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單晶硅與多晶硅壓力傳感器

來源: 深圳滄正傳感儀器有限公司    2025年06月01日 07:28  

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、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值約為金屬應變計值的30倍,為單晶硅電阻應變靈敏系數值的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℃。 
深圳滄正傳感專業生產壓力傳感器,拉力傳感器,測力傳感器,稱重傳感器,扭矩傳感器,角度傳感器及顯示儀表,我司生產的壓力傳感器,拉力傳感器,測力傳感器,稱重傳感器,角度傳感器質量可靠,性能穩定,服務周到細致迅速。

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