从专利视角浅析基于碳化硅材料的航空航天传感器技术发展

梁雪峰

我国“十三五”规划中明确指出，把发展传感器技术、推动相关产业进步列为国家战略发展的重点对象；2017年，工业和信息化部发布的《智能传感器产业三年行动指南（2017-2019年）》中也提出，要加快研发基于微电机（MEMS）工艺的新型智能传感器设计技术。目前多种不同类型的传感器大量应用于国内外航天飞行器的各个系统中[1]。传统的硅（Si）材料温度传感器受制于其特性限制，在高温高压、强辐射环境下其服役表现较差，极易同外部介质发生反应被腐蚀、氧化等，在高温时则易发生机械性能退化，无法满足在航空航天等恶劣环境下的需求。砷化镓（GaAs）是继Si材料以来的第2代半导体材料，GaAs材料在600℃以上性质不稳定，温度达到800℃时发生离解[2，3]。碳化硅（SiC）与GaAs同属于化合物半导体，因其具有宽带隙、高导热率等优良特性，是继Si和GaAs后发展的第3代半导体材料，可应用到微电子器件和电路设计等高新技术产业，满足现阶段对高温抗辐射、高频大功率等性能要求，因此其可用于制作适应于航空航天等高温领域的温度传感器、压力传感器等[4-6]。

1 专利申请基本情况

本文基于全球文摘数据库（WPI）和中文文摘数据库（CNPAT）中进行检索，获得基于SiC传感器技术的相关专利申请144件。从公开趋势看，基于SiC传感器技术专利的主要来源国家和地区为中国、日本、美国、欧洲、韩国。从专利申请公开的国别比例以及公开时间看，中国专利数量占全球的39%，但主要集中在2011年以后，技术发展起步较其他国家晚，2011年以后该方向的专利申请数量增长较快。美国、日本专利申请量占总量的17%和12%，且申请量较为稳定，说明美国、日本等技术优势国在近10年來在该领域持续进行研发，技术更新较快。从专利公开的地域分布表明中国近几年成为该技术的主要目标市场。

从中国专利申请法律状态可以看到，目前属于失效状态的专利占比达到36%。分析其原因，失效专利的申请人绝大部分为中国高校，表明上述专利的产业转换率不高。

对上述专利的技术分类进行分析，SiC传感器技术的专利申请主要涉及如下技术方向：测量力、应力、转矩、功、机械功率、机械效率或流体压力的传感器（G01L）；适用于制造或处理半导体和固体器件或其部件的方法、设备等（H01L）；借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料（G01N）；温度、热量测量（G01K）；红外光、可见光、紫外光的强度、速度、光谱成分，偏振、相位或脉冲特性的测量；比色法；辐射高温测定法（G01J）；微观结构的装置或系统，例如微观机械装置（B81B）；专门适用于制造或处理微观结构的装置或系统的方法或设备（B81C）；单晶生长，共晶材料的定向凝固或共析材料的定向分层，材料的区熔精炼，具有一定结构的均匀多晶材料的制备，单晶或具有一定结构的均匀多晶材料及其之后处理（C30B）。

以下分别从提高SiC衬底性能、提高产业化水平、常用SiC材料的产品及其制备、基于SiC低维纳米材料的传感器应用几个方面，从专利申请的角度梳理技术发展情况。

2 提高SiC衬底性能

为了提高SiC单晶衬底性能，以下专利分别从优化欧姆接触形成方式、降低晶体缺陷密度提出了解决方案。

美国授权专利US10515804B1公开了使用单个合金导体来实现到n型和p型4H—SiC的同时欧姆接触，该单合金导体在高温（如800℃）下也是针对金（Au）和氧（O2）的有效扩散阻挡层，这种欧姆接触金属化在超过600℃时是热稳定的，能够提高半导体SiC传感器和电子器件的性能。

SiC基器件的可靠性受晶体材料品质的影响，其中缺陷密度占据突出地位。为降低晶体缺陷密度，一部分专利申请采用覆盖SiC中微缩孔或充填近表面微缩孔的方法（US6214108B1和US6217842B1、US6746787B2），一些专利申请采用在气压设备中对晶体退火的方法（US6329215B1，US64 47600B1，JP10114533A2、JP0212472 9A2）。美国通用电气公司的授权专利US7175704B2涉及通过高压高温退火工艺愈合其中空隙、缩孔、位错、间隙、晶体空位及应变缺陷。

3 提高产业化水平

为提高生产的效率和降低成本，硅晶体有限公司在2019年申请的发明专利（EP3760766）中公开了基于物理气相传输（PVT）同时生长多个块状半导体单晶（如SiC）的系统和方法，实现高效制造多个高质量半导体单晶。美国国家航空航天局（NASA）获得的美国授权专利（US10056259 B1）则提出了用于形成传感器和电子器件的碳化硅半导体同时欧姆接触的方法，该工艺简单、经济，提供了具有减小的接触电阻的半导体，从而减小了结功率损耗。该工艺即使在高温条件下也能提高碳化硅传感器和电子器件的性能，能够降低未来的航空发动机和环境监测的成本。

4 基于SiC产品的制备方法

在200余种SiC的多型体中，最常见的是3C—SiC、4H—SiC和6H—SiC，常用于电子设备以及微机电系统（MEMS）和传感器中，以及用作生长诸如氮化镓（GaN）的其他材料的低成本平台[4]。4H—SiC和6H—SiC的单晶衬底已经实现了商业化。

截至2021年4月26日，全球专利摘要数据库中公开的针对4H—SiC、6H—SiC、3C—SiC的专利申请中，涉及4H—SiC的专利申请最多，占41%。

有多个专利申请提出了基于4H—SiC、6H—SiC材料的高温压力传感器技术方案。CN111707404 A提出一种耐高温碳化硅压力传感器，用4H—SiC单晶片作为传感器压敏芯片制备的基材。中国公开专利CN103398806 A考虑到敏感压阻要根据6H—SiC压阻系数各向同性的特性进行布置，以及高温环境下6H—SiC晶片切向应变系数相比于径向下降更快的特点，提供的一种6H—SiC高温压力传感器芯片，芯片结构包括敏感圆膜和形成电桥电路所需要的4个敏感压阻及其位置设置，可以最大限度的利用掺杂后的6H—SiC材料的压阻效应，提高6H—SiC高温压力传感芯片的灵敏度。

而对于3C—SiC材料，虽然3C—SiC基板不可得，但可在硅上生长异质外延3C—SiC以降低成本。已有技术使用化学气相沉积（CVD）来在硅上生长3C—SiC外延层。例如，豪雅（HOYA）株式会社的日本专利JP特开2001-335935A公开了使用单晶硅衬底的面作为单晶生长衬底，将衬底加热到1 200℃，并在其上层外延生长3C—SiC，使用冷壁式CVD装置，通过以二氯硅烷（SiH2Cl2）和乙炔（C2H2）的形式供给原料气体，在硅衬底上进行SiC的生长。英国华威大学WO2017013445 A1公开了一种用于在单晶硅上生长外延3C—SiC的方法，其在冷壁化学气相沉积反应器中提供单晶硅基板，将基板加热到大于或等于700℃且小于或等于1200℃的温度，当基板处于所述温度时，将气体混合物引入反应器中，所述气体混合物包括硅源前体、碳源前体和载气，以在单晶硅上沉积3C—SiC的外延层。

5 基于SiC低维纳米材料的传感器应用

SiC低维纳米材料具有优异的压阻特性，如采用SiC单晶低维纳米材料作为压力传感器的功能单元，将有望实现稳定性高、灵敏度强的SiC基高温压力传感器的研发[7]。一维纳米材料具有高比表面积、高表面活性等特点，对物理和化学环境非常敏感，在气体传感器领域有巨大的应用潜力和研究价值。

对于压力传感器，中国公开专利申请涉及硼（B）掺杂、氮（N）掺杂SiC纳米线/带技术。中国公开专利CN103234670A涉及一种N掺杂的n型掺杂SiC纳米线材料的压力传感器及其制备方法，其公开的传感器具有超高灵敏度，反馈压力和电流数量级分别可达nN和pA量级；中国公开专利CN106006539A、CN107271082A均提出了基于B掺杂SiC低维纳米材料制备压力传感器，但二者传感器单元结构并不相同，前者采用Si片作为传感器基底，后者则用石墨作为基底。

N掺杂SiC纳米带与B掺杂SiC纳米带因掺杂的元素种类不同，其进行半导体电阻率调节的方式亦不同。中国公开专利CN108760104A提出了将SiC纳米带掺杂氮元素后用作压力传感器的主要材料，该方法采用单晶N掺杂SiC纳米带作为功能单元，利用双氰氨作为掺杂元素N的来源，并采用三阶段加热进行烧结，确保炉温，实现对SiC纳米带的n型掺杂，制得了低缺陷密度、大宽厚比的高质量N掺杂SiC纳米带，而后将具有耐高温等物理特性的纳米带作为功能单元，制作具有优异的耐高温性能的压力传感器。

中国公开专利CN109764984 A则提出一种氮和磷共掺杂SiC纳米线压力传感器及其制备方法，传感器的功能单元为单晶N和P共掺杂SiC纳米线，在热解过程中同时加入2种掺杂元素，成功生长了N和P共掺杂的SiC纳米线，并将其作为压力传感器的功能单元，压力传感器能够实现nN级别应力变化的探测，其应变系数可达878。

对于气体传感器，浙江理工大学提出的中国公开专利CN102749357A中以SiC纳米线为气敏材料制备高温气体传感器，对于高温、高抗辐射等苛刻条件下工作的气体传感具有一定的意义，其以贵金属纳米粒子（如铂、鈀和银）为碳化硅纳米线的表面修饰，贵金属纳米粒子催化剂的使用，提高了气敏的反应速度和灵敏度。

6 基于SiC传感器的性能改进

6.1 降低功耗和提高稳定性

中北大学提出的中国公开专利CN108020588 A提出一种低功耗微热板型高温气体传感器及制作方法，可用于感测航空、航天飞行器及其发动机燃烧室内可燃气体的成分和浓度。其方案为：桥式基底为SiC，支撑膜层和隔离层均为未掺杂多晶SiC薄膜，加热元件为n型掺杂多晶SiC薄膜，催化剂为负载贵金属纳米颗粒的氮化硼气凝胶，能够避免出现电迁移效应，减小了加热区域的面积，实现在加热温度一定的情况下功耗更低，具有更好的热稳定性和灵敏度，可满足高温恶劣环境下的可燃气体成分的原位测试需求。

中国公开专利CN103033276A公开了一种SiC温度传感器及其制造方法，针对SiC高温温度传感器在高温时SiC器件的体电阻会随着温度变化而变化，从而影响正向压降与器件温度变化之间的线性度，以及体积难于减小的问题，该方法设计一种横向结构，降低了衬底厚度，同时缩小了传感器的体积，提升了温度传感器的线性度以及封装密度。

6.2 高温封装技术

在高温压力传感器的设计和制造中，高温封装的主要功能有：保护芯片，避免高温环境损坏芯片；为芯片的信号输入、输出提供稳定互连环境；提供系统内外物质、能量与信息交换的渠道[8-10]。

无油密封式结构将成为高温压力传感器封装的主流方案，它的实现依靠各种键合方法完成。中国公开专利CN108529553 A采用SiC或者陶瓷耐高温陶瓷作为基片和基座，钨或者钼作为引线柱，采用Au—Au直接键合基片和基座，形成无氧真空腔结构，将氮化硼/石墨烯/氮化硼薄膜置于无氧真空腔中作为功能材料感应压力。这种封装方法工艺简便易行，封装结构合理可靠，制作的传感器检测精度良好，抗高温能力强，工作温度提升至900℃。中国公开专利C N111707404A则提出一种耐高温碳化硅压力传感器，利用4H—S i C体型引线部分代替金属电路的新型结构，在N型高掺杂外延层刻蚀出4H—S i C体型引线，4H—S i C体型引线和金属焊盘之间通过欧姆接触区实现电连接，取代了金属焊盘和4H—S i C压敏电阻条之间的全金属电路连接，有效提高了传感器电路连接的高温稳定性，并为进一步的直接键合提供了均质的4H—S i C接触面，解决现有技术中全金属电路的封装结构在高温下易失效，现有的封装方法加工效率较低的问题。

随着高温压力传感器制成技术的不断发展和进步，其应用温度在不断提升，而与此同时，封装结构中引线的热疲劳和震荡损坏是导致高温压力传感器失效的重要原因。无引线封装的SiC高温压力传感器是解决上述问题的一种方案。中国公开专利CN109724721A提出了在SiC高温压力传感器的封装过程中引入纳米银（Ag）连接技术，实现了SiC高温压力传感器芯片无引线倒置封装，使用焊盘与Ag纳米颗粒直接连接，不依靠引线进行信号传输，有效地避免了因引线热疲劳与震荡损坏而引起的传感器失效，具有更高的使用温度和更强的抗震性。

采用了金属引线的高温传感器性能受引线寄生电容与高温下欧姆接触比电阻增大的影响，限制了传感器在更高温度下的应用，为解决该问题引入无线传输结构，获得在更高温度下稳定工作的新式压力传感器。无线压力传感器，实质上是一个RLC谐振传感器，是由对外界压力敏感的电容和固定电感构成的谐振电路。美国授权专利US7478562B2公开了高温LC压力传感器，传感器采用SiC—SiO2—SiC三层结构，与SiO2接触的上下层SiC表面分别为电容器的两极板，平行板电容器C内嵌在3层结构当中，而电感L制作在下层SiC底部，与平行板电容器C通过通孔连接。

6.3 微型化

中国公开专利CN108871652A提出一种微型化耐高温高动态压力传感器，采用全SiC材料进行制造，克服了传统半导体上硅（SOI）、蓝宝石上硅（SOS）等类型压力传感器芯片由于存在多种材料而产生热应力失配和损坏的现象；此外，传感器金属焊盘选择“钛—氮化钛—铂”3层材料来实现芯片敏感电阻与金属焊盘的有效连接，这种连接方式能有效抑制在高温条件下敏感电阻与金属焊盘之间的元素扩散，解决传感器芯片高温失效的难题，使所设计的传感器芯片具有优秀的高温稳定性。

6.4 传感器保护层

新型耐高温、抗氧化保护层能够提高传感器在高温高压的恶劣环境下的使用寿命。目前氧化铝（Al2O3）具有熔点高、稳定性好、易制备等优点，是常用的保护层材料，能够有效地提升功能层的工作寿命，目前制备上可用蒸发或溅射等方法在敏感功能层表面生长一层Al2O3薄膜作为保护层[11-13]。在中国公开专利CN102212823A中公开了在薄膜传感器功能层上沉积Al2O3作为保护层。中国公开专利CN105675160A公开了一种钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法，该发明在功能层上设计了2层高温保护层，由内到外分别为氧化铝和非晶碳化硅薄膜，大幅提升了钨铼薄膜的耐腐蚀性和抗氧化性，成功实现高温下长时间测量的目标。中国公开专利CN106498355 A提出了一种适用于高温薄膜传感器的防护层结构，与前一专利不同，该发明中抗氧化复合防护层为3层结构，依次为BN绝缘层、硼化锆复合陶瓷、最外是Al2O3保护层，防护层采用蒸镀或溅射等方法沉积于功能层上，该结构能满足高温条件（1 000～1 700℃）下航空发动机薄膜传感器的抗氧化序曲，大幅提高传感器在高温高压等极端环境下的可靠性、稳定性和使用寿命。

7 其他SiC传感器类型

除上述基于SiC制备的温度传感器外，SiC基传感器还包含多种类型，如新型微光学加速度计等，微光学加速度计可用于高温、高压等极端环境下实时监测飞行器机翼的振动情况，对航空飞行器等领域具有重大意义。SiC微光学加速度计巧妙结合了材料、器件原理与加工工艺等多方面优点，显著提高了加速度计的抗高温、抗辐射等在极端环境下的综合性能，成为未来加速度计重要发展趋势之一[14，15]。中国公开专利CN105004884 A公开一种基于SiC材料制备的微光学加速度计，该专利属于MOEMS技术领域，该方法通过SiC基回旋形悬臂梁—质量块传感结构设计，形成了敏感头极佳的机械响应特性和位移灵敏度，提高了加速度计抗高温等恶劣环境工作能力，同时在测量精度、动态测量范围及小型化等方面性能优异。

中国公开专利CN108011030A公开了一种SiC热电堆型高温热流传感器及其制备方法，通过离子束剥离与转移技术将材料的制备工艺温度降低，方便实现SiC单晶薄膜的制备以及硅基衬底的集成。大连理工大学的申请的专利CN110890457A和CN111312892A均涉及高温三维霍尔传感器。

能够在恶劣环境中（包括高/低温环境、高盐度、高/低湿度以及超高压等极端条件）使用的可穿戴式传感器逐渐走入人们视野。中国公开专利CN111307342 A公开了一种耐高温、柔性压力传感器的制备方法和应用情况，该传感器包括第一电极、第二电极以及其间的介电层，2电极材料均为碳纤维布，介电层选自具有网络结构的陶瓷纳米纤维薄膜，可耐受高达1 300℃的瞬时高温，在370℃下可长期稳定工作。

8 结语

在航空航天传感器材料技术领域，虽然我国在基于SiC半导体材料制作的傳感器方向的专利申请数量快速增加，本土申请人创新能力不断增强，在我国主导地位进一步加强，但是我国在该方向的专利申请以高校申请为主，且产业化程度不够，创新价值体现程度不高。因此，我国应鼓励加强校企合作，推进专利技术的产业化。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.005

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