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TOKO壓力傳感器芯體材質(zhì)都有哪些？
閱讀：1745 發(fā)布時(shí)間：2020-10-19 目前,，TOKO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(chǔ)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(jí),，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(jí),。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)奈⒒顒?dòng)結(jié)構(gòu),，如微傳感器，能達(dá)到極小的遲滯和蠕變,、良好的重復(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TOKO壓力傳感器，有利于解決長困擾傳感器領(lǐng)域的3個(gè)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(jì)更高的信號(hào)輸出，一般為金屬的10-100倍,，能在10^-6級(jí)甚至10^-8級(jí)上敏感輸入信號(hào),。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(diǎn)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(diǎn)，使硅材料成為制造微機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)主要的優(yōu)選材料,。但是,，硅材料對(duì)溫度極為敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^-6/K的量級(jí),。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(shí),，可以直接對(duì)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(duì)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(shí)電阻下降,，拉伸時(shí)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)大值約為金屬應(yīng)變計(jì)大值的30倍,，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)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(shí)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(diǎn),。所以在研制微傳感器和微執(zhí)行器時(shí)，利用多晶硅膜這些電學(xué)特性,，有時(shí)比只用單晶硅更有價(jià)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TOKO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(gè)電阻，其電性能是*獨(dú)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(jì)的程度,，因而具有*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(diǎn)，可以制作出具有耐高溫,、耐腐蝕及抗輻射等*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(shí)用的光敏探測器,，主要是針對(duì)紅外幅射在大氣傳輸中透射率清晰的3個(gè)波段（1-3μm,，3-5μm，8-14μm）研制的,。對(duì)于波長1-3μm敏感的探測器有PbS,、InAs及Hg0.61Cd0.39Te；對(duì)于波長3-5μm敏感的探測器有InAs,、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te,；對(duì)于波長8-14μm敏感的探險(xiǎn)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(gè)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?yàn)樵谑覝叵?，由于晶格振?dòng)能量與雜質(zhì)能量的相互作用,，使熱激勵(lì)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*,、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(jì)者選用,。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī),、火箭及衛(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(shí)現(xiàn)上述場合的壓力測量,。測壓時(shí)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(shí)選用；也適合制造高溫半導(dǎo)體TOKO壓力傳感器時(shí)選用,。