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。被測壓力通過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，實現(xiàn)了被測壓力和模擬信號精確轉(zhuǎn)換，再通過一個定制的集成電路進(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(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)10^6數(shù)量級。設(shè)計得當(dāng)?shù)奈⒒顒咏Y(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(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(hù)。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(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，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(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是不利的一面；而可利用的一面則是，在測量其他參數(shù)的同時，可以直接對溫度進(jìn)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)大值約為金屬應(yīng)變計大值的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(zhǔn)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(dá)到準(zhǔn)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(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，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)寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體生長在藍(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電阻，其電性能是*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(lán)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，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。
