综述：面向高温极端环境感测的SiC压力传感器
2026-06-07 10:21:18 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统梳理了各类高温压力传感器的演进历程，讨论了碳化硅（SiC）压力传感器的关键技术，包括结构设计、传感器芯片制造、高温欧姆接触、封装技术等；总结了该领域的最新研究进展，分析了现有技术问题。
在航空航天、地热能源、金星探测和核电安全等领域，大型设备通常运行于高温、辐射、腐蚀性气体和振动等极端环境中，关键部位的压力监测对设备状态评估、故障诊断和运行效率提升至关重要。MEMS传感器具有体积小、集成度高、可批量制造等优点，是工业智能传感器的重要发展方向。在高温极端环境下，传统的硅基压力传感器的性能容易受到材料特性的限制。碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体，具有禁带宽度大、抗辐射、耐腐蚀等显著优势，被认为是突破高温压力传感瓶颈的重要衬底材料。然而，目前SiC压力传感器相关研究主要停留在实验室阶段，其在极端条件下的性能仍需进一步提升，尤其是在工作温度上限、灵敏度和稳定性等方面。
据麦姆斯咨询报道，针对SiC压力传感器领域研究，西安交通大学方续东教授团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Advances in silicon carbide pressure sensors for high-temperature extreme environment sensing”的综述文章，系统梳理了各类高温压力传感器的演进历程，讨论了碳化硅（SiC）压力传感器的关键技术，包括结构设计、传感器芯片制造、高温欧姆接触、封装技术等；总结了该领域的最新研究进展，分析了现有技术问题；进一步讨论了SiC高温压力传感器研究面临的挑战与未来发展趋势，旨在为极端环境下SiC压力传感技术的发展提供理论支撑和创新方向。
高温压力传感器的发展历程
过去数十年间，针对极端环境传感场景，研究人员已开发出多款压力传感器，包括绝缘体上硅（SOI）压力传感器、声表面波（SAW）压力传感器、硅基金刚石（diamond-on-Si）压力传感器、硅基蓝宝石（sapphire-on-Si）压力传感器以及碳化硅（SiC）基压力传感器等。其中，压阻式SiC MEMS压力传感器凭借小型化、低成本、高温性能优异等独特优势，逐渐成为研究热点。
图1 高温压力传感器技术的发展历程
SiC高温压力传感器的传感原理
基于SiC衬底的MEMS压力传感器非常适合高温和恶劣工作环境，其传感原理主要分为三类：压阻式、电容式和光纤式。其中，压阻式SiC高温压力传感器基于半导体压阻效应工作。凭借结构简单、读出电路简洁、工作稳定性高、集成性优异等特点，该结构形式成为SiC高温压力传感器领域的主流研究对象。
图2 三种典型SiC高温压力传感器结构原理图及优缺点
SiC压力传感器芯片设计方法
在压力传感器芯片设计中，敏感膜片的结构设计是核心环节，直接决定传感器的量程、灵敏度等核心性能指标。对于压阻式SiC压力传感器而言，除膜片结构外，SiC材料本身的压阻效应也是影响传感器灵敏度和稳定性的关键因素。近年来，SiC材料的压阻效应研究取得了显著进展，尤其是在3C-SiC外延薄膜以及4H/6H-SiC体材料方面。目前，该领域的研究进展主要集中在晶体结构、掺杂工艺相关的各向异性特性分析方面。
图3 SiC压阻效应相关研究成果
SiC微加工工艺
对于MEMS器件制备而言，理想的刻蚀工艺需同时满足四大核心指标：高刻蚀速率、良好的各向异性、优异的表面质量，以及对非加工区域的低损伤特性。目前SiC微加工工艺主要包括熔盐刻蚀、电化学刻蚀、激光烧蚀、超声加工和等离子体刻蚀等。近十年来，硬脆SiC晶圆的微结构加工难题得到有效攻克。其中，等离子体干法刻蚀可实现极佳的表面加工质量，但其刻蚀速率较低。激光加工是制备高深宽比SiC微结构的有效技术方案。此外，新型飞秒激光辅助等离子体刻蚀技术优势突出，应用前景广阔，具备极高的工程实用价值。
图4 四种典型SiC微加工工艺的示意图
SiC欧姆接触
欧姆接触的高温性能劣化是诱发SiC压力传感器失效的核心因素。为解决该问题，可采用第一性原理计算方法，对接触界面的演化机制开展理论仿真研究。同时，基于传输线模型（TLM）的试验研究表明，提升SiC衬底掺杂浓度、优化退火工艺温度，可有效制备性能稳定的欧姆接触。此外，多层金属复合体系能够显著改善接触失效问题，提升器件的极限耐受温度。
图5 SiC高温压力传感器及欧姆接触
高温压力传感器封装技术
近年来，高温压力传感器封装领域已取得重要进展，主流封装形式包括有引线封装和无引线封装两类。受金丝键合耐热稳定性限制，有引线封装多用于中低温应用场景。相比之下，无引线封装虽然实现难度较大，但被认为是解决压力传感器高温封装问题的有效方法。然而，目前该技术仍难以满足大批量工程化应用需求，未来仍有较大的优化与发展空间。
图6 典型压力传感器封装结构示意图
总结与展望
目前，SiC高温压力传感器的极端工况应用研究虽已取得阶段性进展，但该领域仍存在诸多关键技术难题与应用挑战。为进一步推动微纳压力传感技术的迭代升级与工程落地，方续东教授团队针对SiC高温压力传感器在极端工况下的环境适应性难题，系统梳理了该领域的发展趋势，并提出了相应的优化改进方案，具体分析如下图所示。
图7 SiC压力传感器核心技术挑战与趋势总结（含原理与结构、器件制造与封装）
当前，除了压力、加速度等物理量传感器外，SiC辐射探测器和SiC紫外光电传感器等器件也受到了广泛关注并逐渐成为研究热点。面向后续研究，有必要结合市场需求和产业发展趋势，在芯片制造和封装层面推动SiC传感器向智能化、集成化和小型化方向发展。随着技术的进一步发展，包括SiC压力传感器在内的各类SiC微纳器件，未来都将展现出巨大的市场价值和广阔的工程应用前景。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01214-3
延伸阅读：
《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P883产品分析》
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