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微機械結(jié)構(gòu)中，則是利用其機械特性,，繼而產(chǎn)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(zhì),，不純度在十億分這一的量級,，因而本身的內(nèi)耗小，機械品質(zhì)因數(shù)可高達10^{^6}數(shù)量級,。設(shè)計得當?shù)奈⒒顒咏Y(jié)構(gòu),，如微傳感器，能達到極小的遲滯和蠕變,、極佳的重復(fù)性和長期穩(wěn)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(lǐng)域的3個難題——遲滯,、重復(fù)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(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(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,。具有較好的耐磨性,。

綜上所述，硅材料的優(yōu)點可歸為：優(yōu)異的機械特性,；便于批量微機械結(jié)構(gòu)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(yōu)點,，使硅材料成為制造微機電和微機械結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)選材料。但是,，硅材料對溫度極為敏感,，其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^{^-6}/K的量級。因此,，凡是基于硅的壓阻效應(yīng)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(shù)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(nèi)部有單晶的特征,。晶粒與晶粒之間的部位叫做晶界，晶界對其電特性的影響可以通過摻雜原子濃度調(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)：壓縮時電阻下降，拉伸時電阻上升,。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)最大值約為金屬應(yīng)變計最大值的30倍，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大值的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(guī)半導(dǎo)體工藝兼容,，且無PN結(jié)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(wěn)定性的實現(xiàn),。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(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)及能達到準確調(diào)整阻值的特點,。所以在研制微傳感器和微執(zhí)行器時,，利用多晶硅膜這些電學(xué)特性，有時比只用單晶硅更有價值,。例如,，利用機械性能優(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)的微型壓力傳感器，發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料各自的優(yōu)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(shù)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(gòu)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(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(fù)性；藍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,；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(yōu)越性能的傳感器和電路；但要獲得精度高,、穩(wěn)定可靠的指標,，還必須解決好整體結(jié)構(gòu)中材料之間的熱匹配性，否則難以達到預(yù)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(shù)比較復(fù)雜。

四,、化合物半導(dǎo)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(tǒng)的性能以及擴大應(yīng)用范圍，化合物半導(dǎo)體材料在某些專門技術(shù)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(yīng)用。

現(xiàn)以紅外探測器為例加以說明,。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(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,，通過調(diào)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(fā)更長工作波段（1-30μm）的應(yīng)用,，因而備受人們的關(guān)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(zhì)能量的相互作用，使熱激勵的載流子數(shù)增加,，而激發(fā)的光子數(shù)則明顯減少,，從而降低了波長區(qū)的探測靈敏度。

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,。它由碳原子和硅原子組成。利用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內(nèi),，便可獲得優(yōu)質(zhì)的立方體結(jié)構(gòu)的SiC,。隨著摻雜濃度的差異得到的晶體結(jié)構(gòu)不同，可表示為β-SiC,。β表示不同形態(tài)的晶體結(jié)構(gòu),。用離子注入法得到的SiC材料，自身的物理,、化學(xué)及電學(xué)特性優(yōu)異,，表現(xiàn)出高強度、大剛度,、內(nèi)部殘余應(yīng)力很低,、化學(xué)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(shù)的特性,；因此,，SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射,，并具有穩(wěn)定的電學(xué)性質(zhì),。非常適合在高溫、惡劣環(huán)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(xué)氣相淀積（VCD）等技術(shù)，將其制在Si襯底上或者絕緣體襯底（SiCOI）上,，供設(shè)計者選用,。例如航空發(fā)動機、火箭,、導(dǎo)彈及衛(wèi)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(xiàn)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(yīng)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(shù)生長成薄膜,，供不同場合選擇使用。

總之,，SiC是一種具有優(yōu)良性質(zhì)的材料,，具有寬帶隙、高擊穿場強,、高熱導(dǎo)率,、高電子飽和速度及優(yōu)良的力學(xué)和化學(xué)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(dǎo)體壓力傳感器時選用。