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(yīng)用于集成電路和微電子器件的生產(chǎn)，主要利用硅的電學(xué)特性；在微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，新一代硅機(jī)電器件是利用其機(jī)械特性制造出來的。硅材料儲(chǔ)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(jí)，因此內(nèi)耗小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)10-6個(gè)數(shù)量級(jí)。設(shè)計(jì)良好的微主動(dòng)結(jié)構(gòu)，如微傳感器，可以實(shí)現(xiàn)最小的遲滯和蠕變，良好的重復(fù)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(lǐng)域的三大問題——遲滯性、重復(fù)性和長期漂移。

單晶硅電阻應(yīng)變敏感系數(shù)高。在相同的輸入下，信號(hào)輸出可以高于金屬應(yīng)變儀，一般是金屬的10-100倍，對輸入信號(hào)可以敏感到10-6級(jí)甚至10-8級(jí)。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(hù)。具有更好的耐磨性。

硅材料的優(yōu)點(diǎn)可以分為:優(yōu)異的機(jī)械性能；微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件便于批量加工；兼容微電子集成電路工藝；微機(jī)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(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jí)，因此所有基于硅壓阻效應(yīng)的傳感器都必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是一個(gè)缺點(diǎn)；另一方面，它可以在測量其他參數(shù)的同時(shí)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(gè)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(xué)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(yīng)變敏感系數(shù)高、電阻值調(diào)整準(zhǔn)確的特點(diǎn)。因此，在開發(fā)微傳感器和微致動(dòng)器時(shí)，使用多晶硅薄膜的這些電特性有時(shí)比僅使用單晶硅更有價(jià)值。例如，壓敏隔膜由具有優(yōu)異機(jī)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(jié)構(gòu)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(dá)200℃甚至300℃；低溫是-60℃。

3，硅藍(lán)寶石。

硅藍(lán)寶石材料是通過在藍(lán)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(lán)寶石的延伸，它構(gòu)成了硅藍(lán)寶石SOS(SiliconNapphire)晶片。藍(lán)寶石是絕緣體，沉積在上面的每個(gè)電阻的電學(xué)性質(zhì)是完全獨(dú)立的。這不僅可以消除PN結(jié)泄漏引起的漂移，還可以提供高應(yīng)變效應(yīng)和高溫(≥300℃)下的工作穩(wěn)定性。藍(lán)寶石材料的遲滯和蠕變可以忽略不計(jì)，因此具有極好的重復(fù)性。藍(lán)寶石也是惰性材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射能力強(qiáng)；藍(lán)寶石機(jī)械強(qiáng)度高。

綜上所述，充分利用硅藍(lán)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(biāo)，需要解決整體結(jié)構(gòu)中材料之間的熱匹配，否則很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。由于硅藍(lán)寶石材料脆硬，硬度僅次于金剛石，制造工藝復(fù)雜。

4，化合物半導(dǎo)體材料。

硅是制造微機(jī)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(kuò)大應(yīng)用范圍，化合物半導(dǎo)體材料在一些特殊技術(shù)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(dǎo)體。它由碳原子和硅原子組成。通過離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅中，可以獲得高質(zhì)量的立方結(jié)構(gòu)碳化硅。隨著摻雜濃度的不同，晶體結(jié)構(gòu)也不同，可以表示為β-SiC。β表示不同的晶體結(jié)構(gòu)。通過離子注入獲得的SiC材料具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和電學(xué)性能，表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高剛度、低內(nèi)部殘余應(yīng)力、強(qiáng)化學(xué)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(xué)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(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速度以及優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)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(dǎo)體壓力傳感器。

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