Применение в информационных системах датчиков на основе нитевидных кристаллов кремния

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИМЕНЕНИЕ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ

С.А. Ермаков, А.И. Дрожжин, А.П. Ермаков

Нитевидные кристаллы (НК) кремния являются бездислокационными, имеют высокую прочность и являются уникальными модельными образцами для применения в науке, новой технике, медицине и информационных системах. Комплекс полученных результатов [1-3] позволил создать на основе НК р Si <111> ряд миниатюрные, малоинерционные и особопрочных устройств. С помощью полученных результатов на основе НК созданы миниатюрные и высокопрочные тензорезисторы. Определены возможности их применения, разработаны и изготовлены на их основе приборы для новой техники и информационных технологий, позволяющие осуществлять измерения физических величин (деформации, давления, усилия, перемещения и др.). Устройства и приборы имеют повышенную чувствительность, а также стабильность свойств и более широкие границы применения в сравнении с аналогичными приборами, изготовленными из массивных монокристаллов.

Разработана методика измерения оригинальными термоанемометрами малых скоростей газовых потоков и методики оценок возможных ошибок измерений. Установлены для них основные погрешности измерений. Разработанные устройства и приборы имеют малые габариты, малую инерцию ~1510^-2с, повышенную чувствительность и более широкие границы применения в сравнении с аналогичными приборами, изготовленными из массивных монокристаллов. Выявлено, что с увеличением удельного сопротивления от 210^-5 до 510^-4Омм коэффициент тензочувствительности НК при 300К возрастает от 25 до 150. Зависимость относительного изменения электросопротивления от деформации ненакленнных НК кремния при 300К носит линейный характер, отклонение от которого наблюдается при больших деформациях, непосредственно перед разрушением. При 300К деформированных растяжением на ~510^-4 НК кремния не обнаруживают в пределах ошибки опыта заметной релаксации электросопротивления как при статических выдержках в течение 310³с, так и при малом числе циклических нагружений. В области температур 250-600К коэффициент тензочувствительности слабо зависит от температуры, а температурный коэффициент тензочувствительности 0,1 К^-1.

Кристаллы р-типа имели ориентацию оси роста [111], соответствующую направлению максимального значения коэффициента тензочувствительности. НК отбирались диаметром 20-80мкм, длиной 10-20мм, боковая грань имела вид правильного шестигранника. Для изготовления чувствительных элементов отбирались НК кремния диаметром 20-50мкм с малой конусностью и без оптически различимых дефектов на поверхности. Механические и электрические свойства, структура предварительно отобранных НК исследовались в диапазоне температур 300-450К по методике [1] после приварки к ним омических контактов

В исследуемом диапазоне температур НК и изготовленные на их основе чувствительные элементы при растяжении деформировались квазиупруго вплоть до напряжений разрушения. Разрушение обычно происходило хрупко в результате скола по плотно упакованным плоскостям {111}. Рентгенографически и методом травления обнаружены следы пластического течения в месте скола. Диаграммы деформации НК линейны, отклонение от закона Гука на них обнаруживалось только при деформациях >1%. Признаки микропластичности в НК были обнаружены только в локальных зонах наличия дефектов вблизи поверхности при длительной выдержке (~1ч) и при больших нагрузках >30кг/мм² либо относительных деформациях >0,5%. Прочность на разрыв НК диаметром 20мкм составляла ~ 300 кг/мм², а диаметром более 50 мкм - около 100кг/мм². Предельная упругая деформация достигала 0,8%, при этом 25% образцов показывали предельную упругую деформацию 1%.

Фон внутреннего трения Q^-1 при комнатной температуре мал (~10^-4) и не зависит от диаметра НК. В широком диапазоне температур на кривых Q^-1(Т) не обнаружено никаких особенностей. Амплитудная зависимость Q^-1не наблюдалась вплоть до деформаций ~ 0,1%. При комнатной температуре и слабых электрических токах НК выдерживали ~10⁷ циклов знакопеременной деформации (растяжение, изгиб, кручение) с амплитудой ~0,1% без разрушения и заметного изменения структуры. Это, на наш взгляд, свидетельствует об отсутствии в НК подвижных дефектов, способных рассеивать энергию упругих колебаний и приводить к пластической деформации. кристалл кремний нитевидный тензорезистор

Металлографические исследования показали, что НК с поверхностными дефектами (ступени роста, раковины, зародыши и др.) обычно разрушаются в местах наличия дефектов и показывают невысокую прочность. После удаления поверхностных дефектов химической полировкой (особенно в НК диаметром>50мкм) прочность кристаллов повышалась и уменьшался разброс результатов [2], а фон Q^-1 при этом не изменялся. Установлено, что дислокации, специально введенные путем пластической деформации, не оказывают заметного влияния на Q^-1и прочность НК при комнатной температуре. Однако при более высоких скалывающих напряжениях и температурах (~450К) в НК с дислокациями более заметно обнаруживается явление микропластичности. Такие результаты являются прямым доказательством определяющей роли поверхностных дефектов в снижении прочности хрупких кристаллов. Известно [2,3], что поверхностные дефекты являются эффективными концентраторами напряжений, а при деформации кручением наибольшие напряжения будут у поверхности образца. Все это способствует зарождению трещин и разрушению НК 300К или генерации дислокаций при более высоких температурах.

Контакты к образцам создавались методом точечной электродуговой или ультразвуковой сварки. Контактным материалом для дуги электросварки служила Pt микропроволока диаметром~25 мкм, для ультразвуковой - Al микропроволока диаметром~27 мкм. Прочность контактов была близка к прочности микропроволоки. Контакты получали омичными с сопротивлением от десятых долей до единиц Ом. Сопротивление контактов ~0,1-1% от общего сопротивления чувствительного элемента. Общее сопротивление НК с омичными контактами (тензо- и терморезисторы) при комнатной температуре составляло несколько сотен Ом и зависело от геометрических размеров НК и от удельного сопротивления материала. Вольтамперные характеристики контактов линейны вплоть до плотностей тока ~ 800А/см², при этом стабильность параметров контактов не претерпевала существенных изменений. Тензорезисторы в исследуемой области температур имели линейную зависимость сопротивления от температуры. Термический коэффициент сопротивления положительный и составлял 3·10^-3К^-1. Коэффициент тензочувствительности при комнатной температуре ~80-120. Для исключения краевого эффекта тензорезисторы наклеивали на некотором удалении от торцов НК. Тензорезисторы отличающиеся по сопротивлению на 0,5 Ом, наклеивали связующим по методике [1] на балки из различных материалов и исследовали зависимости K() при 300К и статическом нагружении.

Высокие механическая прочность и упругая деформация тензорезисторов на основе НК позволяют использовать их для измерения деформаций деталей с малым радиусом кривизны. Удобные геометрические размеры и формы в виде нитей с четкой кристаллографической огранкой и ориентацией, высокое совершенство структуры и связанная с ним высокая циклическая прочность позволяют применять тензорезисторы на основе НК р Si<111> в качестве стабильных и надежных измерителей деформаций, температур, других физических величин, а также создавать миниатюрные особо прочные тензодатчики и использовать их в тензометрии [1], приборостроении [2], новой технике [1-3], материаловедении [3], информационных системах и технологиях [4].

Тензорезисторы на основе НК р Si <111> по основным своим параметрам (усталостной прочности, упругой деформации, уровню шумов и др. [1]) значительно превосходят тензопреобразователи, изготовленные из массивных монокристаллов кремния. Прочность на разрыв нитевидных тензорезисторов составляет ~10⁹Па и почти на порядок превышает прочность тензопреобразователей из массивных монокристаллов. Упругие деформации нитевидных тензорезисторов 1%. НК могут быть изогнуты с радиусом кривизны ~210^-3м. При 300К такие тензорезисторы выдерживают без заметного изменения свойств до 10¹⁰ циклов нагружения [1-4] либо длительные статические нагрузки, что свидетельствует в пользу высокой стабильности их свойств в условиях воздействия упругих, тепловых и электромагнитных полей.

Тензорезисторы послужили основой для создания более совершенной конструкции называемой измерительным микрокомпозитом. Тензо- и термопреобразователи [2] созданные на основе измерительного микрокомпозита имеют ряд преимуществ по сравнению с тензо- и термопреобразователями созданными на основе массивных монокристаллов. Такие преобразователи прежде всего наследуют достоинства НК, однако, в сравнении с ними имеют лучшие метрологические характеристики, лучшие функциональные возможности и, следовательно, имеют более широкие границы применения. Например, в сравнении с НК, удачно выбранная матрица измерительного микрокомпозита не только повышает чувствительность и улучшает метрологические характеристики, но и выполняет роль защитной среды, следовательно, расширяет функциональные возможности и область применения. Микрокомпозиты пригодны для использовании в термо- и тензометрии в качестве миниатюрных, малоинерционных (5-50)10^-3с, высокочувствительных и высокостабильных преобразователей тепловых величин (температуры, скорости газожидкостного потока и др.) и преобразователей механических величин (деформации, давлений, перемещений и др.). При этом к ранее известным достоинствам устройств добавляются достоинства измерительного микрокомпозита, что в совокупности расширяет границы использования НК полупроводников.

Высокие требования новой техники и информационных систем достигаются благодаря улучшению метрологических характеристик микрокомпозитов и тензорезисторов на основе НК р Si<111>. В условиях стабильной температуры создаются тензорезисторы с двумя контактами [7]. Для измерения волновых и быстро протекающих процессов требуется исключение краевого эффекта. Поэтому контакты к тензорезисторам изготавливаются на некотором расстоянии от торцов НК [6]. НК с тремя и четырьмя контактами содержат в одном кристалле соответственно два и три близко расположенных (1-2мм) тензорезистора. Это существенно расширяет функциональные и метрологические возможности тензорезисторов, область их практического использования [2].

Такие преобразователи позволяют с высокой точностью измерять температуру либо ее разность и градиент, деформации, напряжения и др. Благодаря возможности измерения температуры, ее разности и градиента в зоне расположения тензопреобразователя имеется возможность учета и исключения погрешности определения деформации, обусловленной температурным воздействием. Учтены [2] ошибки, связанные со структурными нарушениями в НК, возникающими в процессе градуировки и эксплуатации. Это связано с тем, что пластическое течение НК приводит к изменению электросопротивления и отрицательным образом сказывается на погрешности измерений контролируемого физического параметра. В результате возрастает точность измерения физических величин тензо-и терморезисторами, измерительными микрокомпозитами. Контроль достоверности осуществляется автономно при использовании дистанционной передачи информации и микроЭВМ. Возможности применения тензорезисторов на основе НК возрастают, благодаря выявленной возможности [4] преобразования аналогового сигнала тензорезистора в длительность либо частоту следования импульсов.

Достоинство электронного частотного преобразования перед другими способами (электростатическим, магнитным, механическим) состоит в том, что, имея преимущества известных частотных преобразователей, он применим к вновь разработанным и ранее созданным устройствам и не требует изменения существующих технологий изготовления. Частотное преобразование [2,4] позволяет повысить точность измерений вновь созданных и известных устройств, что особенно важно при решении проблем тензометрии и информационных технологий. Это открывает пути к автоматизации трудоемких процессов измерения, регистрации, хранения, обработки, систематизации, поиска и использования накопленной информации о контролируемых параметрах новой техники и информационных систем [2].

Литература

1. Дрожжин А.И., Антипов С.А., Ермаков А.П. Нитевидные кристаллы полупроводников. Приборы и методики исследования свойств и структуры. Воронеж, 1987. 145 с. Деп. в ВИНИТИ 8.11.87. N 7702-В87.

2. Ермаков А.П. Механические свойства нитевидных кристаллов кремния и германия при внешних воздействиях и методы их изучения. - Автореф. дисс. д.т.н. - Тула, 2000. - 32с.

3. Пластическая деформация нитевидных кристаллов /А.М. Беликов, А.И. Дрожжин, А.М. Рощупкин и др. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991. - 204с.

4. А.с.1252661, МКИ⁴G01B7/18. Преобразователь механических напряжений в частоту следования импульсов/ А.П. Ермаков - №3873509/25-28; Заявл.19.3.85. Опубл.23.8.86. Бюл. № 31

Размещено на Allbest.ru