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(lái)，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(jì)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(jì)的設(shè)計(jì)溫度范圍一般不超過(guò)150℃，這是因?yàn)楣杌牧显诟邷貞?yīng)用（超過(guò)500℃）中的機(jī)械性能仍飽受質(zhì)疑。不過(guò)，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越有興趣探究MEMS傳感器在高溫應(yīng)用中的穩(wěn)定性，因?yàn)楣杌牧显诟邷貢r(shí)的塑性變形現(xiàn)象，需要達(dá)到3GPa以上的應(yīng)力時(shí)才會(huì)發(fā)生，而低于這個(gè)極限的時(shí)候仍處于彈性區(qū)域。

↑ 美國(guó)MKS Instruments牌MEMS電阻式真空計(jì) ↑

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

本次實(shí)驗(yàn)評(píng)估的對(duì)象為MEMS氣壓計(jì)，包含一個(gè)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(huì)在大氣壓下變形。該膜與兩個(gè)壓阻式納米規(guī)封裝在500nm厚的NEMS層，一個(gè)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(gè)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(gè)納米測(cè)壓元件以半惠斯通電橋的形式電連接，每個(gè)納米測(cè)壓元件通過(guò)1mA的直流電流極化，并使用四點(diǎn)探針測(cè)量法測(cè)量?jī)蓚€(gè)納米測(cè)壓元件兩端的電壓輸出。當(dāng)膜片上施加壓力時(shí)，一個(gè)納米測(cè)壓元件被拉伸，另一個(gè)被壓縮，導(dǎo)致電橋不平衡，該不平衡被轉(zhuǎn)換為與壓力測(cè)量成比例的電壓信號(hào)。

↑ 用于測(cè)量壓力傳感器的電路 ↑

高溫測(cè)量在變溫探針平臺(tái)中進(jìn)行，在真空條件下，熱循環(huán)測(cè)量納米規(guī)的電阻。電氣測(cè)量則使用萬(wàn)用表進(jìn)行。

↑ 探針臺(tái)帶有四個(gè)臂，用于溫度循環(huán)和納米規(guī)電阻測(cè)量 ↑

↑ 熱循環(huán)設(shè)定溫度曲線，溫度斜坡：20℃/min，時(shí)長(zhǎng)：1h。途中數(shù)值對(duì)應(yīng)臺(tái)面的實(shí)際溫度 ↑

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩個(gè)納米規(guī)的電阻在前三個(gè)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(huì)改變接觸電阻。不過(guò)，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(gè)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(diǎn)約為1400℃，目前瓶頸在于AlSi金屬化所帶來(lái)的損壞，未來(lái)可以通過(guò)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(tái) ↑

果果儀器外部調(diào)節(jié)探針冷熱臺(tái)是一款專為材料研究過(guò)程中變溫電學(xué)測(cè)試而設(shè)計(jì)的科研儀器。它基于光學(xué)冷熱臺(tái)增加了一個(gè)電學(xué)模塊，包括探針及電學(xué)接口等。可以通過(guò)調(diào)節(jié)外部探針臂，移動(dòng)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(cè)試過(guò)程中，電信號(hào)通過(guò)連接到針座的導(dǎo)線傳輸?shù)诫妼W(xué)儀器（如源表、萬(wàn)用表等），從而測(cè)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(tái)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)而穩(wěn)定的溫度控制。