各種壓力傳感器芯體材質比較

目前，壓力傳感器芯體材質品種繁多，下面簡單介紹下幾種芯體材質的性能

一、單晶硅 

硅在集成電路和微電子器件生產中有著廣泛的應用，主要是利用硅的電學特性；在MEMS微機械結構中，則是利用其機械特性，繼而產生新一代的硅機電器件和裝置。硅材料儲量豐富，成本低。硅晶體生長容易，并存在超純無雜的材質，不純度在十億分這一的量級，因而本身的內耗小，機械品質因數可高達10^6數量級。設計得當的微活動結構，如微傳感器，能達到極小的遲滯和蠕變、極佳的重復性和長期穩定性以及高可靠性。所以用硅材制作硅壓阻壓力傳感器，有利于解決長困擾傳感器領域的3個難題——遲滯、重復性及長期漂移。 

硅材料密度為2.33g/cm^2，是不銹鋼密度的1/3.5，而彎曲強度卻為不銹鋼的3.5倍，具有較高的強度/密度比和較高的剛度/密度比。單晶硅具有很好的熱導性，是不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數則不到不銹鋼的1/7，能很好地和低膨脹Invar合金連接，并避免熱應力產生。單晶硅為立方晶體，是各向異性材料。許多機械特性和電子特性取決于晶向，如彈性模量和壓阻效應等。 

單晶硅的電阻應變靈敏系數高。在同樣的輸入下，可以得到比金屬應變計更高的信號輸出，一般為金屬的10-100倍，能在10^-6級甚至10^-8級上敏感輸入信號。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。硅可以用許多材料覆蓋，如氮化硅，因而能獲得優異的防腐介質的保護。具有較好的耐磨性。 

綜上所述，硅材料的優點可歸為：優異的機械特性；便于批量微機械結構和微機電元件；與微電子集成電路工藝兼容；微機械和微電子線路便于集成。 

正是這些優點，使硅材料成為制造微機電和微機械結構最主要的優選材料。但是，硅材料對溫度極為敏感，其電阻溫度系統接近于2000×10^-6/K的量級。因此，凡是基于硅的壓阻效應為測量原理的傳感器，必須進行溫度補償，這是不利的一面；而可利用的一面則是，在測量其他參數的同時，可以直接對溫度進行測量。 

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，而每一晶粒內部有單晶的特征。晶粒與晶粒之間的部位叫做晶界，晶界對其電特性的影響可以通過摻雜原子濃度調節。多晶硅膜一般由低壓化學氣相淀積（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值范圍內變化。 

多晶硅具有的壓電效應：壓縮時電阻下降，拉伸時電阻上升。多晶硅電阻應變靈敏系統隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中縱向應變靈敏系數最大值約為金屬應變計最大值的30倍，為單晶硅電阻應變靈敏系數最大值的1/3；橫向應靈敏系數，其值隨摻雜濃度出現正負變化，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。其制備過程與常規半導體工藝兼容，且無PN結隔離問題，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，有利于長期穩定性的實現。多晶硅電阻膜的準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℃），可調的電阻率特性、可調的溫度系數、較高的應變靈敏系數及能達到準確調整阻值的特點。所以在研制微傳感器和微執行器時，利用多晶硅膜這些電學特性，有時比只用單晶硅更有價值。例如，利用機械性能優異的單晶硅制作感壓膜片，在其上覆蓋一層介質膜SiO2，再在SiO2上淀積一層多晶硅壓阻膜。這種混合結構的微型壓力傳感器，發揮了單晶硅和多晶硅材料各自的優勢，其工作高溫至少可達200℃，甚至300℃；低溫為-60℃。 

三、硅-藍寶石 

硅-藍寶石材料是通過外延生長技術將硅晶體生長在藍寶石（α-Al2O3）襯底上形成的。硅晶體可以認為是藍寶石的延伸部分，二者構成硅-藍寶石SOS（Silicon On Sapphire）晶片。藍寶石材料為絕緣體，在其上面淀積的每一個電阻，其電性能是完全獨立的。這不僅能消除因PN結泄漏而產生的漂移，還能提供很高的應變效應和高溫（≥300℃）環境下的工作穩定性。藍寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計的程度，因而具有極好的重復性；藍寶石又是一種惰性材料，化學穩定性好，耐腐蝕，抗輻射能力強；藍寶石的機械強度高。 

綜上所述，充分利用硅-藍寶石的特點，可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優越性能的傳感器和電路；但要獲得精度高、穩定可靠的指標，還必須解決好整體結構中材料之間的熱匹配性，否則難以達到預期的目標。由于硅-藍寶石材料又脆又硬，其硬度僅次于金剛石，制作工藝技術比較復雜。 

四、化合物半導體材料 

硅是制作微機電器件和裝置的主要材料。為了提高器件和系統的性能以及擴大應用范圍，化合物半導體材料在某些專門技術方面起著重要作用。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用。 

現以紅外探測器為例加以說明。利用紅外幅射與物質作用產生的各種效應發展起來的，實用的光敏探測器，主要是針對紅外幅射在大氣傳輸中透射率最為清晰的3個波段（1-3μm，3-5μm，8-14μm）研制的。對于波長1-3μm敏感的探測器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te；對于波長3-5μm敏感的探測器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te；對于波長8-14μm敏感的探險測器則有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征（摻雜）半導體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，通過調整材料的組分，不僅可以制成適合3個波段的器件，還可以開發更長工作波段（1-30μm）的應用，因而備受人們的關注。 

須指出的是，上述材料需要在低溫（如77K）下工作。因為在室溫下，由于晶格振動能量與雜質能量的相互作用，使熱激勵的載流子數增加，而激發的光子數則明顯減少，從而降低了波長區的探測靈敏度。 

五、SiC薄膜材料 

SiC是另一種在特殊環境下使用的化合物半導體。它由碳原子和硅原子組成。利用離子注入摻雜技術將碳原子注入單晶硅內，便可獲得優質的立方體結構的SiC。隨著摻雜濃度的差異得到的晶體結構不同，可表示為β-SiC。β表示不同形態的晶體結構。用離子注入法得到的SiC材料，自身的物理、化學及電學特性優異，表現出高強度、大剛度、內部殘余應力很低、化學惰性極強、較寬的禁帶寬度（近乎硅的1-2倍）及較高的壓阻系數的特性；因此，SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射，并具有穩定的電學性質。非常適合在高溫、惡劣環境下工作的微機電選擇使用。 

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，化學氣相淀積（VCD）等技術，將其制在Si襯底上或者絕緣體襯底（SiCOI）上，供設計者選用。例如航空發動機、火箭、導彈及衛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，實現上述場合的壓力測量。測壓時的工作溫度可達到600℃以上。 

除使用單晶SiC（Single-SiC）薄膜外，在MEMS的許多應用場合，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，采用等離子體強化氣相淀積，物理濺射、低壓氣相淀積及電子束放射等技術生長成薄膜，供不同場合選擇使用。 

總之，SiC是一種具有優良性質的材料，具有寬帶隙、高擊穿場強、高熱導率、高電子飽和速度及優良的力學和化學性能。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選用；也適合制造高溫半導體壓力傳感器時選用。