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常見(jiàn)問(wèn)題
不同壓力傳感器芯體材質(zhì)的特點(diǎn)分析
時(shí)間: 2023-08-14 09:23:12 瀏覽次數:

目前,壓力傳感器芯體材質(zhì)種類(lèi)繁多,下面簡(jiǎn)單引見(jiàn)下幾種芯體材質(zhì)的性能

  一、單晶硅

  硅在集成電路和微電子器件消費中有著(zhù)普遍的應用,主要是應用硅的電學(xué)特性;在MEMS微機械構造中,則是應用其機械特性,繼而產(chǎn)生新一代的硅機電器件和安裝。硅資料儲量豐厚,本錢(qián)低。硅晶體生長(cháng)容易,并存在超純無(wú)雜的材質(zhì),不純度在十億分這一的量級,因此自身的內訌小,機械質(zhì)量因數可高達10^6數量級。設計得當的微活動(dòng)構造,如微傳感器,能到達極小的遲滯和蠕變、極佳的反復性和長(cháng)期穩定性以及高牢靠性。所以用硅材制造硅壓阻壓力傳感器,有利于處理長(cháng)攪擾傳感器范疇的3個(gè)難題——遲滯、反復性及長(cháng)期漂移。

  硅資料密度為2.33g/cm^2,是不銹鋼密度的1/3.5,而彎曲強度卻為不銹鋼的3.5倍,具有較高的強度/密度比和較高的剛度/密度比。單晶硅具有很好的熱導性,是不銹鋼的5倍,而熱收縮系數則不到不銹鋼的1/7,能很好地和低收縮Invar合金銜接,并防止熱應力產(chǎn)生。單晶硅為立方晶體,是各向異性資料。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等。

  單晶硅的電阻應變靈活系數高。在同樣的輸入下,能夠得到比金屬應變計更高的信號輸出,普通為金屬的10-100倍,能在10^-6級以至10^-8級上敏感輸入信號。硅資料的制造工藝與集成電路工藝有很好的兼容性,便于微型化、集成化及批量消費。硅能夠用許多資料掩蓋,如氮化硅,因此能取得優(yōu)良的防腐介質(zhì)的維護。具有較好的耐磨性。

  綜上所述,硅資料的優(yōu)點(diǎn)可歸為:優(yōu)良的機械特性;便于批量微機械構造和微機電元件;與微電子集成電路工藝兼容;微機械和微電子線(xiàn)路便于集成。

  正是這些優(yōu)點(diǎn),使硅資料成為制造微機電和微機械構造最主要的優(yōu)選資料。但是,硅資料對溫度極為敏感,其電阻溫度系統接近于2000×10^-6/K的量級。因而,但凡基于硅的壓阻效應為丈量原理的傳感器,必需停止溫度補償,這是不利的一面;而可應用的一面則是,在丈量其他參數的同時(shí),能夠直接對溫度停止丈量。

  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(wú)序的,不同晶粒有不同的單晶取向,而每一晶粒內部有單晶的特征。晶粒與晶粒之間的部位叫做晶界,晶界對其電特性的影響能夠經(jīng)過(guò)摻雜原子濃度調理。多晶硅膜普通由低壓化學(xué)氣相淀積(LPVCD)法制造而成,其電阻率隨摻硼原子濃度的變化而發(fā)作較大變化。多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高,特別在低摻雜原子濃度下,多晶硅電阻率疾速升高。隨摻雜原子濃度不同,其電阻率可在較寬的數值范圍內變化。

  多晶硅具有的壓電效應:緊縮時(shí)電阻降落,拉伸時(shí)電阻上升。多晶硅電阻應變靈活系統隨摻雜濃度的增加而略有降落。其中縱向應變靈活系數最 大值約為金屬應變計最 大值的30倍,為單晶硅電阻應變靈活系數最 大值的1/3;橫向應靈活系數,其值隨摻雜濃度呈現正負變化,故普通都不采用。此外,與單晶硅壓阻相比,多晶硅壓阻膜能夠在不同的資料襯底上制造,如在介電體(SiO2、Si3N4)上。其制備過(guò)程與常規半導體工藝兼容,且無(wú)PN結隔離問(wèn)題,因此合適更高工作溫度(t≥200℃)場(chǎng)所運用。在相同工作溫度下,多晶硅壓阻膜與單晶硅壓阻膜相比,可更有效地抑止溫度漂移,有利于長(cháng)期穩定性的完成。多晶硅電阻膜的精確阻值能夠經(jīng)過(guò)光刻手腕取得。

  綜上所述,多晶硅膜具有較寬的工作溫度范圍(-60~+300℃),可調的電阻率特性、可調的溫度系數、較高的應變靈活系數及能到達精確調整阻值的特性。所以在研制微傳感器和微執行器時(shí),應用多晶硅膜這些電學(xué)特性,有時(shí)比只用單晶硅更有價(jià)值。例如,應用機械性能優(yōu)良的單晶硅制造感壓膜片,在其上掩蓋一層介質(zhì)膜SiO2,再在SiO2上淀積一層多晶硅壓阻膜。這種混合構造的微型壓力傳感器,發(fā)揮了單晶硅和多晶硅資料各自的優(yōu)勢,其工作高溫至少可達200℃,以至300℃;低溫為-60℃。

  三、硅-藍寶石

  硅-藍寶石資料是經(jīng)過(guò)外延生長(cháng)技術(shù)將硅晶體生長(cháng)在藍寶石(α-Al2O3)襯底上構成的。硅晶體能夠以為是藍寶石的延伸局部,二者構成硅-藍寶石SOS(Silicon On Sapphire)晶片。藍寶石資料為絕緣體,在其上面淀積的每一個(gè)電阻,其電性能是完整獨立的。這不只能消弭因PN結走漏而產(chǎn)生的漂移,還能提供很高的應變效應和高溫(≥300℃)環(huán)境下的工作穩定性。藍寶石資料的遲滯和蠕變小到能夠疏忽不計的水平,因此具有極好的反復性;藍寶石又是一種惰性資料,化學(xué)穩定性好,耐腐蝕,抗輻射才能強;藍寶石的機械強度高。

  綜上所述,充沛應用硅-藍寶石的特性,能夠制造出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優(yōu)越性能的傳感器和電路;但要取得精度高、穩定牢靠的指標,還必需處理好整體構造中資料之間的熱匹配性,否則難以到達預期的目的。由于硅-藍寶石資料又脆又硬,其硬度僅次于金剛石,制造工藝技術(shù)比擬復雜。

  四、化合物半導體資料

  硅是制造微機電器件和安裝的主要資料。為了進(jìn)步器件和系統的性能以及擴展應用范圍,化合物半導體資料在某些特地技術(shù)方面起著(zhù)重要作用。如在紅外光、可見(jiàn)光及紫外光波段的成像器和探測器中,PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表Cd的百分比)等資料得到日益普遍的應用。

  現以紅外探測器為例加以闡明。應用紅外幅射與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種效應開(kāi)展起來(lái)的,適用的光敏探測器,主要是針對紅外幅射在大氣傳輸中透射率最為明晰的3個(gè)波段(1-3μm,3-5μm,8-14μm)研制的。關(guān)于波長(cháng)1-3μm敏感的探測器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;關(guān)于波長(cháng)3-5μm敏感的探測器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;關(guān)于波長(cháng)8-14μm敏感的探險測器則有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征(摻雜)半導體Ge:Hg,Si:Ga及Si:Al等。其中3元合金Hg1-xCdxTe是一種本征吸收資料,經(jīng)過(guò)調整資料的組分,不只能夠制成合適3個(gè)波段的器件,還能夠開(kāi)發(fā)更長(cháng)工作波段(1-30μm)的應用,因此備受人們的關(guān)注。

  須指出的是,上述資料需求在低溫(如77K)下工作。由于在室溫下,由于晶格振動(dòng)能量與雜質(zhì)能量的互相作用,使熱鼓勵的載流子數增加,而激起的光子數則明顯減少,從而降低了波長(cháng)區的探測靈活度。

  五、SiC薄膜資料

  SiC是另一種在特殊環(huán)境下運用的化合物半導體。它由碳原子和硅原子組成。應用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內,便可取得優(yōu)質(zhì)的立方體構造的SiC。隨著(zhù)摻雜濃度的差別得到的晶體構造不同,可表示為β-SiC。β表示不同形態(tài)的晶體構造。用離子注入法得到的SiC資料,本身的物理、化學(xué)及電學(xué)特性?xún)?yōu)良,表現出高強度、大剛度、內部剩余應力很低、化學(xué)惰性極強、較寬的禁帶寬度(近乎硅的1-2倍)及較高的壓阻系數的特性;因而,SiC資料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射,并具有穩定的電學(xué)性質(zhì)。十分合適在高溫、惡劣環(huán)境下工作的微機電選擇運用。

  由于SiC單晶體資料本錢(qián)高,硬度大及加工難度大,所以硅單晶片為襯底的SiC薄膜就成為研討和運用的理想選擇。經(jīng)過(guò)離子注入,化學(xué)氣相淀積(VCD)等技術(shù),將其制在Si襯底上或者絕緣體襯底(SiCOI)上,供設計者選用。例如航空發(fā)起機、火箭、導彈及衛星等耐熱腔體及其外表部位的壓力丈量,便可選用以絕緣體為襯底的SiC薄膜,作為感壓元件(膜片),并制成高溫壓力微傳感器,完成上述場(chǎng)所的壓力丈量。測壓時(shí)的工作溫度可到達600℃以上。

  除運用單晶SiC(Single-SiC)薄膜外,在MEMS的許多應用場(chǎng)所,還可選用多晶SiC(Poly-SiC)薄膜。與單晶SiC薄膜相比,多晶SiC的適用性更廣。它能夠在多種襯底(如單晶硅、絕緣體、SiO2犧牲層及非晶硅等)上,采用等離子體強化氣相淀積,物理濺射、低壓氣相淀積及電子束放射等技術(shù)生長(cháng)成薄膜,供不同場(chǎng)所選擇運用。

  總之,SiC是一種具有優(yōu)秀性質(zhì)的資料,具有寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強、高熱導率、高電子飽和速度及優(yōu)秀的力學(xué)和化學(xué)性能。這些特性使SiC資料合適制造高溫、高功率及高頻率電子器件時(shí)選用;也合適制造高溫半導體壓力傳感器時(shí)選用。

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