面向高温应用的III族氮化物MEMS压力传感器
随着微机电系统（MEMS）技术的持续演进，集成MEMS元件的压力传感器与执行器在设计层面取得了显著进展。多个关键领域，如石油与天然气、汽车、国防、航空航天电子以及核电，对于能在严苛环境条件下——包括高温、高湿、机械冲击与振动、过载应力、辐射暴露和腐蚀性化学环境——稳定运行的MEMS器件的需求正持续上升。除了微型化特征外，MEMS压力传感器还具备多项优势，例如功耗低、灵敏度高、质量轻、体积小、可在受限空间内实现高精度测量、制造成本可控、与系统干扰极小、易于与信号处理电路单片集成，以及适合批量生产。
传统的硅基MEMS器件由于硅材料的窄禁带宽度（约1.12 eV），通常只能在125 °C以下的温度范围内运行。超过150 °C后，其性能会因热激发载流子增加和漏电流上升而显著下降，从而限制其在高温环境中的应用。此外，硅材料在高温环境下抗腐蚀能力较差，也影响了其长期稳定性和可靠性。因此，科研人员正积极寻找能在极端条件下保持稳定工作的替代材料及换能机制。
麦姆斯咨询近日报道，来自美国克莱姆森大学、德州仪器（TI）、Modjoul公司以及佐治亚理工学院的研究团队，对一种基于AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）振膜的MEMS压力传感器进行了研究。该传感器利用AlGaN/GaN材料的宽禁带特性和压阻效应，在高达300 °C的温度下仍能保持稳定和重复的传感性能，并展现出优于10 ms的快速响应时间，展示了其在高温环境中应用的潜力。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。
该压力传感器是基于沉积在（111）取向硅片上的AlGaN/GaN外延层制造而成。结构从上至下依次为：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300 nm厚的缓冲层，该层用于隔离GaN外延层与675 µm厚的硅衬底。图1a展示了传感器的层状结构示意图，图1b为光学显微图像，显示了传感器整体构造及其外围集成的HFET与焊盘连接。膜片标称半径为500 µm，漏极、栅极与源极宽度均为10 µm。图2提供了制造工艺流程的示意图。
图1 （a）MEMS压力传感器的层结构（非比例图示）；（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
研究团队提出了一种理论模型，用于解释该基于AlGaN/GaN异质结构的压阻型HFET膜片的换能机制。在压力作用下，膜片发生形变，导致沟道电阻变化，从而将机械信号转换为电信号。图3通过简化示意图展示了压力对膜片及AlGaN、GaN层的影响。
图3 （a）施加压力ΔP时的传感器结构示意；（b）和（c）分别为无压力与有压力时AlGaN和GaN层的极化状态变化。
在35 kPa的外加压力范围内对传感器进行了性能测试。实验测得在室温下，漏源电阻相对变化（ΔRDS/RDS(0)）为0.32%，在250 °C时为0.65%。研究人员结合COMSOL有限元仿真和自主开发的理论模型，计算了漏源电阻的变化，结果在室温下为0.45%，与实验数据高度一致。
图4 仿真结果：（a）基于COMSOL计算得到的应变分布；（b）膜片在35 kPa压力下的位移情况。
此外，该传感器表现出与栅极偏压相关的灵敏度调制特性。随着栅极电压变得更负，其灵敏度明显增强。更值得注意的是，在300 °C下，传感器经过多次压力循环测试后仍能保持良好的重复性与稳定性，展现出优异的性能。
图5 （a）不同栅极偏压下，漏源电阻在80 kPa压力下的响应；（b）灵敏度随栅极电压的变化关系。
图6 MEMS压力传感器的响应时间计算
图7 负栅极偏压下压力传感器的可靠性测试
综上，该研究团队开发的基于AlGaN/GaN HFET膜片的压力传感器，能够在高达300 °C的高温条件下实现稳定、可重复的传感操作。在35 kPa压力范围内，实验测量与理论预测高度一致，验证了设计与建模的准确性。同时，传感器的灵敏度随栅极电压变化而可调，在-2 V至-11 V范围内从0.009%/kPa提升至1.31%/kPa。研究还对比了恒压和恒流模式下的器件性能，结果显示恒流模式具有更高的灵敏度和更稳定的表现。
该压力传感器在高温和高压测量领域展现出良好的应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17020177
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