壓力傳感器芯體是一種采用不銹鋼波紋膜片隔離的充油式OEM壓力敏感元件。被測(cè)壓力通過(guò)隔離膜片和灌注的硅油傳遞到具有惠斯登電橋的精密力學(xué)結(jié)構(gòu)的硅壓敏芯片上，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)壓力和模擬信號(hào)精確轉(zhuǎn)換，再通過(guò)一個(gè)定制的集成電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性修正并輸出符合I2C、SPI、MODBUS 485協(xié)議的壓力數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。
目前，壓力傳感器芯體材質(zhì)品種繁多，下面簡(jiǎn)單介紹下幾種芯體材質(zhì)的性能。
一、單晶硅：
硅在集成電路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，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級(jí)，因而本身的內(nèi)耗小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)10^6數(shù)量級(jí)。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)奈⒒顒?dòng)結(jié)構(gòu)，如微傳感器，能達(dá)到極小的遲滯和蠕變、良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及高可靠性。所以用硅材制作硅壓阻TOKO壓力傳感器，有利于解決長(zhǎng)困擾傳感器領(lǐng)域的3個(gè)難題——遲滯、重復(fù)性及長(zhǎng)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(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。單晶硅具有很好的熱導(dǎo)性，是不銹鋼的5倍，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級(jí)甚至10^-8級(jí)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、集成化及批量生產(chǎn)。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)。具有較好的耐磨性。
綜上所述，硅材料的優(yōu)點(diǎn)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。
正是這些優(yōu)點(diǎn)，使硅材料成為制造微機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)主要的優(yōu)選材料。但是，硅材料對(duì)溫度極為敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^-6/K的量級(jí)。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、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(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)械性能優(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TOKO壓力傳感器，發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料各自的優(yōu)勢(shì)，其工作高溫至少可達(dá)200℃，甚至300℃；低溫為-60℃。
三、硅-藍(lán)寶石：
硅-藍(lán)寶石材料是通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)將硅晶體生長(zhǎng)在藍(lán)寶石（α-Al2O3）襯底上形成的。硅晶體可以認(rèn)為是藍(lán)寶石的延伸部分，二者構(gòu)成硅-藍(lán)寶石SOS晶片。藍(lán)寶石材料為絕緣體，在其上面淀積的每一個(gè)電阻，其電性能是*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，因而具有較好的重復(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*性能的傳感器和電路；但要獲得精度高、穩(wěn)定可靠的指標(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。
