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压力传感器不同芯体材质的比较
发布日期:2021-07-28 浏览次数:1130
压力传感器
使用芯体的材质品种很多,下面我们来仔细说说。
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,能达到较小的迟滞和蠕变、较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较主要的优选材料。但是,硅材料对温度较为敏感,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较大值约为金属应变计较大值的30倍,为单晶硅电阻应变灵敏系数较大值的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。
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