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各種壓力傳感器芯體材質(zhì)比較

目前,壓力傳感器芯體材質(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(jī)械結(jié)構(gòu)中,則是利用其機(jī)械特性,繼而產(chǎn)生新一代的硅機(jī)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(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)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(dá)到極小的遲滯和蠕變、極佳的重復(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(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍,具有較高的強(qiáng)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(jī)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(hù)。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(jī)械特性;便于批量微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件;與微電子集成電路工藝兼容;微機(jī)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(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)選材料。但是,硅材料對溫度極為敏感,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(jìn)行溫度補(bǔ)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(jìn)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)最大值約為金屬應(yīng)變計最大值的30倍,為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大值的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(dá)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(jī)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(dá)200℃,甚至300℃;低溫為-60℃。 

三、硅-藍(lán)寶石 

硅-藍(lán)寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體生長在藍(lán)寶石(α-Al2O3)襯底上形成的。硅晶體可以認(rèn)為是藍(lán)寶石的延伸部分,二者構(gòu)成硅-藍(lán)寶石SOS(Silicon On Sapphire)晶片。藍(lán)寶石材料為絕緣體,在其上面淀積的每一個電阻,其電性能是完全獨立的。這不僅能消除因PN結(jié)泄漏而產(chǎn)生的漂移,還能提供很高的應(yīng)變效應(yīng)和高溫(≥300℃)環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。藍(lán)寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計的程度,因而具有極好的重復(fù)性;藍(lán)寶石又是一種惰性材料,化學(xué)穩(wěn)定性好,耐腐蝕,抗輻射能力強(qiáng);藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高。 

綜上所述,充分利用硅-藍(lán)寶石的特點,可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優(yōu)越性能的傳感器和電路;但要獲得精度高、穩(wěn)定可靠的指標(biāo),還必須解決好整體結(jié)構(gòu)中材料之間的熱匹配性,否則難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。由于硅-藍(lán)寶石材料又脆又硬,其硬度僅次于金剛石,制作工藝技術(shù)比較復(fù)雜。 

四、化合物半導(dǎo)體材料 

硅是制作微機(jī)電器件和裝置的主要材料。為了提高器件和系統(tǒng)的性能以及擴(kuò)大應(yīng)用范圍,化合物半導(dǎo)體材料在某些專門技術(shù)方面起著重要作用。如在紅外光、可見光及紫外光波段的成像器和探測器中,PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表Cd的百分比)等材料得到日益廣泛的應(yīng)用。 

現(xiàn)以紅外探測器為例加以說明。利用紅外幅射與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)發(fā)展起來的,實用的光敏探測器,主要是針對紅外幅射在大氣傳輸中透射率最為清晰的3個波段(1-3μm,3-5μm,8-14μm)研制的。對于波長1-3μm敏感的探測器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;對于波長3-5μm敏感的探測器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;對于波長8-14μm敏感的探險測器則有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征(摻雜)半導(dǎo)體Ge:Hg,Si:Ga及Si:Al等。其中3元合金Hg1-xCdxTe是一種本征吸收材料,通過調(diào)整材料的組分,不僅可以制成適合3個波段的器件,還可以開發(fā)更長工作波段(1-30μm)的應(yīng)用,因而備受人們的關(guān)注。 

須指出的是,上述材料需要在低溫(如77K)下工作。因為在室溫下,由于晶格振動能量與雜質(zhì)能量的相互作用,使熱激勵的載流子數(shù)增加,而激發(fā)的光子數(shù)則明顯減少,從而降低了波長區(qū)的探測靈敏度。 

五、SiC薄膜材料 

SiC是另一種在特殊環(huán)境下使用的化合物半導(dǎo)體。它由碳原子和硅原子組成。利用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內(nèi),便可獲得優(yōu)質(zhì)的立方體結(jié)構(gòu)的SiC。隨著摻雜濃度的差異得到的晶體結(jié)構(gòu)不同,可表示為β-SiC。β表示不同形態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)。用離子注入法得到的SiC材料,自身的物理、化學(xué)及電學(xué)特性優(yōu)異,表現(xiàn)出高強(qiáng)度、大剛度、內(nèi)部殘余應(yīng)力很低、化學(xué)惰性極強(qiáng)、較寬的禁帶寬度(近乎硅的1-2倍)及較高的壓阻系數(shù)的特性;因此,SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射,并具有穩(wěn)定的電學(xué)性質(zhì)。非常適合在高溫、惡劣環(huán)境下工作的微機(jī)電選擇使用。 

由于SiC單晶體材料成本高,硬度大及加工難度大,所以硅單晶片為襯底的SiC薄膜就成為研究和使用的理想選擇。通過離子注入,化學(xué)氣相淀積(VCD)等技術(shù),將其制在Si襯底上或者絕緣體襯底(SiCOI)上,供設(shè)計者選用。例如航空發(fā)動機(jī)、火箭、導(dǎo)彈及衛(wèi)星等耐熱腔體及其表面部位的壓力測量,便可選用以絕緣體為襯底的SiC薄膜,作為感壓元件(膜片),并制成高溫壓力微傳感器,實現(xiàn)上述場合的壓力測量。測壓時的工作溫度可達(dá)到600℃以上。 

除使用單晶SiC(Single-SiC)薄膜外,在MEMS的許多應(yīng)用場合,還可選用多晶SiC(Poly-SiC)薄膜。與單晶SiC薄膜相比,多晶SiC的適用性更廣。它可以在多種襯底(如單晶硅、絕緣體、SiO2犧牲層及非晶硅等)上,采用等離子體強(qiáng)化氣相淀積,物理濺射、低壓氣相淀積及電子束放射等技術(shù)生長成薄膜,供不同場合選擇使用。 

總之,SiC是一種具有優(yōu)良性質(zhì)的材料,具有寬帶隙、高擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速度及優(yōu)良的力學(xué)和化學(xué)性能。這些特性使SiC材料適合制造高溫、高功率及高頻率電子器件時選用;也適合制造高溫半導(dǎo)體壓力傳感器時選用。 

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