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各种压力传感器芯体材质比较

时间:2018-08-21   作者:www.puholl.com  【原创】       阅读

目前,压力传感器芯体材质品种繁多,下面简单介绍下几种芯体材质的性能

一、单晶硅 

硅在集成电路和微电子器件生产中有着广泛的应用,主要是利用硅的电学特性;在MEMS微机械结构中,则是利用其机械特性,继而产生新一代的硅机电器件和装置。硅材料储量丰富,成本低。硅晶体生长容易,并存在超纯无杂的材质,不纯度在十亿分这一的量级,因而本身的内耗小,机械品质因数可高达10^6数量级。设计得当的微活动结构,如微传感器,能达到极小的迟滞和蠕变、极佳的重复性和长期稳定性以及高可靠性。所以用硅材制作硅压阻压力传感器,有利于解决长困扰传感器领域的3个难题——迟滞、重复性及长期漂移。 

硅材料密度为2.33g/cm^2,是不锈钢密度的1/3.5,而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍,具有较高的强度/密度比和较高的刚度/密度比。单晶硅具有很好的热导性,是不锈钢的5倍,而热膨胀系数则不到不锈钢的1/7,能很好地和低膨胀Invar合金连接,并避免热应力产生。单晶硅为立方晶体,是各向异性材料。许多机械特性和电子特性取决于晶向,如弹性模量和压阻效应等。 

单晶硅的电阻应变灵敏系数高。在同样的输入下,可以得到比金属应变计更高的信号输出,一般为金属的10-100倍,能在10^-6级甚至10^-8级上敏感输入信号。硅材料的制造工艺与集成电路工艺有很好的兼容性,便于微型化、集成化及批量生产。硅可以用许多材料覆盖,如氮化硅,因而能获得优异的防腐介质的保护。具有较好的耐磨性。 

综上所述,硅材料的优点可归为:优异的机械特性;便于批量微机械结构和微机电元件;与微电子集成电路工艺兼容;微机械和微电子线路便于集成。 

正是这些优点,使硅材料成为制造微机电和微机械结构最主要的优选材料。但是,硅材料对温度极为敏感,其电阻温度系统接近于2000×10^-6/K的量级。因此,凡是基于硅的压阻效应为测量原理的传感器,必须进行温度补偿,这是不利的一面;而可利用的一面则是,在测量其他参数的同时,可以直接对温度进行测量。 

二、多晶硅 

多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的,不同晶粒有不同的单晶取向,而每一晶粒内部有单晶的特征。晶粒与晶粒之间的部位叫做晶界,晶界对其电特性的影响可以通过掺杂原子浓度调节。多晶硅膜一般由低压化学气相淀积(LPVCD)法制作而成,其电阻率随掺硼原子浓度的变化而发生较大变化。多晶硅膜的电阻率比单晶硅的高,特别在低掺杂原子浓度下,多晶硅电阻率迅速升高。随掺杂原子浓度不同,其电阻率可在较宽的数值范围内变化。 

多晶硅具有的压电效应:压缩时电阻下降,拉伸时电阻上升。多晶硅电阻应变灵敏系统随掺杂浓度的增加而略有下降。其中纵向应变灵敏系数最大值约为金属应变计最大值的30倍,为单晶硅电阻应变灵敏系数最大值的1/3;横向应灵敏系数,其值随掺杂浓度出现正负变化,故一般都不采用。此外,与单晶硅压阻相比,多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底上制作,如在介电体(SiO2、Si3N4)上。其制备过程与常规半导体工艺兼容,且无PN结隔离问题,因而适合更高工作温度(t≥200℃)场合使用。在相同工作温度下,多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比,可更有效地抑制温度漂移,有利于长期稳定性的实现。多晶硅电阻膜的准确阻值可以通过光刻手段获得。 

综上所述,多晶硅膜具有较宽的工作温度范围(-60~+300℃),可调的电阻率特性、可调的温度系数、较高的应变灵敏系数及能达到准确调整阻值的特点。所以在研制微传感器和微执行器时,利用多晶硅膜这些电学特性,有时比只用单晶硅更有价值。例如,利用机械性能优异的单晶硅制作感压膜片,在其上覆盖一层介质膜SiO2,再在SiO2上淀积一层多晶硅压阻膜。这种混合结构的微型压力传感器,发挥了单晶硅和多晶硅材料各自的优势,其工作高温至少可达200℃,甚至300℃;低温为-60℃。 

三、硅-蓝宝石 

硅-蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅晶体生长在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分,二者构成硅-蓝宝石SOS(Silicon On Sapphire)晶片。蓝宝石材料为绝缘体,在其上面淀积的每一个电阻,其电性能是完全独立的。这不仅能消除因PN结泄漏而产生的漂移,还能提供很高的应变效应和高温(≥300℃)环境下的工作稳定性。蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计的程度,因而具有极好的重复性;蓝宝石又是一种惰性材料,化学稳定性好,耐腐蚀,抗辐射能力强;蓝宝石的机械强度高。 

综上所述,充分利用硅-蓝宝石的特点,可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路;但要获得精度高、稳定可靠的指标,还必须解决好整体结构中材料之间的热匹配性,否则难以达到预期的目标。由于硅-蓝宝石材料又脆又硬,其硬度仅次于金刚石,制作工艺技术比较复杂。 

四、化合物半导体材料 

硅是制作微机电器件和装置的主要材料。为了提高器件和系统的性能以及扩大应用范围,化合物半导体材料在某些专门技术方面起着重要作用。如在红外光、可见光及紫外光波段的成像器和探测器中,PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表Cd的百分比)等材料得到日益广泛的应用。 

现以红外探测器为例加以说明。利用红外幅射与物质作用产生的各种效应发展起来的,实用的光敏探测器,主要是针对红外幅射在大气传输中透射率最为清晰的3个波段(1-3μm,3-5μm,8-14μm)研制的。对于波长1-3μm敏感的探测器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;对于波长3-5μm敏感的探测器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;对于波长8-14μm敏感的探险测器则有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征(掺杂)半导体Ge:Hg,Si:Ga及Si:Al等。其中3元合金Hg1-xCdxTe是一种本征吸收材料,通过调整材料的组分,不仅可以制成适合3个波段的器件,还可以开发更长工作波段(1-30μm)的应用,因而备受人们的关注。 

须指出的是,上述材料需要在低温(如77K)下工作。因为在室温下,由于晶格振动能量与杂质能量的相互作用,使热激励的载流子数增加,而激发的光子数则明显减少,从而降低了波长区的探测灵敏度。 

五、SiC薄膜材料 

SiC是另一种在特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成。利用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内,便可获得优质的立方体结构的SiC。随着掺杂浓度的差异得到的晶体结构不同,可表示为β-SiC。β表示不同形态的晶体结构。用离子注入法得到的SiC材料,自身的物理、化学及电学特性优异,表现出高强度、大刚度、内部残余应力很低、化学惰性极强、较宽的禁带宽度(近乎硅的1-2倍)及较高的压阻系数的特性;因此,SiC材料能在高温下耐腐蚀、抗辐射,并具有稳定的电学性质。非常适合在高温、恶劣环境下工作的微机电选择使用。 

由于SiC单晶体材料成本高,硬度大及加工难度大,所以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研究和使用的理想选择。通过离子注入,化学气相淀积(VCD)等技术,将其制在Si衬底上或者绝缘体衬底(SiCOI)上,供设计者选用。例如航空发动机、火箭、导弹及卫星等耐热腔体及其表面部位的压力测量,便可选用以绝缘体为衬底的SiC薄膜,作为感压元件(膜片),并制成高温压力微传感器,实现上述场合的压力测量。测压时的工作温度可达到600℃以上。 

除使用单晶SiC(Single-SiC)薄膜外,在MEMS的许多应用场合,还可选用多晶SiC(Poly-SiC)薄膜。与单晶SiC薄膜相比,多晶SiC的适用性更广。它可以在多种衬底(如单晶硅、绝缘体、SiO2牺牲层及非晶硅等)上,采用等离子体强化气相淀积,物理溅射、低压气相淀积及电子束放射等技术生长成薄膜,供不同场合选择使用。 

总之,SiC是一种具有优良性质的材料,具有宽带隙、高击穿场强、高热导率、高电子饱和速度及优良的力学和化学性能。这些特性使SiC材料适合制造高温、高功率及高频率电子器件时选用;也适合制造高温半导体压力传感器时选用。 

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