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各種壓力傳感器芯體材質(zhì)比較

目前,壓力傳感器芯體材質(zhì)品種繁多,下面簡(jiǎn)單介紹下幾種芯體材質(zhì)的性能

一、單晶硅 

硅在集成電路和微電子器件生產(chǎn)中有著(zhù)廣泛的應用,主要是利用硅的電學(xué)特性;在MEMS微機械結構中,則是利用其機械特性,繼而產(chǎn)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(cháng)容易,并存在超純無(wú)雜的材質(zhì),不純度在十億分這一的量級,因而本身的內耗小,機械品質(zhì)因數可高達10^6數量級。設計得當的微活動(dòng)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(cháng)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(cháng)困擾傳感器領(lǐng)域的3個(gè)難題——遲滯、重復性及長(cháng)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(chǎn)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(chǎn)。硅可以用許多材料覆蓋,如氮化硅,因而能獲得優(yōu)異的防腐介質(zhì)的保護。具有較好的耐磨性。 

綜上所述,硅材料的優(yōu)點(diǎn)可歸為:優(yōu)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(xiàn)路便于集成。 

正是這些優(yōu)點(diǎn),使硅材料成為制造微機電和微機械結構最主要的優(yōu)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(jìn)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(shí),可以直接對溫度進(jìn)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(wú)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(guò)摻雜原子濃度調節。多晶硅膜一般由低壓化學(xué)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(fā)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(shí)電阻下降,拉伸時(shí)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(guò)程與常規半導體工藝兼容,且無(wú)PN結隔離問(wèn)題,因而適合更高工作溫度(t≥200℃)場(chǎng)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(cháng)期穩定性的實(shí)現。多晶硅電阻膜的準確阻值可以通過(guò)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(diǎn)。所以在研制微傳感器和微執行器時(shí),利用多晶硅膜這些電學(xué)特性,有時(shí)比只用單晶硅更有價(jià)值。例如,利用機械性能優(yōu)異的單晶硅制作感壓膜片,在其上覆蓋一層介質(zhì)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(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料各自的優(yōu)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(guò)外延生長(cháng)技術(shù)將硅晶體生長(cháng)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(gè)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(chǎn)生的漂移,還能提供很高的應變效應和高溫(≥300℃)環(huán)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(xué)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(diǎn),可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優(yōu)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(shù)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(zhuān)門(mén)技術(shù)方面起著(zhù)重要作用。如在紅外光、可見(jiàn)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(shuō)明。利用紅外幅射與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種效應發(fā)展起來(lái)的,實(shí)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(gè)波段(1-3μm,3-5μm,8-14μm)研制的。對于波長(cháng)1-3μm敏感的探測器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;對于波長(cháng)3-5μm敏感的探測器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;對于波長(cháng)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(guò)調整材料的組分,不僅可以制成適合3個(gè)波段的器件,還可以開(kāi)發(fā)更長(cháng)工作波段(1-30μm)的應用,因而備受人們的關(guān)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(dòng)能量與雜質(zhì)能量的相互作用,使熱激勵的載流子數增加,而激發(fā)的光子數則明顯減少,從而降低了波長(cháng)區的探測靈敏度。 

五、SiC薄膜材料 

SiC是另一種在特殊環(huán)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(shù)將碳原子注入單晶硅內,便可獲得優(yōu)質(zhì)的立方體結構的SiC。隨著(zhù)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(tài)的晶體結構。用離子注入法得到的SiC材料,自身的物理、化學(xué)及電學(xué)特性?xún)?yōu)異,表現出高強度、大剛度、內部殘余應力很低、化學(xué)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(xué)性質(zhì)。非常適合在高溫、惡劣環(huán)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(guò)離子注入,化學(xué)氣相淀積(VCD)等技術(shù),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(fā)動(dòng)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(shí)現上述場(chǎng)合的壓力測量。測壓時(shí)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(chǎng)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(shù)生長(cháng)成薄膜,供不同場(chǎng)合選擇使用。 

總之,SiC是一種具有優(yōu)良性質(zhì)的材料,具有寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強、高熱導率、高電子飽和速度及優(yōu)良的力學(xué)和化學(xué)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(shí)選用;也適合制造高溫半導體壓力傳感器時(shí)選用。 

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