常見的壓力傳感器芯體材質(zhì)介紹

　　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(yīng)用，主要是利用硅的電學(xué)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(shè)計得當(dāng)?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(fù)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(lǐng)域的3個難題——遲滯、重復(fù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)等。
 

　　單晶硅的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)高。在同樣的輸入下，可以得到比金屬應(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)：壓縮時電阻下降，拉伸時電阻上升。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系統(tǒng)隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中縱向應(yīng)變靈敏系數(shù)較大值約為金屬應(yīng)變計較大值的30倍，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)較大值的1/3；橫向應(yīng)靈敏系數(shù)，其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負(fù)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(dǎo)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(zhǔn)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(yīng)變靈敏系數(shù)及能達到準(zhǔn)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(xué)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℃。