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    常見的壓力傳感器芯體材質(zhì)介紹

    點擊次數(shù):630 更新時間:2021-12-22
      壓力傳感器的芯體材質(zhì)品種繁多,下面簡單介紹下幾種芯體材質(zhì)的性能。
     
      一、單晶硅
     
      硅在集成電路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應用,主要是利用硅的電學特性;在MEMS微機械結(jié)構(gòu)中,則是利用其機械特性,繼而產(chǎn)生新一代的硅機電器件和裝置。硅材料儲量豐富,成本低。硅晶體生長容易,并存在超純無雜的材質(zhì),不純度在十億分這一的量級,因而本身的內(nèi)耗小,機械品質(zhì)因數(shù)可高達10^6數(shù)量級。設計得當?shù)奈⒒顒咏Y(jié)構(gòu),如微傳感器,能達到較小的遲滯和蠕變、較佳的重復性和長期穩(wěn)定性以及高可靠性。所以用硅材制作硅壓阻壓力傳感器,有利于解決長困擾傳感器領域的3個難題——遲滯、重復性及長期漂移。
     
      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,而熱膨脹系數(shù)則不到不銹鋼的1/7,能很好地和低膨脹Invar合金連接,并避免熱應力產(chǎn)生。單晶硅為立方晶體,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等。
     
      單晶硅的電阻應變靈敏系數(shù)高。在同樣的輸入下,可以得到比金屬應變計更高的信號輸出,一般為金屬的10-100倍,能在10^-6級甚至10^-8級上敏感輸入信號。硅材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、集成化及批量生產(chǎn)。硅可以用許多材料覆蓋,如氮化硅,因而能獲得優(yōu)異的防腐介質(zhì)的保護。具有較好的耐磨性。
     
      綜上所述,硅材料的優(yōu)點可歸為:優(yōu)異的機械特性;便于批量微機械結(jié)構(gòu)和微機電元件;與微電子集成電路工藝兼容;微機械和微電子線路便于集成。
     
      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)較主要的優(yōu)選材料。但是,硅材料對溫度較為敏感,其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^-6/K的量級。因此,凡是基于硅的壓阻效應為測量原理的傳感器,必須進行溫度補償,這是不利的一面;而可利用的一面則是,在測量其他參數(shù)的同時,可以直接對溫度進行測量。
     
      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序的,不同晶粒有不同的單晶取向,而每一晶粒內(nèi)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可以通過摻雜原子濃度調(diào)節(jié)。多晶硅膜一般由低壓化學氣相淀積(LPVCD)法制作而成,其電阻率隨摻硼原子濃度的變化而發(fā)生較大變化。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,多晶硅電阻率迅速升高。隨摻雜原子濃度不同,其電阻率可在較寬的數(shù)值范圍內(nèi)變化。
     
      多晶硅具有的壓電效應:壓縮時電阻下降,拉伸時電阻上升。多晶硅電阻應變靈敏系統(tǒng)隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中縱向應變靈敏系數(shù)較大值約為金屬應變計較大值的30倍,為單晶硅電阻應變靈敏系數(shù)較大值的1/3;橫向應靈敏系數(shù),其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負變化,故一般都不采用。此外,與單晶硅壓阻相比,多晶硅壓阻膜可以在不同的材料襯底上制作,如在介電體(SiO2、Si3N4)上。其制備過程與常規(guī)半導體工藝兼容,且無PN結(jié)隔離問題,因而適合更高工作溫度(t≥200℃)場合使用。在相同工作溫度下,多晶硅壓阻膜與單晶硅壓阻膜相比,可更有效地抑制溫度漂移,有利于長期穩(wěn)定性的實現(xiàn)。多晶硅電阻膜的準確阻值可以通過光刻手段獲得。
     
      綜上所述,多晶硅膜具有較寬的工作溫度范圍(-60~+300℃),可調(diào)的電阻率特性、可調(diào)的溫度系數(shù)、較高的應變靈敏系數(shù)及能達到準確調(diào)整阻值的特點。所以在研制微傳感器和微執(zhí)行器時,利用多晶硅膜這些電學特性,有時比只用單晶硅更有價值。例如,利用機械性能優(yōu)異的單晶硅制作感壓膜片,在其上覆蓋一層介質(zhì)膜SiO2,再在SiO2上淀積一層多晶硅壓阻膜。這種混合結(jié)構(gòu)的微型壓力傳感器,發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料各自的優(yōu)勢,其工作高溫至少可達200℃,甚至300℃;低溫為-60℃。
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