复的传感操作。该器件在35 kPa的压力范围内进行了表征，实验测得的电阻变化（ΔR_DS/R_DS(0)）与理论预测结果一致，验证了该压力传感器设计及建模的准确性。此外，该压力传感器表现出与栅极偏压相关的可调特性，当栅极电压从-2 V变化至-11 V时，其灵敏度从0.009%/kPa提升至1.31%/kPa。本研究还在300°C下对比了恒压模式与恒流模式下的器件性能，结果表明恒流模式具有更稳定的响应，并且灵敏度几乎提高了一倍。总体而言，这种集成AlGaN/GaN HFET作为挠曲换能元件的膜片式压力传感器，在高温、高压测量应用中展现出优异的稳定性与良好的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17020177

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