壓力傳感器制造芯體的幾種材質(zhì)

壓力傳感器的核心材料目前有很多種，下面簡單介紹幾種核心材料的性能。

1，單晶硅。

硅廣泛應用于集成電路和微電子器件的生產(chǎn)，主要利用硅的電學特性；在微機電系統(tǒng)微機械結構中，新一代硅機電器件是利用其機械特性制造出來的。硅材料儲量豐富，成本低廉。硅晶體容易生長，且具有超純無雜質(zhì)的材料，雜質(zhì)在幾十億量級，因此內(nèi)耗小，機械品質(zhì)因數(shù)可高達10-6個數(shù)量級。設計良好的微主動結構，如微傳感器，可以實現(xiàn)最小的遲滯和蠕變，良好的重復性，長期穩(wěn)定性和高可靠性。因此，采用硅材料制成的硅壓阻式壓力傳感器有利于解決長期困擾傳感器領域的三大問題——遲滯性、重復性和長期漂移。

單晶硅電阻應變敏感系數(shù)高。在相同的輸入下，信號輸出可以高于金屬應變儀，一般是金屬的10-100倍，對輸入信號可以敏感到10-6級甚至10-8級。硅材料的制造工藝與集成電路工藝兼容性好，便于小型化、集成化和大規(guī)模生產(chǎn)。硅可以被很多材料覆蓋，比如氮化硅，所以可以被優(yōu)良的防腐介質(zhì)保護。具有更好的耐磨性。

硅材料的優(yōu)點可以分為:優(yōu)異的機械性能；微機械結構和微機電元件便于批量加工；兼容微電子集成電路工藝；微機械和微電子電路易于集成。

正是這些優(yōu)勢使硅成為制造微機電和微機械結構的最重要和首選的材料。但硅對溫度極其敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近2000×10-6/k量級，因此所有基于硅壓阻效應的傳感器都必須進行溫度補償，這是一個缺點；另一方面，它可以在測量其他參數(shù)的同時直接測量溫度。

2，多晶硅。

多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合體。這些晶粒的排列是無序的，不同的晶粒有不同的單晶取向，每個晶粒都具有單晶的特征。晶粒間的位置稱為晶界，晶界對其電學特性的影響可以通過摻雜原子濃度來調(diào)節(jié)。

多晶硅薄膜具有工作溫度范圍寬(-60~+300℃)、電阻率可調(diào)、溫度系數(shù)可調(diào)、應變敏感系數(shù)高、電阻值調(diào)整準確的特點。因此，在開發(fā)微傳感器和微致動器時，使用多晶硅薄膜的這些電特性有時比僅使用單晶硅更有價值。例如，壓敏隔膜由具有優(yōu)異機械性能的單晶硅制成，其覆蓋有介電膜二氧化硅，然后在二氧化硅上沉積多晶硅壓阻膜。這種混合結構的微型壓力傳感器充分發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料的優(yōu)勢，其工作高溫至少可達200℃甚至300℃；低溫是-60℃。

3，硅藍寶石。

硅藍寶石材料是通過在藍寶石(α-Al2O3)襯底上外延生長硅晶體而形成的。硅晶體可以看作是藍寶石的延伸，它構成了硅藍寶石SOS(SiliconNapphire)晶片。藍寶石是絕緣體，沉積在上面的每個電阻的電學性質(zhì)是完全獨立的。這不僅可以消除PN結泄漏引起的漂移，還可以提供高應變效應和高溫(≥300℃)下的工作穩(wěn)定性。藍寶石材料的遲滯和蠕變可以忽略不計，因此具有極好的重復性。藍寶石也是惰性材料，化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射能力強；藍寶石機械強度高。

綜上所述，充分利用硅藍寶石的特性，可以制造出耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等性能優(yōu)越的傳感器和電路。但是，為了獲得高精度、穩(wěn)定可靠的指標，需要解決整體結構中材料之間的熱匹配，否則很難達到預期目標。由于硅藍寶石材料脆硬，硬度僅次于金剛石，制造工藝復雜。

4，化合物半導體材料。

硅是制造微機電器件和器件的主要材料。為了提高器件和系統(tǒng)的性能，擴大應用范圍，化合物半導體材料在一些特殊技術中發(fā)揮著重要作用。例如，在紅外、可見光和紫外成像器和探測器中，PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表鎘的百分比)和其他材料已被廣泛使用。

5，碳化硅薄膜材料。

碳化硅是另一種用于特殊環(huán)境的化合物半導體。它由碳原子和硅原子組成。通過離子注入摻雜技術將碳原子注入單晶硅中，可以獲得高質(zhì)量的立方結構碳化硅。隨著摻雜濃度的不同，晶體結構也不同，可以表示為β-SiC。β表示不同的晶體結構。通過離子注入獲得的SiC材料具有優(yōu)異的物理、化學和電學性能，表現(xiàn)出高強度、高剛度、低內(nèi)部殘余應力、強化學惰性、寬帶隙(接近硅的1-2倍)和高壓阻系數(shù)，因此，SiC材料在高溫下可以抗腐蝕和輻射，具有穩(wěn)定的電學性能。非常適合高溫惡劣環(huán)境下工作的MEMS。

碳化硅是一種具有寬帶隙、高擊穿場強、高熱導率、高電子飽和速度以及優(yōu)異的機械和化學性能的材料。這些特性使得SiC材料適合制造高溫、大功率、高頻電子器件；也適用于制造高溫半導體壓力傳感器。

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