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            單晶硅、多晶硅、硅-藍寶石、化合物半導體、SiC薄膜

            發布時間:2018-8-21??????發布人:澤天公司??????點擊:

            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、極佳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℃。

            三、硅-藍寶石

            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,其電性能是完全獨立的。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,因而具有極好的重復性;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、耐腐蝕及抗輻射等優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門技術方面起著重要作用。如在紅外光、可見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明。利用紅外幅射與物質作用產生的各種效應發展起來的,實用的光敏探測器,主要是針對紅外幅射在大氣傳輸中透射率最為清晰的3個波段(1-3μm,3-5μm,8-14μm)研制的。對于波長1-3μm敏感的探測器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;對于波長3-5μm敏感的探測器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;對于波長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,通過調整材料的組分,不僅可以制成適合3個波段的器件,還可以開發更長工作波段(1-30μm)的應用,因而備受人們的關注。

            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,由于晶格振動能量與雜質能量的相互作用,使熱激勵的載流子數增加,而激發的光子數則明顯減少,從而降低了波長區的探測靈敏度。

            五、SiC薄膜材料

            SiC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,便可獲得優質的立方體結構的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、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,實現上述場合的壓力測量。測壓時的工作溫度可達到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生長成薄膜,供不同場合選擇使用。

            總之,SiC是一種具有優良性質的材料,具有寬帶隙、高擊穿場強、高熱導率、高電子飽和速度及優良的力學和化學性能。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選用;也適合制造高溫半導體壓力傳感器時選用。

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