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压力传感器芯体的几种材质分析
作者:www.csppm.com来源:本站时间:2019/9/4 9:52:48
目前,压力传感器芯体材质种类多种多样,根据不同工况可使用不同的芯片材质,cappm小编就压力传感器芯体的几种材质做下简单的分析。

一、单晶硅
硅广泛应用于集成电路和微电子器件的生产,主要利用硅的电学性能; 在 MES 的微机械结构中,利用硅的力学性能生产新一代硅机电器件和器件..该材质由于其储量非常丰富,因此成本低,在价格上上也就非常实惠。硅晶体生长容易,存在超纯无杂质材料,非纯材料约10亿左右,自身内耗小,机械质量因数可高达10^6个数量级。适当设计的微有源结构,如微传感器,可以实现最小的滞后和蠕变,良好的重复性,长期的稳定性和高可靠性。因此,用硅材料制作硅压阻式压力传感器有助于解决传感器领域的三个难题:滞后、重复性和长期漂移。

硅材料密度为2.33g/cm2,是不锈钢的1≤3.5,弯曲强度是不锈钢的3.5倍。单晶硅具有良好的导热性能,比不锈钢高5倍,但其热膨胀系数小于1≤7。可与低膨胀因瓦合金连接,避免热应力。

综上所述,单晶硅材质的特点:高质量的机械性能,非善容易用于批量生产的微机械结构及电元件,并且能与电子集成电路技术兼容。


二、多晶硅
多晶硅是由许多单晶颗粒组成的聚合物..这些颗粒排列紊乱。不同的晶粒具有不同的单晶取向,每种晶粒都有单晶的特征。多晶硅薄膜通常采用低压化学气相沉积(lpvcd)方法制备。它们的电阻率随掺硼原子的浓度变化很大。多晶硅薄膜的电阻比单硅薄膜高,特别是在低掺杂原子浓度下,多晶硅薄膜的电阻迅速增加。电阻率随掺杂原子浓度的不同而变化。

多晶硅的压电效应:在压缩过程中电阻减小,在拉伸过程中增大。最大纵向应变灵敏度系数约为金属应变片的30倍,即单晶硅电阻的最大应变灵敏度系数的1/3,横向应变灵敏度系数随掺杂浓度呈正、负变化,一般不使用。此外,与单晶硅压阻电阻器相比,多晶硅压阻薄膜可以在不同的基片上制备,如电介质(SiO 2,Si3N4)。与单晶硅压阻薄膜相比,多晶硅压阻薄膜在相同的工作温度下能更有效地抑制温度漂移,有利于实现长期稳定。通过光刻技术可以得到多晶硅电阻膜的精确阻值..

综上所述,在微传感器和微执行器的发展中,使用多晶硅薄膜有时比单传感器更有价值。例如,压阻薄膜是由具有优良机械性能的单晶硅制成的。在其上涂覆介电薄膜SiO 2,并在SiO 2上沉积多晶硅压阻薄膜。具有混合结构的微压力传感器充分发挥了单晶硅和多晶硅材料的优势。微压力传感器工作温度可达到至少200℃甚至300℃,低温达-60℃。

三、硅-蓝宝石
采用外延法在蓝宝石(A-Al2O3)基体上生长硅蓝宝石材料。硅晶体可以看作是蓝宝石的延伸,构成硅蓝宝石SOS(硅在蓝宝石上)晶片.蓝宝石材料是一种绝缘体,其电性能完全独立于其上的每一个电阻。这不仅可以消除 PN结泄漏引起的漂移,而且可以在高温 (≥ 300 °C) 下提供高应变效应和工作稳定性..蓝宝石具有良好的重复性,因为它可以忽略磁滞和蠕变。蓝宝石也是一种惰性材料,具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性和抗辐射性。蓝宝石具有很高的机械强度。
总之,充分利用硅蓝宝石的特性,可以制作出耐高温、耐腐蚀、耐辐射的传感器和电路,但要获得高精度、稳定可靠的指标,还必须解决材料在整个结构中的热相容性问题,否则很难达到预期的目的。


四、化合物半导体材料

制造微机电装置的主要材料是硅,为了能够提高其系统性能,有效的扩大其应用范围,化合物半导体材料在一些非常特殊的技术中发挥着非常重要的作用。如 PbSe ,InAs ,Hg 1 - xCdxTe (x 对 Cd 的百分比) 等材料广泛应用于红外光,可见光和紫外光波段的成像装置和探测器..

以红外探测器为例进行了说明。利用红外辐射效应和物质作用产生的实用光敏探测器主要用于三个波段(1-3)。m,3-5。m,8-14。m)在红外辐射的大气透射中具有最清楚的透射率。对波长1-3um敏感的探测器包括pbs、inas和hg0.61cd0.39te;对波长3-5微米敏感的inas、pbse和hg0.73cd0.27te;对波长8-14微米和非本征(掺杂)半导体ge:hg、si:ga和si:al敏感的pb1 xsnxte、hg0.8cd0.2te。三元素合金HG1-xCdxTe是一种本征吸收材料。通过调整材料的成分,不仅可以将三元素合金HG1-xCdxTe制成适用于三个波段的器件,而且还可用于开发较长工作频段(1-30)的应用。

五、SiC薄膜材料

SiC薄膜材料是在特殊环境中使用的另一种化合物的半导体,是由碳原子和硅原子组成,离子注入法制备的SiC材料具有优良的物理、化学和电学性能,具有强度高、硬度高、内残余应力低、化学惰性强、禁带宽度宽(近硅的1-2倍)和较高的压阻系数等特点,因此,SiC材料在高温下能抵抗腐蚀和辐射,具有稳定的电学性能。它非常适用于高温、恶劣环境下的微电子机械选择。

由于SiC单晶材料的成本高,硬度大,加工难度大,作为衬底的硅单晶片的SiC薄膜成为研究和使用的理想选择。通过离子注入、化学气相沉积(VCD)等技术,可以在Si或SiCoI基片上进行制备,供设计人员选择。例如,航空发动机、火箭、导弹和卫星的耐热空腔和表面积的压力测量可作为SiC薄膜,以绝缘体为衬底,作为压力传感元件(膜片),并可制作高温压力微型传感器来实现场合下的压力测量。压力测量工作温度可达600℃以上。

一般来说,SiC 是一种性能优异的材料,具有宽的带隙、高的穿透场强度、高的热导率、高的电子饱和速度和优异的力学和化学性能。

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