蘇州珈途傳感技術(shù)有限公司
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閱讀：30發(fā)布時間：2025-2-28
目前壓力傳感器芯體材料種類繁多，那制作壓力傳感器中的幾種芯體材料的性能如何？下面珈途傳感將為您簡單介紹幾種芯體材料的性能。
一、單晶硅。
硅廣泛應(yīng)用于集成電路和微電子設(shè)備的生產(chǎn)，主要利用硅的電氣特性；在MEMS微機械結(jié)構(gòu)中，利用其機械特性生產(chǎn)新一代硅機電設(shè)備和設(shè)備。硅材料儲量豐富，成本低。硅晶體易于生長，材料超純無雜，不純度為10億分，內(nèi)耗小，機械質(zhì)量因數(shù)可高達10^6數(shù)量級。設(shè)計得當(dāng)?shù)奈⒒顒咏Y(jié)構(gòu)，如微傳感器，可達到極小的遲滯和蠕變，優(yōu)異的重復(fù)性、長期穩(wěn)定性和高可靠性。因此，硅壓阻壓力傳感器的使用有利于解決長期困擾傳感器領(lǐng)域的三個問題——延遲、重復(fù)和長期漂移。
硅材料密度為2.33g/cm^2，是不銹鋼密度的1/3.5，而彎曲強度是不銹鋼的3.5倍，強度/密度比高，剛度/密度比高。單晶硅具有良好的導(dǎo)熱性，是不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)小于不銹鋼的1/7，可與低膨脹Invar合金良好連接，避免熱應(yīng)力。單晶硅是立方晶體，是各向異性材料。許多機械特性和電子特性取決于晶向，如彈性模量和壓阻效應(yīng)。
電阻應(yīng)變靈敏度高的單晶硅。在相同的輸入下，可以獲得比金屬應(yīng)變計更高的信號輸出，通常是金屬的10-100倍，可以敏感地輸入10-6甚至10-8。硅材料的制造工藝與集成電路工藝兼容性好，便于微型化、集成化、批量生產(chǎn)。硅可以用氮化硅等多種材料覆蓋，從而獲得優(yōu)良的防腐介質(zhì)保護。耐磨性好。
綜上所述，硅材料的優(yōu)點可分為：優(yōu)良的機械特性、批量微機械結(jié)構(gòu)和微機電元件、微電子集成電路工藝、微機械和微電子線路。
正是這些優(yōu)點使硅材料成為制造微機電和微機械結(jié)構(gòu)的主要材料。但硅材料對溫度極為敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近2000×10^-6/K的量級。因此，所有基于硅的壓阻效應(yīng)為測量原理的傳感器都必須進行溫度補償，這是不利的一面；可用的一面是在測量其他參數(shù)時可以直接測量溫度。
二、多晶硅。
多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合物。這些晶粒的排列是無序的，不同的晶粒有不同的單晶方向，每個晶粒都有單晶的特征。晶粒與晶粒之間的部分稱為晶界，通過摻雜原子濃度可以調(diào)節(jié)晶界對其電特性的影響。多晶硅膜一般采用低壓化學(xué)氣相積(LPVCD)法制成，其電阻率隨硼原子濃度的變化而變化較大。多晶硅膜的電阻率高于單晶硅，特別是在低摻雜原子濃度下。電阻率可以在較寬的值范圍內(nèi)隨摻雜原子濃度而變化。
多晶硅的壓電效應(yīng)：壓縮時電阻下降，拉伸時電阻上升。隨著摻雜濃度的增加，多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系統(tǒng)略有下降。縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)值約為金屬應(yīng)變計值的30倍，是單晶硅電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)值的1/3；橫向應(yīng)變靈敏度系數(shù)隨摻雜濃度而變化，因此一般不使用。此外，與單晶硅壓阻相比，多晶硅壓阻膜可在介電體(SiO2、Si3N4)等不同材料襯底上制作。其制備工藝與常規(guī)半導(dǎo)體工藝兼容，無PN結(jié)隔離問題，適用于工作溫度較高(T≥200℃)的場合。與單晶硅壓阻膜相比，多晶硅壓阻膜能更有效地抑制溫度漂移，有利于實現(xiàn)長期穩(wěn)定性。通過光刻手段可以獲得多晶硅電阻膜的精確電阻值。
綜上所述，多晶硅膜具有工作溫度范圍廣(-60~+300℃)、可調(diào)電阻率、可調(diào)溫度系數(shù)、應(yīng)變靈敏度高、電阻值調(diào)整準確等特點。因此，在開發(fā)微傳感器和微執(zhí)行器時，使用多晶硅膜有時比單晶硅更有價值。例如，用機械性能優(yōu)異的單晶硅制作感壓膜，覆蓋一層介質(zhì)膜SiO2，然后在SiO2上積累一層多晶硅壓阻膜。這種混合結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器充分發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料的優(yōu)點，其工作溫度至少為200℃甚至300℃；低溫為-60℃。
三、硅-藍寶石。
硅-藍寶石材料是通過外延生長技術(shù)在藍寶石(α-Al2O3)襯底上生長硅晶體。硅晶體可視為藍寶石的延伸部分，它們構(gòu)成硅-藍寶石SOS(SiliconSaphire)晶片。藍寶石材料是絕緣體，其上面積累的每一個電阻都是獨立的。這不僅可以消除PN結(jié)泄漏引起的漂移，還可以在高溫(≥300℃)下提供高應(yīng)變效應(yīng)和工作穩(wěn)定性。藍寶石材料的遲滯和蠕變可以忽略不計，因此具有的重復(fù)性；藍寶石是一種化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、耐輻射性強的惰性材料；藍寶石機械強度高。
綜上所述，充分利用硅藍寶石的特點，制造具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射性能的傳感器和電路；但要獲得高精度、穩(wěn)定可靠的指標，還必須解決整體結(jié)構(gòu)中材料之間的熱匹配，否則很難達到預(yù)期的目標。由于硅藍寶石材料脆硬，其硬度僅次于金剛石，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。
四、化合物半導(dǎo)體材料。
硅是制造微機電器件和裝置的主要材料?；衔锇雽?dǎo)體材料在某些特殊技術(shù)中起著重要作用，以提高設(shè)備和系統(tǒng)的性能，擴大應(yīng)用范圍。例如，Pbse、Inas、Hg1-xcdxte(x代表Cd的百分比)等材料在紅外光、可見光和紫外光波段的成像器和探測器中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
以紅外探測器為例。實用的光敏探測器是利用紅外輻射和物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)開發(fā)的，主要針對大氣傳輸中紅外輻射最清晰的三個波段(1-3μm、3-5μm、8-14μm)。波長1-3μm敏感的探測器包括PBS、Inas和Hg0.61cd0.39Te；波長3-5μm敏感的探測器包括Inas、Pbse和Hg0.73cd0.27Te；波長8-14μm敏感的探測器包括Pb1-xsnxTe、Hg0.8cd0.2Te和非本征半導(dǎo)體Ge:Hg、Si:Ga、Si:Al等。其中，3元合金Hg1-xcdxte是一種本征吸收材料。通過調(diào)整材料組分，不僅可以制成適合3個波段的裝置，還可以開發(fā)更長工作波段(1-30μm)的應(yīng)用，引起了人們的廣泛關(guān)注。
需要指出的是，上述材料需要在低溫(如77K)下工作。因為在室溫下，由于晶格振動能和雜質(zhì)能的相互作用，熱激勵的載流子數(shù)增加，而激發(fā)的光子數(shù)顯著減少，從而降低了波長區(qū)域的探測靈敏度。
五、SiC薄膜材料。
在特殊環(huán)境下，SiC是另一種化合物半導(dǎo)體。它由碳原子和硅原子組成。將碳原子注入單晶硅中，利用離子注入摻雜技術(shù)，可獲得優(yōu)質(zhì)立方體結(jié)構(gòu)的SiC。由于摻雜濃度的不同，晶體結(jié)構(gòu)可以表示為β-SiC。β表示不同形式的晶體結(jié)構(gòu)。采用離子注入法獲得的SIC材料具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和電學(xué)特性，具有強度高、剛度大、內(nèi)部殘余應(yīng)力低、化學(xué)惰性強、禁帶寬度寬（硅近1-2倍）、壓阻系數(shù)高等特點；因此，SIC材料能在高溫下耐腐蝕、耐輻射，具有穩(wěn)定的電學(xué)性能。非常適合在高溫惡劣環(huán)境下工作的微機電選擇。
由于SiC單晶材料成本高、硬度高、加工難度大，以硅單晶為襯底的SiC薄膜成為研究和使用的理想選擇。在Si襯底或絕緣體襯底(SiCOI)上，通過離子注入、化學(xué)氣相積累(VCD)等技術(shù)制作，供設(shè)計師選擇。如航空發(fā)動機、火箭、、衛(wèi)星等耐熱腔及其表面部位的壓力測量，可選用絕緣體作為壓力感應(yīng)元件（膜），制成高溫壓力微傳感器，實現(xiàn)上述場合的壓力測量。工作溫度可達600℃以上。
多晶Sic(Poly-Sic)薄膜除了使用單晶Sic(Single-Sic)薄膜外，還可以在MEMS的許多應(yīng)用中使用。多晶SIC比單晶SIC更適用。它可以通過等離子體強化氣相積累、物理濺射、低壓氣相積累和電子束放射等技術(shù)，在各種襯底（如單晶硅、絕緣體、SiO2犧牲層和非晶硅等）上生長成薄膜。
簡而言之，SiC是一種具有寬帶間隙、高擊穿場強、導(dǎo)熱性高、電子飽和速度高、機械化學(xué)性能優(yōu)異的材料。這些特點使適用于制造高溫、高功率、高頻電子設(shè)備；也適用于制造高溫半導(dǎo)體壓力傳感器。
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