压阻式高温压力传感器的拆解与分析：以Merit Sensor压力传感器为例

常规的扩散硅压阻式压力传感器使用温度范围为-40~85°C，该类传感器在超过120℃环境下使用时，会由于内部 PN 结出现漏电而导致传感器性能急剧下降，进而导致失效。对于应用到-40~150°C的场景，需要使用高温压力传感器目前学术界对压阻式高温压力传感器主要的研究方向在多晶硅压力传感器，SOI压力传感器，蓝宝石压力传感器和SiC压力传感器。

对成功产业化的压阻式高温压力传感器，国内外各家厂商都采用了不同的技术路径。Merit Sensor采用多晶硅方式实现高温下应用；First Senor和Nova Sensor采用单晶硅注入电隔离技术也可以应用到125°C下；Kulite采用SOI技术路径，使用温度范围为-55°C至+273°C，使其成为航空航天和其他工业领域众多应用的理想选择。

以Merit Sensor HM压力传感器为例，其专为从低压到中压的严苛环境应用而设计。该系列MEMS芯片结构为压阻式惠斯通电桥设计，采用Senstium®技术，提供宽温度范围内（-40℃至150℃）的高性能和稳定信号输出。具有以下优势：

Ø专为空气、液体和严苛气体环境而设计

Ø压力范围：15~500 psi（1 to 34.5 bar; 103 to 3,447 KPa）

Ø闭环惠斯通电桥，配置温度二极管

Ø优秀的线性度和零点漂移

ØAEC-Q100认证

HM压力传感器分为三层结构，为背面感压的绝压芯片，上下2层为玻璃，厚度为510μm，中间为结构层硅，厚度为380μm，其采用了2次阳极键合。背金为可选层，主要是便于底部玻璃与电路板进行共晶焊，在高压下应用具有更高的机械强度。背金层为三层金属，总厚度为500nm。

图 HM传感器侧面视图

将HM压力传感器用湿法工艺去盖，可以看到上层玻璃中间有槽结构，为主要为了敏感膜受压预留形变空间。从图中看出玻璃槽底部粗糙，推测为玻璃喷砂工艺，其优势为量产成本低。中间部分为硅结构层，从表面可以看到内部的金属引线、合金化的通孔以及下方的5个焊盘。金属引线没有直接连接焊盘，主要是因为上层玻璃键合的影响，设计采用重掺与焊盘形成电连接。5个焊盘其中4个为惠斯通电桥四个端口，2个为输出端，2个为电源输入端；剩余一个焊盘和公共焊盘为温度传感器输出，温度传感器经过测试采用PN二极管原理。

图 HM传感器去盖

为了分析膜层结构，将HM压力传感器进行横剖，得到剖面结构。从大剖面图可以看到明显是三层结构，上层玻璃开槽，下层玻璃开孔，开孔为了硅敏感膜背部感压。放大中间层硅，膜层结构包含了多晶硅，注入层也位于多晶硅之上，金属Al和多晶硅注入重掺区形成欧姆接触。

图 HM传感器大剖面

对比市面上三款销量较高可以使用在120°C下的压力传感器，可以看到Merit Senosr是唯一一家采用多晶硅方式，且其非线性度高，但满量程输出较低，原因来源于其不同于前2家不同的压阻排布方式。值得注意，三家都采用Al作为金属引线材料，但Al（Al合金）在高温下存在电迁移和热迁移而引起器件失效，我们推测其可能为了平衡成本因素。