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压力传感器芯体材质品种繁多,主要有以下几种!
  • 发布日期:2022-07-23      浏览次数:50
    •   压力传感器芯体是一种采用不锈钢波纹膜片隔离的充油式OEM压力敏感元件。被测压力通过隔离膜片和灌注的硅油传递到具有惠斯登电桥的精密力学结构的硅压敏芯片上,实现了被测压力和模拟信号精确转换,再通过一个定制的集成电路进行温度补偿和非线性修正并输出符合I2C、SPI、MODBUS 485协议的压力数据和温度数据。
       
        目前,压力传感器芯体材质品种繁多,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,能达到极小的迟滞和蠕变、良好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TOKO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主要的优选材料。但是,硅材料对温度极为敏感,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大值约为金属应变计大值的30倍,为单晶硅电阻应变灵敏系数大值的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TOKO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℃。
       
        三、硅-蓝宝石:
        硅-蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅晶体生长在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分,二者构成硅-蓝宝石SOS晶片。蓝宝石材料为绝缘体,在其上面淀积的每一个电阻,其电性能是完全独立的。这不仅能消除因PN结泄漏而产生的漂移,还能提供很高的应变效应和高温(≥300℃)环境下的工作稳定性。蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计的程度,因而具有较好的重复性;蓝宝石又是一种惰性材料,化学稳定性好,耐腐蚀,抗辐射能力强;蓝宝石的机械强度高。
        综上所述,充分利用硅-蓝宝石的特点,可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路;但要获得精度高、稳定可靠的指标,还必须解决好整体结构中材料之间的热匹配性,否则难以达到预期的目标。由于硅-蓝宝石材料又脆又硬,其硬度仅次于金刚石,制作工艺技术比较复杂。
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