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说说压力传感器两种芯体材质的性能
点击次数:33 发布时间:2019-08-14
  压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中常用的一种传感器,并广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
  压力传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。芯体是其核心部件,材质品种繁多,本文主要介绍下两种芯体材质的性能,分别是硅-蓝宝石和SiC薄膜材料。
  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(Silicon On Sapphire)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,因而具有极好的重复性;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。
  SiC薄膜材料是另一种在特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成。利用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内,便可获得优质的立方体结构的SiC。随着掺杂浓度的差异得到的晶体结构不同,可表示为β-SiC。β表示不同形态的晶体结构。用离子注入法得到的SiC材料,自身的物理、化学及电学特性优异,表现出高强度、大刚度、内部残余应力很低、化学惰性极强、较宽的禁带宽度(近乎硅的1-2倍)及较高的压阻系数的特性;因此,SiC材料能在高温下耐腐蚀、抗辐射,并具有稳定的电学性质。非常适合在高温、恶劣环境下工作的微机电选择使用。
  由于SiC单晶体材料成本高,硬度大及加工难度大,所以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研究和使用的理想选择。通过离子注入,化学气相淀积(VCD)等技术,将其制在Si衬底上或者绝缘体衬底(SiCOI)上,供设计者选用。例如航空发动机、火箭及卫星等耐热腔体及其表面部位的压力测量,便可选用以绝缘体为衬底的SiC薄膜,作为感压元件(膜片),并制成高温压力微传感器,实现上述场合的压力测量。测压时的工作温度可达到600℃以上。
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