利用變溫探針臺探討MEMS傳感器在高溫環境下的魯棒性

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

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

↑ 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 ，micro-and nano-electromechanical systems）傳感器在超過500℃環境下魯棒性的案例。

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。

↑ 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，導致電橋不平衡，該不平衡被轉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，熱循環測量納米規的電阻。電氣測量則使用萬用表進行。

↑ 探針臺帶有四個臂，用于溫度循環和納米規電阻測量 ↑

↑ 熱循環設定溫度曲線，溫度斜坡：20℃/min，時長：1h。途中數值對應臺面的實際溫度 ↑

實驗結果顯示，兩個納米規的電阻在前三個循環周期中是非常穩定的，之后，由于重復接觸而導致的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論，在522℃以下，納米規不受高溫循環的影響。

↑ 不同溫度下兩個納米規的電阻變化曲線 ↑

本研究是初步研究，旨在確定M&NEMS技術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。

↑ 果果儀器外部調節探針冷熱臺 ↑

果果儀器外部調節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。可以通過調節外部探針臂，移動內部探針位置，能夠實現高精度的XYZ方向位移，使針尖與樣品表面的任何區域接觸。

在測試過程中，電信號通過連接到針座的導線傳輸到電學儀器（如源表、萬用表等），從而測出相關電學數據，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℃的溫度范圍內實現精準而穩定的溫度控制。