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利用變溫探針臺探討MEMS傳感器在高溫環(huán)境下的魯棒性

更新時間:2024-12-26      點擊次數(shù):374

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(jì)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(dá)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。


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↑ 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)。


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↑ 掃描電鏡下壓力傳感器的俯視圖像 ↑

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↑ 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(dāng)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。


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↑ 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。


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

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↑ 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。

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↑ 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。


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↑ 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(xué)測試而設(shè)計的科研儀器。它基于光學(xué)冷熱臺增加了一個電學(xué)模塊,包括探針及電學(xué)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(xué)儀器(如源表、萬用表等),從而測出相關(guān)電學(xué)數(shù)據(jù),以分析材料在可變溫度下的電學(xué)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(zhǔn)而穩(wěn)定的溫度控制。


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