不同SICK傳感器芯體材質(zhì)的特點(diǎn)分析

    不同SICK傳感器芯體材質(zhì)的特點(diǎn)分析
    一、SICK傳感器主要是利用硅的電學(xué)特性；在MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，則是利用其機(jī)械特性，繼而產(chǎn)生新一代的硅機(jī)電器件和裝置。硅材料儲(chǔ)量豐富，成本低。硅晶體生長(zhǎng)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，因而本身的內(nèi)耗小，機(jī)械因數(shù)可高達(dá)10^6數(shù)量。
設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)奈⒒顒?dòng)結(jié)構(gòu)，如微傳感器，能達(dá)到小的遲滯和蠕變、的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及高性。所以用硅材制作硅壓阻壓力傳感器，有利于解決長(zhǎng)困擾傳感器域的3個(gè)難題——遲滯、重復(fù)性及長(zhǎng)期漂移。
    SICK傳感器硅材料密度為2.33g/cm^2，是不銹鋼密度的1/3.5，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，具有較高的強(qiáng)度/密度比和較高的剛度/密度比。
    SICK傳感器而熱膨脹系數(shù)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(yīng)力產(chǎn)生。單晶硅為立方晶體，是各向異性材料。許多機(jī)械特性和電子特性取決于晶向，如彈性模量和壓阻效應(yīng)等。
    單晶硅的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)高。在同樣的輸入下，可以得到比金屬應(yīng)變計(jì)更高的信號(hào)輸出，一般為金屬的10-100倍，能在10^-6甚10^-8上敏感輸入信號(hào)。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。
    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(hù)。
    SICK傳感器的可歸為：優(yōu)異的機(jī)械特性；便于批量微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件；與微電子集成電路工藝兼容；微機(jī)械和微電子線路便于集成。
    正是這些，使硅材料成為制造微機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)主要的材料。
    但是，硅材料對(duì)溫度為敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^-6/K的量。因此，凡是基于硅的壓阻效應(yīng)為測(cè)量原理的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是不利的一面；而可利用的一面則是，在測(cè)量其他參數(shù)的同時(shí)，可以直接對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。
    二、SICK傳感器的排列是無(wú)序的，不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)部有單晶的特征。晶粒與晶粒之間的部位叫做晶界，晶界對(duì)其電特性的影響可以通過(guò)摻雜原子濃度調(diào)節(jié)。
    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(shù)值范圍內(nèi)變化。
    多晶硅具有的壓電效應(yīng)：壓縮時(shí)電阻下降，拉伸時(shí)電阻上升。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系統(tǒng)隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中縱向應(yīng)變靈敏系數(shù)大值約為金屬應(yīng)變計(jì)大值的30倍，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)大值的1/3；橫向應(yīng)靈敏系數(shù)，其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負(fù)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(guī)半導(dǎo)體工藝兼容，且無(wú)PN結(jié)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(zhǎng)期穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。
    多晶硅電阻膜的準(zhǔn)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(diào)的電阻率特性、可調(diào)的溫度系數(shù)、較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)及能達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)整阻值的特點(diǎn)。所以在研制微傳感器和微執(zhí)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(jī)械優(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(jié)構(gòu)的微型壓力傳感器，發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料各自的，其工作高溫少可達(dá)200℃，甚300℃；低溫為-60℃。
    SICK傳感器其電是*獨(dú)立的。這不僅能消除因PN結(jié)泄漏而產(chǎn)生的漂移，還能提供很高的應(yīng)變效應(yīng)和高溫（≥300℃）環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。藍(lán)寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計(jì)的程度，因而具有好的重復(fù)性；藍(lán)寶石又是一種惰性材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射能力強(qiáng)；藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高。
    綜上所述，充分利用硅-藍(lán)寶石的特點(diǎn)，可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等的傳感器和電路；但要獲得精度高、穩(wěn)定的指標(biāo)，還必須解決好整體結(jié)構(gòu)中材料之間的熱匹配性，否則難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。由于硅-藍(lán)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(fù)雜。
    SICK傳感器件和裝置的主要材料。為了提高器件和系統(tǒng)的以及擴(kuò)大應(yīng)用范圍，化合物半導(dǎo)體材料在某些專(zhuān)門(mén)技術(shù)方面起著重要作用。如在紅外光、可見(jiàn)光及紫外光波段的成像器和探測(cè)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(yīng)用。
    SICK傳感器為例加以說(shuō)明。利用紅外幅射與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的，實(shí)用的光敏探測(cè)器，主要是針對(duì)紅外幅射在大氣傳輸中透射率為清晰的3個(gè)波段（1-3μm，3-5μm，8-14μm）研制的。對(duì)于波長(zhǎng)1-3μm敏感的探測(cè)器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te；對(duì)于波長(zhǎng)3-5μm敏感的探測(cè)器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te；對(duì)于波長(zhǎng)8-14μm敏感的探險(xiǎn)測(cè)器則有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征（摻雜）半導(dǎo)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(diào)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(zhǎng)工作波段（1-30μm）的應(yīng)用，因而備受人們的關(guān)注。
    SICK傳感器須指出的是，上述材料需要在低溫（如77K）下工作。因?yàn)樵谑覝叵拢捎诰Ц裾駝?dòng)能量與雜質(zhì)能量的相互作用，使熱激勵(lì)的載流子數(shù)增加，而激發(fā)的光子數(shù)則減少，從而降低了波長(zhǎng)區(qū)的探測(cè)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(dǎo)體。