常见的压力传感器芯体材质介绍

　　压力传感器的芯体材质品种繁多，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。
 

　　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℃。