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压力传感器制造芯体的几种材质

时间:2021-03-03 点击次数:

压力传感器的核心材料目前有很多种,下面简单先容几种核心材料的性能。


微型压式传感器

1,单晶硅。

硅广泛应用于集成电路和微电子器件的生产,主要利用硅的电学特性;在微机电系统微机械结构中,新一代硅机电器件是利用其机械特性制造出来的。硅材料储量丰富,成本低廉。硅晶体容易生长,且具有超纯无杂质的材料,杂质在几十亿量级,因此内耗小,机械品质因数可高达10-6个数量级。设计良好的微主动结构,如微传感器,可以实现最小的迟滞和蠕变,良好的重复性,长期稳定性和高可靠性。因此,采用硅材料制成的硅压阻式压力传感器有利于解决长期困扰传感器领域的三大问题——迟滞性、重复性和长期漂移。

单晶硅电阻应变敏感系数高。在相同的输入下,信号输出可以高于金属应变仪,一般是金属的10-100倍,对输入信号可以敏感到10-6级甚至10-8级。硅材料的制造工艺与集成电路工艺兼容性好,便于小型化、集成化和大规模生产。硅可以被很多材料覆盖,比如氮化硅,所以可以被优良的防腐介质保护。具有更好的耐磨性。

硅材料的优点可以分为:优异的机械性能;微机械结构和微机电元件便于批量加工;兼容微电子集成电路工艺;微机械和微电子电路易于集成。

正是这些优势使硅成为制造微机电和微机械结构的最重要和首选的材料。但硅对温度极其敏感,其电阻温度系统接近2000×10-6/k量级,因此所有基于硅压阻效应的传感器都必须进行温度补偿,这是一个缺点;另一方面,它可以在测量其他参数的同时直接测量温度。

2,多晶硅。

多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合体。这些晶粒的排列是无序的,不同的晶粒有不同的单晶取向,每个晶粒都具有单晶的特征。晶粒间的位置称为晶界,晶界对其电学特性的影响可以通过掺杂原子浓度来调节。

多晶硅薄膜具有工作温度范围宽(-60~+300℃)、电阻率可调、温度系数可调、应变敏感系数高、电阻值调整准确的特点。因此,在开发微传感器和微致动器时,使用多晶硅薄膜的这些电特性有时比仅使用单晶硅更有价值。例如,压敏隔膜由具有优异机械性能的单晶硅制成,其覆盖有介电膜二氧化硅,然后在二氧化硅上沉积多晶硅压阻膜。这种混合结构的微型压力传感器充分发挥了单晶硅和多晶硅材料的优势,其工作高温至少可达200℃甚至300℃;低温是-60℃。

3,硅蓝宝石。

硅蓝宝石材料是通过在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上外延生长硅晶体而形成的。硅晶体可以看作是蓝宝石的延伸,它构成了硅蓝宝石SOS(SiliconNapphire)晶片。蓝宝石是绝缘体,沉积在上面的每个电阻的电学性质是完全独立的。这不仅可以消除PN结泄漏引起的漂移,还可以提供高应变效应和高温(≥300℃)下的工作稳定性。蓝宝石材料的迟滞和蠕变可以忽略不计,因此具有极好的重复性。蓝宝石也是惰性材料,化学稳定性好,耐腐蚀,抗辐射能力强;蓝宝石机械强度高。

综上所述,充分利用硅蓝宝石的特性,可以制造出耐高温、耐腐蚀、抗辐射等性能优越的传感器和电路。但是,为了获得高精度、稳定可靠的指标,需要解决整体结构中材料之间的热匹配,否则很难达到预期目标。由于硅蓝宝石材料脆硬,硬度仅次于金刚石,制造工艺复杂。

4,化合物半导体材料。

硅是制造微机电器件和器件的主要材料。为了提高器件和系统的性能,扩大应用范围,化合物半导体材料在一些特殊技术中发挥着重要作用。例如,在红外、可见光和紫外成像器和探测器中,PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表镉的百分比)和其他材料已被广泛使用。

5,碳化硅薄膜材料。

碳化硅是另一种用于特殊环境的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成。通过离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅中,可以获得高质量的立方结构碳化硅。随着掺杂浓度的不同,晶体结构也不同,可以表示为β-SiC。β表示不同的晶体结构。通过离子注入获得的SiC材料具有优异的物理、化学和电学性能,表现出高强度、高刚度、低内部残余应力、强化学惰性、宽带隙(接近硅的1-2倍)和高压阻系数,因此,SiC材料在高温下可以抗腐蚀和辐射,具有稳定的电学性能。非常适合高温恶劣环境下工作的MEMS。

碳化硅是一种具有宽带隙、高击穿场强、高热导率、高电子饱和速度以及优异的机械和化学性能的材料。这些特性使得SiC材料适合制造高温、大功率、高频电子器件;也适用于制造高温半导体压力传感器。

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