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不同压力传感器芯体材质的特点分析
时间: 2022-08-14 09:23:12 浏览次数:

目前,压力传感器芯体材质种类繁多,下面简单引见下几种芯体材质的性能

  一、单晶硅

  硅在集成电路和微电子器件消费中有着普遍的应用,主要是应用硅的电学特性;在MEMS微机械构造中,则是应用其机械特性,继而产生新一代的硅机电器件和安装。硅资料储量丰厚,本钱低。硅晶体生长容易,并存在超纯无杂的材质,不纯度在十亿分这一的量级,因此自身的内讧小,机械质量因数可高达10^6数量级。设计得当的微活动构造,如微传感器,能到达极小的迟滞和蠕变、极佳的反复性和长期稳定性以及高牢靠性。所以用硅材制造硅压阻压力传感器,有利于处理长搅扰传感器范畴的3个难题——迟滞、反复性及长期漂移。

  硅资料密度为2.33g/cm^2,是不锈钢密度的1/3.5,而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍,具有较高的强度/密度比和较高的刚度/密度比。单晶硅具有很好的热导性,是不锈钢的5倍,而热收缩系数则不到不锈钢的1/7,能很好地和低收缩Invar合金衔接,并防止热应力产生。单晶硅为立方晶体,是各向异性资料。许多机械特性和电子特性取决于晶向,如弹性模量和压阻效应等。

  单晶硅的电阻应变灵活系数高。在同样的输入下,能够得到比金属应变计更高的信号输出,普通为金属的10-100倍,能在10^-6级以至10^-8级上敏感输入信号。硅资料的制造工艺与集成电路工艺有很好的兼容性,便于微型化、集成化及批量消费。硅能够用许多资料掩盖,如氮化硅,因此能取得优良的防腐介质的维护。具有较好的耐磨性。

  综上所述,硅资料的优点可归为:优良的机械特性;便于批量微机械构造和微机电元件;与微电子集成电路工艺兼容;微机械和微电子线路便于集成。

  正是这些优点,使硅资料成为制造微机电和微机械构造最主要的优选资料。但是,硅资料对温度极为敏感,其电阻温度系统接近于2000×10^-6/K的量级。因而,但凡基于硅的压阻效应为丈量原理的传感器,必需停止温度补偿,这是不利的一面;而可应用的一面则是,在丈量其他参数的同时,能够直接对温度停止丈量。

  二、多晶硅

  多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的,不同晶粒有不同的单晶取向,而每一晶粒内部有单晶的特征。晶粒与晶粒之间的部位叫做晶界,晶界对其电特性的影响能够经过掺杂原子浓度调理。多晶硅膜普通由低压化学气相淀积(LPVCD)法制造而成,其电阻率随掺硼原子浓度的变化而发作较大变化。多晶硅膜的电阻率比单晶硅的高,特别在低掺杂原子浓度下,多晶硅电阻率疾速升高。随掺杂原子浓度不同,其电阻率可在较宽的数值范围内变化。

  多晶硅具有的压电效应:紧缩时电阻降落,拉伸时电阻上升。多晶硅电阻应变灵活系统随掺杂浓度的增加而略有降落。其中纵向应变灵活系数最 大值约为金属应变计最 大值的30倍,为单晶硅电阻应变灵活系数最 大值的1/3;横向应灵活系数,其值随掺杂浓度呈现正负变化,故普通都不采用。此外,与单晶硅压阻相比,多晶硅压阻膜能够在不同的资料衬底上制造,如在介电体(SiO2、Si3N4)上。其制备过程与常规半导体工艺兼容,且无PN结隔离问题,因此合适更高工作温度(t≥200℃)场所运用。在相同工作温度下,多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比,可更有效地抑止温度漂移,有利于长期稳定性的完成。多晶硅电阻膜的精确阻值能够经过光刻手腕取得。

  综上所述,多晶硅膜具有较宽的工作温度范围(-60~+300℃),可调的电阻率特性、可调的温度系数、较高的应变灵活系数及能到达精确调整阻值的特性。所以在研制微传感器和微执行器时,应用多晶硅膜这些电学特性,有时比只用单晶硅更有价值。例如,应用机械性能优良的单晶硅制造感压膜片,在其上掩盖一层介质膜SiO2,再在SiO2上淀积一层多晶硅压阻膜。这种混合构造的微型压力传感器,发挥了单晶硅和多晶硅资料各自的优势,其工作高温至少可达200℃,以至300℃;低温为-60℃。

  三、硅-蓝宝石

  硅-蓝宝石资料是经过外延生长技术将硅晶体生长在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上构成的。硅晶体能够以为是蓝宝石的延伸局部,二者构成硅-蓝宝石SOS(Silicon On Sapphire)晶片。蓝宝石资料为绝缘体,在其上面淀积的每一个电阻,其电性能是完整独立的。这不只能消弭因PN结走漏而产生的漂移,还能提供很高的应变效应和高温(≥300℃)环境下的工作稳定性。蓝宝石资料的迟滞和蠕变小到能够疏忽不计的水平,因此具有极好的反复性;蓝宝石又是一种惰性资料,化学稳定性好,耐腐蚀,抗辐射才能强;蓝宝石的机械强度高。

  综上所述,充沛应用硅-蓝宝石的特性,能够制造出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路;但要取得精度高、稳定牢靠的指标,还必需处理好整体构造中资料之间的热匹配性,否则难以到达预期的目的。由于硅-蓝宝石资料又脆又硬,其硬度仅次于金刚石,制造工艺技术比拟复杂。

  四、化合物半导体资料

  硅是制造微机电器件和安装的主要资料。为了进步器件和系统的性能以及扩展应用范围,化合物半导体资料在某些特地技术方面起着重要作用。如在红外光、可见光及紫外光波段的成像器和探测器中,PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表Cd的百分比)等资料得到米6体育app官网下载普遍的应用。

  现以红外探测器为例加以阐明。应用红外幅射与物质作用产生的各种效应开展起来的,适用的光敏探测器,主要是针对红外幅射在大气传输中透射率最为明晰的3个波段(1-3μm,3-5μm,8-14μm)研制的。关于波长1-3μm敏感的探测器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;关于波长3-5μm敏感的探测器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;关于波长8-14μm敏感的探险测器则有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征(掺杂)半导体Ge:Hg,Si:Ga及Si:Al等。其中3元合金Hg1-xCdxTe是一种本征吸收资料,经过调整资料的组分,不只能够制成合适3个波段的器件,还能够开发更长工作波段(1-30μm)的应用,因此备受人们的关注。

  须指出的是,上述资料需求在低温(如77K)下工作。由于在室温下,由于晶格振动能量与杂质能量的互相作用,使热鼓励的载流子数增加,而激起的光子数则明显减少,从而降低了波长区的探测灵活度。

  五、SiC薄膜资料

  SiC是另一种在特殊环境下运用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成。应用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内,便可取得优质的立方体构造的SiC。随着掺杂浓度的差别得到的晶体构造不同,可表示为β-SiC。β表示不同形态的晶体构造。用离子注入法得到的SiC资料,本身的物理、化学及电学特性优良,表现出高强度、大刚度、内部剩余应力很低、化学惰性极强、较宽的禁带宽度(近乎硅的1-2倍)及较高的压阻系数的特性;因而,SiC资料能在高温下耐腐蚀、抗辐射,并具有稳定的电学性质。十分合适在高温、恶劣环境下工作的微机电选择运用。

  由于SiC单晶体资料本钱高,硬度大及加工难度大,所以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研讨和运用的理想选择。经过离子注入,化学气相淀积(VCD)等技术,将其制在Si衬底上或者绝缘体衬底(SiCOI)上,供设计者选用。例如航空发起机、火箭、导弹及卫星等耐热腔体及其外表部位的压力丈量,便可选用以绝缘体为衬底的SiC薄膜,作为感压元件(膜片),并制成高温压力微传感器,完成上述场所的压力丈量。测压时的工作温度可到达600℃以上。

  除运用单晶SiC(Single-SiC)薄膜外,在MEMS的许多应用场所,还可选用多晶SiC(Poly-SiC)薄膜。与单晶SiC薄膜相比,多晶SiC的适用性更广。它能够在多种衬底(如单晶硅、绝缘体、SiO2牺牲层及非晶硅等)上,采用等离子体强化气相淀积,物理溅射、低压气相淀积及电子束放射等技术生长成薄膜,供不同场所选择运用。

  总之,SiC是一种具有优秀性质的资料,具有宽带隙、高击穿场强、高热导率、高电子饱和速度及优秀的力学和化学性能。这些特性使SiC资料合适制造高温、高功率及高频率电子器件时选用;也合适制造高温半导体压力传感器时选用。

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