虞沛芾，李 偉

（上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093）

科技創(chuàng)新是時代進步永恒的主題，而“物聯(lián)網(wǎng)”的出現(xiàn)將會使人們的生活發(fā)生徹底地改變。過去的20年里，物聯(lián)網(wǎng)引起越來越多的關(guān)注，隨著移動網(wǎng)絡(luò)5G時代的開啟，越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施會被移動寬帶連接起來，可以預(yù)見的未來將是物物互聯(lián)的感知世界。傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)的核心元件，各類傳感器的部署和應(yīng)用是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基本條件。傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、交通運輸、生物工程等領(lǐng)域有著非常廣泛的運用[1-3]。由此可見，傳感器研發(fā)的高度重要性。

目前市場上主要的壓力傳感器有陶瓷壓阻式、擴散硅式、金屬應(yīng)變片粘貼式、差壓電容式、薄膜式等[4]。薄膜壓力傳感器是利用現(xiàn)代薄膜制備技術(shù)，在金屬彈性基體上沉積薄膜應(yīng)變電阻，因其具有精度高、蠕變性好、抗干擾力強等性能，目前已被廣泛的運用在航空航天、機械制造、土木采礦等相關(guān)領(lǐng)域的壓力測量。薄膜壓力傳感器厚度低至幾百納米到幾十微米，可直接在被測零件表面制膜而不影響設(shè)備內(nèi)部環(huán)境，制作簡單，有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/感知一體化制造[5]。由于具備這些優(yōu)點，薄膜壓力傳感器得到越來越多國家的關(guān)注。

目前世界上有40多個國家的6 500 多個企業(yè)研制生產(chǎn)傳感器，產(chǎn)品20 000多種。我國研制生產(chǎn)的傳感器共10大類，42小類，10 000多個品種。據(jù)業(yè)內(nèi)人士估算，全球傳感器市場規(guī)模在2016—2021年復(fù)合增長率為11%，至2021年市場規(guī)模將高達2 000億美元。其中壓力傳感器在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域已達39%，占比最高，由此可見其研發(fā)的重要性[6-7]。而薄膜壓力傳感器作為壓力傳感器的重要分支之一，因為其優(yōu)異的性能在工業(yè)生產(chǎn)中受到廣泛的運用。

本文主要介紹了薄膜壓力傳感器的組成和原理，基于材料種類不同對薄膜壓力傳感器進行分類，對不同的電阻層材料性能上的差異以及薄膜的制備技術(shù)進行綜述?；诮昙{米材料、MEMS技術(shù)、微波技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合薄膜壓力傳感器的研究現(xiàn)狀，總結(jié)近年來薄膜壓力傳感器的最新研發(fā)情況，并對其未來的發(fā)展進行展望。

1 原理及其分類

薄膜壓力傳感器屬于交叉學(xué)科，是材料學(xué)、化工學(xué)、基礎(chǔ)物理、光電學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的結(jié)合，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是薄膜制備技術(shù)與電阻層、絕緣層材料的選取。本部分介紹了薄膜傳感器的組成及原理，重點突出了NiCr合金薄膜壓力傳感器及SiC薄膜壓力傳感器的發(fā)展及國內(nèi)外研究情況，對比了不同電阻層材料制成的傳感器性能上的差異。

1.1 薄膜壓力傳感器組成及原理

薄膜壓力傳感器的主要組成部分：基體、轉(zhuǎn)換元件以及信號調(diào)理電路等，如圖1所示。合金薄膜壓力傳感器一般采用濺射、蒸鍍等方法把合金沉積在彈性基體上，具體膜層結(jié)構(gòu)如圖2所示。薄膜電阻層通過感受彈性元件的應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)電阻變化，通過信號調(diào)理電路輸出相應(yīng)的電壓信號，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換[8]。

圖1 薄膜壓力傳感器的功能模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram for the functional modules of thin film pressure sensor

圖2 合金薄膜壓力傳感器膜層結(jié)構(gòu)Fig.2 Membrane structure of alloy thin film pressure sensor

而半導(dǎo)體材料薄膜壓力傳感器采用單晶硅為基體，壓力腔彈性膜由單晶硅通過各向異性腐蝕而得到，沉積SiO2作為絕緣層，化學(xué)氣相沉積等方法外延生長壓敏電阻薄膜[9]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。薄膜壓阻層通過感受外部壓力引起壓阻材料載流子密度的變化，從而導(dǎo)致薄膜電阻的變化，其后的信號調(diào)理和電量轉(zhuǎn)化與合金薄膜壓力傳感器類似。

圖3 半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器膜層結(jié)構(gòu)Fig.3 Membrane structure of semiconductor thin film pressure sensor

薄膜壓力傳感器工作原理與薄膜材料有關(guān)，當(dāng)薄膜材料為合金薄膜時其工作原理是“應(yīng)變-電阻效應(yīng)”。當(dāng)彈性敏感元件受到一定的壓力，其發(fā)生微小的機械變形導(dǎo)致了在敏感元件上的合金薄膜發(fā)生形變。而合金薄膜在彈性范圍內(nèi)發(fā)生變形引起薄膜的橫截面積發(fā)生變化，薄膜電阻率因晶格發(fā)生變形等因素而改變，最終合金薄膜的電阻發(fā)生變化。通過橋式電路，將阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電壓變化。當(dāng)薄膜材料為半導(dǎo)體材料時，其工作原理為壓阻效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受到外力后，材料的幾何形狀幾乎沒什么改變，但其晶格參數(shù)發(fā)生改變，影響禁帶寬度，從而引起載流子密度發(fā)生很大的改變，最終導(dǎo)致材料的電阻率發(fā)生改變。

1.2 薄膜壓力傳感器的分類

薄膜壓力傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，散熱良好，克服了傳統(tǒng)粘貼式應(yīng)變壓力傳感器應(yīng)變靈敏系數(shù)低及滯后、穩(wěn)定性差等缺點，因而得到廣泛的使用[10]。目前，薄膜壓力傳感器的薄膜材料來源廣泛，例如：鎳鉻合金及其改良型合金、鉑鎢合金、鈀鉻合金等金屬合金薄膜材料[9]；SiC、Poly-Si、金剛石等半導(dǎo)體薄膜材料[11-13]。薄膜原材料來源豐富，材料特性各有不同，因此，基于材料不同可以將薄膜壓力傳感器劃分為合金薄膜壓力傳感器和半導(dǎo)體材料薄膜壓力傳感器。

1.2.1 合金薄膜壓力傳感器

合金薄膜制作的壓力傳感器雖然應(yīng)變靈敏系數(shù)較低，但具有精度高、抗干擾能力強、溫度特性較好且應(yīng)用溫度范圍較寬等優(yōu)點得到了廣泛的運用。合金薄膜壓力傳感器也因為合金材料的優(yōu)質(zhì)特性，成為目前壓力薄膜傳感器研究體系重要的一個分支。

由于材料特性不同，不同合金制成的薄膜壓力傳感器可承受的溫度相差很大[14]。銅鎳合金用于常溫壓力傳感器；鎳鉻合金用于高溫壓力傳感器，其可承受工作溫度可達600 ℃，鎳鉻改良型合金用于低溫、中高溫壓力傳感器，其工作溫度范圍在-269～350 ℃；鉑鎢合金薄膜壓力傳感器其最高使用溫度1 000 ℃；鈀鉻合金適用于超高溫薄膜壓力傳感器其最高使用溫度達1 100 ℃[15-16]。

（1）鎳鉻系合金薄膜壓力傳感器

鎳鉻系合金具有較高的高阻率、較低的電阻溫度系數(shù)和較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)等優(yōu)點[17]。Tillmann等[18]研究了NiCr薄膜在不同Cr含量下的熱電性能和力學(xué)性能，Kazi等[19]通過磁控濺射制備Ni80Cr20薄膜，研究了膜厚度和熱處理對薄膜方塊電阻、電阻應(yīng)變系數(shù)等電學(xué)性能的影響，結(jié)果表明該組分鎳鉻薄膜適用于中低溫環(huán)境下的壓力測量。

由于鎳鉻合金薄膜一直受到人們青睞，研究人員對改善鎳鉻合金薄膜的電學(xué)性能做了深入的研究。晏建武等[20]對NiCr系合金薄膜壓力傳感器的國內(nèi)外研究進展進行了總結(jié)，一般來說人們想得到更好的合金薄膜電阻應(yīng)變計可以從進一步降低電阻溫度系數(shù)，提高電阻率和熱穩(wěn)定性加以改進。通過改變材料的組成及其結(jié)構(gòu)可以獲得材料更好性能?，F(xiàn)研究表明在鎳鉻合金薄膜中摻雜其他元素、制備多層合金膜和納米薄膜等途徑均能提高薄膜的電學(xué)性質(zhì)[21]。

通過添加其他元素改善鎳鉻合金薄膜電學(xué)性質(zhì)的研究還很不完全，目前對含氮鎳鉻合金薄膜研究表明：氮氣的加入能影響薄膜的形成機制，通過控制薄膜晶粒的生長，使薄膜從多晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為納米晶結(jié)構(gòu)，保持薄膜的顆粒尺寸在100 nm左右[22]；且含氮鎳鉻合金薄膜的電阻率和電阻溫度系數(shù)都得到了大幅度的改善，穩(wěn)定性很好。賴莉飛等[23]研究了C摻雜型NiCr合金薄膜的電性能和微觀結(jié)構(gòu)。研究表明NiCr薄膜中摻雜C元素后，薄膜的缺陷和應(yīng)力得以減小，摻雜C的NiCr薄膜具有更穩(wěn)定的電性能。Zelenka等[24]用直流磁控濺射設(shè)備研制出一種含氮鎳鉻膜/鋁膜/含氮鎳鉻多層膜，研究表明這種三明治結(jié)構(gòu)的多層鎳鉻合金薄膜在350 ℃空氣中進行退火處理其電阻溫度系數(shù)接近零。鎳鉻多層膜和納米鎳鉻膜是一個比較新的領(lǐng)域，關(guān)于鎳鉻合金多層膜與納米膜的報道較少，因此，對于他們能否提高薄膜的電學(xué)性能，有待人們做進一步探索。

（2）鉑鎢合金薄膜壓力傳感器

鉑鎢合金制備成的薄膜在高溫下具有優(yōu)異的抗氧化性。電阻溫度系數(shù)與溫度線性關(guān)系明顯，且應(yīng)變靈敏系數(shù)較高。因此鉑鎢合金主要用于解決高溫應(yīng)變測量問題。但其缺點主要是電阻溫度系數(shù)大，實際使用中溫度補償較為困難，這是日后研究所需要完善的地方。彭士元等[25]在藍寶石上制備的Pt92W8薄膜壓力傳感器主要性能參數(shù)如下：量程0.2～10 MPa；精度0.5 %F·S；應(yīng)用溫度區(qū)間 -10 ～400 ℃；零點溫度漂移及靈敏溫度漂移均較小，具有較好的長期穩(wěn)定性。

（3）鈀鉻合金薄膜壓力傳感器

在薄膜壓力傳感器高溫測量領(lǐng)域美國NANS的Lewis研究中心處于世界前列，隨航天技術(shù)的進步，高溫測量領(lǐng)域得到越來越多的重視。鈀鉻合金在高溫環(huán)境下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可在空氣中形成穩(wěn)定的Cr2O3抗氧化層。Pd-Cr合金的這些特性使得其電阻溫度特性穩(wěn)定性好，并且電阻溫度特性和靈敏度溫度特性均與溫度成良好線性關(guān)系，可承受1 000 ℃以上高溫。Lei等[26]利用Pd-Cr合金作為薄膜材料制成的壓力傳感器成功地在1 100 ℃的燃氣環(huán)境中對渦輪葉片的動態(tài)應(yīng)變進行檢測，但其使用壽命短。薄膜壓力傳感器在高溫環(huán)境下測量已經(jīng)不單單取決于電阻層材料的極限，絕緣層材料能否將電阻層和彈性基體保持絕緣也直接影響傳感器壓力測量上限。與鉑鎢合金薄膜相比較，鈀鉻合金薄膜的耐高溫性能更加優(yōu)異，一旦封裝技術(shù)得以解決，傳感器能在高溫環(huán)境下保證穩(wěn)定的絕緣性，鈀鉻合金薄膜壓力傳感器將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2.2 半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器

目前國內(nèi)外研制的半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器其材料包括單晶硅、Poly-Si(多晶硅)、SiC（碳化硅）、金剛石等，結(jié)構(gòu)有藍寶石上硅(silicon on sapphire，SOS) 和絕緣體上硅（silicon on insulator，SOI）等[27]。半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器應(yīng)變靈敏系數(shù)較高，一般情況下比金屬薄膜的應(yīng)變系數(shù)高出一個數(shù)量級，適合批量生產(chǎn)且成本低廉，其缺點是溫度特性較差[28]。

（1）多晶硅薄膜壓力傳感器

隨著薄膜制備技術(shù)與MEMS技術(shù)的發(fā)展，多晶硅薄膜作為壓阻敏感材料受到高度的重視[29]，研究者對多晶硅薄膜的壓阻性能進行了大量的研究，并且已經(jīng)利用多晶硅薄膜研制出多種傳感器。

多晶硅薄膜作為壓阻材料具有以下特點：與集成電路工藝、基體材料兼容性好；具有良好的高溫壓阻性能，適合于中、高溫傳感器的研制；多晶硅薄膜的機械性能優(yōu)越可進行氧化、光刻、摻雜等工藝步驟，進行器件設(shè)計時靈活性高[30]。

1974年Jaffe[31]研制了第一個多晶硅薄膜壓力傳感器。該傳感器采用化學(xué)氣相沉積方法制備了2.4 μm厚的多晶硅薄膜，通過各向異性腐蝕技術(shù)制成硅杯結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。研究顯示該多晶硅薄膜壓力傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)為24，在0～9.34 MPa壓力范圍內(nèi)輸出電壓線性度良好。在Jaffe的基礎(chǔ)上國內(nèi)外科研工作者對多晶硅薄膜壓力傳感器進行了大量的研究。Erskine[32]于1983年研制了一種金屬上多晶硅薄膜壓力傳感器，該傳感器采用金屬鉬為襯底，采用Si3N4和磷硅玻璃作為絕緣層，利用CVD制備1 μm厚的多晶硅薄膜。1997年姚素英等[30]從薄膜材料的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新采用低壓化學(xué)氣相沉積（low pressure chemical vapor deposition，LPCVD）制備矩形雙島硅膜結(jié)構(gòu)的多晶硅壓力傳感器，研究表明，矩形雙島硅膜結(jié)構(gòu)具有應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)變靈敏性能比同尺寸的硅杯型傳感器高約30%。2008年趙曉鋒等[33]基于MEMS技術(shù)采用LPCVD在襯底溫度620 ℃時研制的納米多晶硅壓力傳感器在硅膜厚度75 μm時，其靈敏度為0.151 %F.S。陸學(xué)斌等[21]在納米多晶硅壓力傳感器上面做了進一步突破，其研制的傳感器在常溫下靈敏度可達22.23 mV·V-1·MPa-1，靈敏度溫度系數(shù)為-0.13 %/℃，＞零點溫度系數(shù)為-0.17 %/℃，適用的溫度范圍在0～200 ℃。

（2）SiC薄膜壓力傳感器

SiC材料是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有耐高溫、耐高壓、耐輻射的特點，可用來制作高溫電子器件。SiC薄膜具有良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及較大的壓阻系數(shù)。隨著SiC薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，SiC薄膜材料成為研究高溫壓力傳感器的研究熱點。

SiC薄膜壓力傳感器主要有3種類型：3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC[34]。單晶3C-SiC薄膜壓力傳感器一般采用硅作為基體，兩步外延生長技術(shù)制備3C-SiC薄膜作為敏感膜層。直接在硅上外延生長3C-SiC薄膜，制備高溫壓力傳感器具有工藝兼容、成本低、工藝簡單易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點[35]。西安電子科技大學(xué)利用此種方法制作壓力傳感器[36]，其主要指標(biāo)如下：測量范圍：0～20 MPa、0～40 MPa、0～60 MPa；精度±1%；使用溫度0～200 ℃；溫度系數(shù)：5×10-4/℃F·S；滿量程輸出 80×（1±50%）mV；零點漂移：≤0.2 mV·h-1。但硅上外延生長單晶3C-SiC薄膜采用的是PN結(jié)隔離，當(dāng)測試溫度在120 ℃以上時，PN結(jié)漏電現(xiàn)象明顯，使器件難以正常工作。為解決這一問題，在硅襯底表面熱氧化生成SiO2作為絕緣層，可以減小漏電，提高工作溫度，在SiO2上再沉積多晶硅，這種結(jié)構(gòu)為SOI。奔馳公司與德國柏林工業(yè)大學(xué)合作[37]以SOI晶片為襯底，在SiO2表面選擇性生長多晶3C-SiC薄膜，薄膜采用圓膜結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果表明：在200 ℃ 時，靈敏度為 21 mV·V-1·MPa-1，室溫時靈敏度為35 mV·V-1·MPa-1。日本Shinshu大學(xué)[38]將多晶3C-SiC薄膜沉積在SiO2之上，膜片由Si基體通過微機械加工制備。采用SOI結(jié)構(gòu)為基體可進一步提高工作溫度達到350 ℃。

6H-SiC是SiC多型體中結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定的材料，在高溫環(huán)境下具有良好的力學(xué)性能和較大的壓阻系數(shù)，由于6H-SiC擁有比3C-SiC更寬的帶隙，所以在高溫下漏電流小，并且不存在由晶格失陪和熱膨脹系數(shù)不同而引起的種種問題，因此6H-SiC薄膜壓力傳感器適合高溫的壓力檢測。單晶3C-SiC、多晶3C-SiC薄膜制成的壓力傳感器一般適用在200 ℃以下的環(huán)境進行壓力檢測，采用SOI結(jié)構(gòu)可以使應(yīng)用溫度得到進一步提高，但當(dāng)檢測溫度高于500 ℃后，硅膜片的熱可塑性問題制約了此類薄膜壓力傳感器的發(fā)展。1996年美國國家航空航天局與庫里特公司Okojie合作研究SiC薄膜高溫壓力傳感器，并取得豐碩的成功。Okojie等[39]采用等離子刻蝕N型6H-SiC的高溫薄膜傳感器能在350 ℃正常使用。1998年Okojie等[40]將6H-SiC薄膜壓力傳感器的使用溫度提高到500 ℃。

4H-SiC被認為是最大功率方面最有前途的SiC材料。2015年Okojie等[41]利用離子刻蝕技術(shù)在3 μm的N型外延層上制備單晶4H-SiC并采用AlN進行封裝，試驗結(jié)果表明該SiC傳感器在800 ℃環(huán)境下靈敏度達到正常測試要求。

（3）金剛石薄膜壓力傳感器

金剛石薄膜具有熔點高、高溫下結(jié)晶穩(wěn)定、禁帶寬度大、電子、空穴遷移率高、介電常數(shù)低等特點，廣泛的運用在微型器件[42]。目前對金剛石薄膜的理論研究與實際應(yīng)用還有較大的差距，在高溫有氧環(huán)境下金剛石表面易碳化，金剛石與金屬間難以形成理想的歐姆接觸等問題，但隨摻雜技術(shù)的研究，金剛石薄膜壓力傳感器在高溫環(huán)境下的運用有十分大的潛力。

2 薄膜壓力傳感器的制備技術(shù)

近些年隨器件“微元化”的需求量日益增加，薄膜傳感器得到越來越多的運用，而激光技術(shù)、微波技術(shù)和離子束技術(shù)的提升，使得人們發(fā)展了多種薄膜制備方法。按照物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）、化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、其他薄膜制備方法進行分類，講述了薄膜制備技術(shù)在薄膜壓力傳感器中的運用及不同制備技術(shù)的特點。結(jié)合脈沖激光技術(shù)、等離子體增強技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，介紹的新型薄膜制備技術(shù)在薄膜壓力傳感器上的運用。

2.1 PVD

2.1.1 真空蒸鍍

真空蒸鍍法制造薄膜工藝成熟，用途較廣，在薄膜壓力傳感器的制造中除用來制作薄膜電阻和電容，更多地用來制造電極薄膜。常用蒸發(fā)Al和Au的方法獲得電極的歐姆接觸區(qū)[43]。陰極電弧具有較高的沉積速率，以高能粒子轟擊基片使得薄膜與基體的結(jié)合力提高，然而，陰極電弧蒸發(fā)過程較為激烈，產(chǎn)生的較多的有害顆粒，因此，限制了陰極電弧技術(shù)的運用場合。

2.1.2 磁控濺射

磁控濺射技術(shù)是一項較為成熟且被廣泛運用的制備功能性薄膜的薄膜制備技術(shù)，是薄膜壓力傳感器中絕緣層薄膜和電阻層薄膜制備的主要手段，磁控濺射技術(shù)分為直流磁控濺射、射頻磁控濺射以及微波電子回旋共振（microwave electron cyclotron resonance,MW-ECR）射頻磁控濺射等方法。在薄膜壓力傳感器中直流磁控濺射技術(shù)和射頻磁控濺射技術(shù)為制備薄膜的主要方法。

直流磁控濺射技術(shù)的特點是濺射速率高、設(shè)備簡單，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛運用。在薄膜壓力傳感器中合金電阻層主要采用直流磁控濺射技術(shù)制備合金薄膜。而采用直流磁控濺射技術(shù)在制備SiO2等絕緣性薄膜時，隨濺射的進行，使得放電電流通路被切斷，產(chǎn)生“陽極消失現(xiàn)象”、“靶中毒”和異?；」夥烹姮F(xiàn)象，這直接影響鍍膜均勻性和成膜質(zhì)量[44]。因此，一般直流磁控濺射技術(shù)采用的靶材均為能導(dǎo)電合金類材料。

隨著等離子技術(shù)、電子技術(shù)、真空技術(shù)的發(fā)展，人們越來越不滿足傳統(tǒng)的磁控技術(shù)制備出薄膜的性能和效率，針對傳統(tǒng)磁控技術(shù)電離率低，等離子體能量較高易對基片產(chǎn)生損傷，研究人員開發(fā)MWECR射頻磁控濺射技術(shù)。通過增加一個微波電場使初始電子在磁場中產(chǎn)生拉摩回旋運動，使電子發(fā)生共振，從而產(chǎn)生共振能量吸收，變成高能電子；這些高能電子和工作氣體分子發(fā)生非彈性碰撞，使之電離，產(chǎn)生高密度等離子體[45]。MW-ECR等離子體增強射頻反應(yīng)磁控濺射特點：工作氣體的電離率高、濺射氣壓低、等離子體離子能量低，對基片損傷小[44]。針對傳統(tǒng)平衡磁控制備壓力傳感器絕緣層薄膜時產(chǎn)生放電效應(yīng)而使薄膜存在缺陷，研究人員發(fā)開了脈沖非平衡磁控濺射，它克服了傳統(tǒng)磁控濺射難以制備大面積、多組分、致密、高質(zhì)量薄膜的問題；同時利用脈沖離子源提高了薄膜的沉積速率，更加符合工業(yè)化生產(chǎn)的需求[46]。此外，我國雷明凱等[47]使用等離子增強薄膜技術(shù)制備Al2O3膜，研究表明其能有效的增加薄膜沉積速率、改善薄膜附著力、促進形成化學(xué)計量配比成分等優(yōu)點。

2.2 CVD

2.2.1 LPCVD

LPCVD制備技術(shù)擁有極佳的臺階覆蓋性、良好的組成成分和結(jié)構(gòu)控制性、較高的沉積速率等，所以被廣泛的運用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)薄膜制備技術(shù)中，其缺點是工藝溫度偏高[47]。在半導(dǎo)體集成電路和MEMS器件制造領(lǐng)域運用廣泛，在薄膜壓力傳感器中LPCVD通常被用來制備多晶硅薄膜。采用LPCVD制備多晶硅薄膜需要嚴格的控制工藝條件，保持沉積系統(tǒng)穩(wěn)定，建立穩(wěn)定的沉積模式，選擇最佳的沉積溫度、氣體流量、反應(yīng)壓力來控制多晶硅的沉積過程，才能制備表面質(zhì)量好、均勻性高的多晶硅薄膜[48]。

2.2.2 等離子增強化學(xué)氣相沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）

PECVD技術(shù)是在低氣壓下，利用低溫等離子體產(chǎn)生輝光放電，然后通入適量的工藝氣體，這些氣體經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)和等離子反應(yīng)，最終在樣品表面形成固態(tài)薄膜[49]。PECVD薄膜制備技術(shù)優(yōu)點是沉積溫度可以降低，薄膜生長速率快，且薄膜致密；缺點是因受氣流模型的限制，均勻性和重復(fù)性受到影響，氣體反應(yīng)不充分生成粉塵且薄膜易遭到污染[50]。采用PECVD可以制備壓力傳感器中的絕緣層Al2O3薄膜。這種制備技術(shù)的優(yōu)點在于：制備薄膜的溫度低，壓力小，膜層附著力大等特點。

2.3 其他薄膜制備技術(shù)

溶膠-凝膠法[51]是指金屬有機或無機化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其他化合物固體的方法。溶膠-凝膠法的優(yōu)點是工藝設(shè)備簡單，可以有效地控制薄膜的成分和微觀結(jié)構(gòu)。缺點是制備的薄膜與基材的結(jié)合力差，成本較高，薄膜制備時間長。

脈沖激光沉積（pulsed laser deposition，PLD）[52]是將準分子脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生高溫高壓等離子體，這種等離子體定向局限膨脹發(fā)射并在襯底上沉積而形成薄膜的一種鍍膜技術(shù)。激光作為一個外部能源不會引起沉積過程的污染，且該技術(shù)的簡單性和多用性引起越來越多科研工作者的興趣。其缺點是沉積薄膜表面微米級顆粒的產(chǎn)生，沉積過程能量高、薄膜沉積面積小等。目前采用PLD法已成功制備出Al2O3膜[53]。這也是一種新型制備壓力傳感器絕緣層薄膜的方法。

3 薄膜壓力傳感器的發(fā)展

薄膜傳感器發(fā)展方向取決于多個因素，就如何提升薄膜材料的性能上來看，薄膜傳感器向高精度、高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展。隨著自動化程度不斷提高，研制出具有靈敏度高、精度高、響應(yīng)時間短、互換性好的傳感器已經(jīng)十分必要。研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。就工作環(huán)境來看，薄膜壓力傳感器向著耐極溫環(huán)境，耐腐蝕環(huán)境發(fā)展。隨航空航天、石油鉆井輸送等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，薄膜壓力傳感器將會面臨越來越復(fù)雜的測試環(huán)境，因此，研制于此相關(guān)的薄膜壓力傳感器就顯得尤為重要[54]。

隨MEMS技術(shù)、封裝技術(shù)、激光刻蝕、納米材料等技術(shù)的發(fā)展，薄膜壓力傳感器越來越向微型化、微功耗及無源化方向發(fā)展。傳感器件的微型化是當(dāng)今傳感研究的一大熱門[55]。器件微型化，傳感設(shè)備將具有小體積、低功耗、高可靠性、適于批量生產(chǎn)、易于集成等特點。開發(fā)微功耗及無源傳感器，也是薄膜壓力傳感器研究熱點之一[56]。

集成化特別是集成式微型智能傳感器是世界范圍內(nèi)全新的研究課題[57]，它的特點是功能單一、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。隨著軟件集成、軟測量、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)具有智能化特性的傳感器已經(jīng)成為可能。薄膜壓力傳感器將向著集成化、智能化的方向發(fā)展。

4 總結(jié)和展望

薄膜壓力傳感器的研發(fā)與運用對我國航空航天，機械制造等相關(guān)領(lǐng)域意義重大，也是我國發(fā)展器件微型化不可分割的重要組成部分。本文從薄膜材料選取和薄膜制備技術(shù)對薄膜壓力傳感器進行綜述，總結(jié)合金薄膜材料和半導(dǎo)體薄膜材料的特性，結(jié)合MW-ECR技術(shù)、PECVD技術(shù)、PLD技術(shù)等薄膜制備技術(shù)系統(tǒng)介紹了薄膜壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀。鎳鉻改良型薄膜材料特別是鎳鉻多層膜和鎳鉻納米復(fù)合多層膜能否提高薄膜電學(xué)性能，有待研究人員進行進一步探索。SiC薄膜材料的研究，美國國家航空航天局一直處于領(lǐng)先地位，并且通過離子刻蝕技術(shù)、封裝技術(shù)結(jié)合3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC材料的研究逐步提高SiC薄膜壓力傳感器的測試溫度。隨著薄膜材料的研究和薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，薄膜壓力傳感器將會向?qū)挏囟取⒏呔?、高可靠性進一步發(fā)展。