碳化硅高温压力传感器综述文章

引擎核心的“温度免疫”革命

在航空航天、石油钻探等极端高温领域，机械传感器的失效一直是工程师的噩梦。传统硅基传感器在超过200℃时就会“罢工”，导致发动机燃烧室压力、涡轮机械应变等关键数据无法获取。但一种名为碳化硅（SiC） 的神奇材料正在打破这一壁垒，它能承受800℃以上的高温，让传感器在烈火中依然“保持清醒”。

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一、为什么硅传感器无法承受高温？

硅材料虽在室温下表现出优异的压阻效应（电阻随应力/应变变化的特性），但其带隙宽度仅为1.12 eV。当温度超过200℃时，硅内部会激发大量本征载流子，导致压阻效应急剧减弱直至失效。更致命的是，硅在高温腐蚀性环境中极易氧化损坏。这迫使工程师在高温区域只能依赖间接测量或昂贵的冷却系统。

二、碳化硅：高温传感的“天选之材”

碳化硅凭借三大核心优势脱颖而出：

1.宽禁带能力（2.3-3.4 eV）：远超硅的带隙，使其在高温下仍能有效抑制本征载流子激增，维持压阻特性。

2.卓越的物理化学稳定性：熔点超过2500℃，导热性好（5 W/cm·K），硬度接近金刚石，耐化学腐蚀和氧化侵蚀。

3.优异的机械性能：杨氏模量是硅的2-5倍，适合制造高灵敏度、高频率的微机械结构。

不同半导体材料的压阻效应适用温度范围对比

三、碳化硅的压阻效应：高温下的稳定“脉搏”

压阻效应的核心指标是灵敏系数（Gauge Factor, GF），它表示单位应变引起的电阻相对变化量（ΔR/R）/ε。研究表明，不同类型的碳化硅在室温和高温下均展现出显著且稳定的压阻效应：

单晶3C-SiC（立方结构）：室温下n型GF约-31.8（负号表示电阻随压力增大），p型GF约30.3；在450°C时n型GF仍保持在-18左右。

单晶6H-SiC（六方结构）：室温下n型和p型GF分别约为-29.4和27；在250°C时分别降至-17和12。

多晶/非晶SiC：GF值低于单晶（多晶n型约-10，非晶n型可达31-49），但工艺更简单，且可直接生长在绝缘衬底上避免漏电。

SiC纳米线/纳米薄膜：虽未观察到类似硅纳米线的“巨压阻效应”（GF>1000），但p型6H-SiC纳米线展现出高达159.5 × 10⁻¹¹ Pa⁻¹的压阻系数（换算GF约79），潜力可观。

四、关键发现：温度与掺杂的影响

温度升高，GF下降：所有SiC的GF都随温度升高而下降，但下降幅度在高温区趋于平缓（如下图）。例如n型3C-SiC在400°C时GF约为室温值的50%-60%，但仍远高于金属。

掺杂浓度越高，GF越低：无论3C还是6H-SiC，高掺杂样品的GF均低于低掺杂样品。这与载流子迁移率变化和能谷电子重分布理论有关。

*n型3C-SiC的灵敏系数（GF）随温度变化的典型趋势

五、高温压力传感器的突破性进展

基于SiC压阻效应的高温压力传感器是当前最成熟的应用。其核心是在SiC薄膜或体材料上制作压敏电阻并构成惠斯通电桥，通过测量电阻变化感知压力。关键技术挑战在于如何在坚硬的SiC上加工出薄而均匀的感压膜片（Diaphragm）。

制造工艺创新：

SiC-on-Insulator (SiCOI)：在SOI（绝缘体上硅）或SiO₂/Si上外延生长SiC，再用湿法（KOH）或干法（RIE, ICP）刻蚀掉底层硅形成膜片。优点是兼容传统硅工艺。

体SiC加工：直接减薄体SiC晶圆。难点是SiC刻蚀速率极低（100 nm-1 μm/min）。激光微加工、超声钻孔、机械铣削等“暴力”方法被用于提高效率。

性能标杆：

研究团队已开发出多种SiC压力传感器，其性能在极端温度下得到验证：

代表性SiC压阻压力传感器性能汇总

里程碑：800°C稳定运行！

最令人振奋的结果来自美国宇航局格伦研究中心的Okojie团队。他们采用4H-SiC体材料制作的传感器，在800°C高温下不仅稳定工作，其灵敏度（3.4 μV/V/kPa）甚至超过了室温下的性能（2.9 μV/V/kPa）！研究者推测封装或材料本身在高温下的特殊物理机制可能是原因，但具体机理仍在探索中。这一突破标志着SiC传感器正式迈入航空发动机核心热端监测的实用阶段。

SiC压阻式压力传感器核心结构示意图

六、挑战与未来：从实验室走向广阔天地

尽管前景光明，SiC压阻传感器的全面应用仍面临挑战：

1.加工成本高、效率低：SiC硬度高、化学惰性强，导致光刻、刻蚀、键合等MEMS工艺难度大、耗时久。开发高效、低成本的批量化制造技术是关键。

2.高温封装与互连难题：800°C下，金属互连线易发生团聚、扩散，导致信号漂移甚至失效；不同材料间的热失配会引发结构变形或开裂。需开发新型耐高温互连材料（如贵金属、陶瓷金属化）和可靠的封装方案。

3.基础机理研究待深入：特别是p型SiC、α-SiC（如4H, 6H）在高温高压下的压阻行为，以及大应力（GPa级）下的非线性响应机制仍需系统研究。

4.纳米结构潜力待挖掘：目前SiC纳米线未展现出硅纳米线级别的“巨压阻效应”。需深入研究低维尺度、表面态、栅压调控对SiC纳米结构压阻性能的影响。

七、结语：开启高温传感的新纪元

碳化硅压阻传感器凭借其与生俱来的耐高温、耐腐蚀基因，正在彻底改变极端环境下的压力、应变、加速度等物理量的监测方式。从实验室中800°C的稳定读数，到未来航空发动机、深井钻探、核能系统的实时健康管理，SiC传感器展现的不仅是技术的突破，更是人类拓展认知边界的雄心。

随着材料生长、微纳加工技术的不断进步以及产学研的深度融合，碳化硅传感器必将突破当前瓶颈，在更多高温、高压、强腐蚀的“工业炼狱”中站稳脚跟，为人类探索和利用极端环境提供不可或缺的“感知之眼”。这场高温传感的革命，才刚刚拉开序幕。

选自微信公众号 传感诸葛孔明