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說說壓力傳感器兩種芯體材質的性能
點擊次數:3916 更新時間:2019-08-22
  壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中常用的一種傳感器,并廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、生產自控、航空航天、、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。
  壓力傳感器的種類繁多,如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。芯體是其核心部件,材質品種繁多,本文主要介紹下兩種芯體材質的性能,分別是硅-藍寶石和SiC薄膜材料。
  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*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*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*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。
  SiC薄膜材料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*、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。
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