Полупроводниковые датчики давления
Классификация интегральных тензопреобразователей давления. Изучение технологических этапов изготовления интегральных тензопреобразователей. Принципы размещения тензорезисторов на мембранах полупроводниковых интегральных тензопреобразователей давления.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.07.2015 |
| Размер файла | 763,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
1. Тензорезистивный эффект в полупроводниках
Работа полупроводниковых датчиков давления основана, в основном, на использовании тензоэффекта, который у полупроводников значительно выше, чем у металлов [1].
Полупроводниковые кристаллы обладают в основном кубической симметрией, расстояния между атомами в кристаллах обусловлены минимумом энергии взаимодействия между соседними атомами. Любое приложенное извне механическое воздействие, достаточное для изменения расстояния между ближайшими соседними атомами в кристаллической решетке, приводит к изменению энергии взаимодействия между ними, а следовательно, к изменению вида потенциальной энергии в уравнении Шредингера и к изменению энергетической зонной структуры полупроводника (плотности состояний в разрешенных зонах или ширины запрещенной зоны).
Изменение энергетической структуры неизбежно приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда или их подвижности, в связи с чем тензочувствительность полупроводников в десятки раз превосходит тензочувствительность металлов.
Тензорезистивным эффектом, или тензосопротивлением, называется изменение электрического сопротивления полупроводника в результате действия нагрузки, создающей деформацию. Деформация тела может быть описана симметричным тензором деформации :
(39)
Тензор деформации определяет изменение расстояний между точками тела при деформации. Если в недеформированном теле расстояние между двумя точками dl, а в деформированном теле расстояние между теми же точками равно dl', то связь между dl' и dl можно выразить через тензор деформации :
(40)
где .
Относительное удлинение вдоль направления n=(n1, n2, n3), где n - индексы Миллера, можно выразить через тензор деформации следующим образом:
. (41)
Найдем изменение объема при деформации:
(42)
Или
. (43)
Таким образом, главные значения тензора деформации определяют относительные удлинения вдоль главных осей тензора, а их сумма - относительное изменение объема.
При деформации тела в нем возникают внутренние напряжения, стремящиеся вернуть тело в равновесное, недеформированное состояние. Они могут быть описаны некоторым симметричным тензором второго ранга - тензором напряжений Pik. Сила, действующая на единичный объем тела, может быть выражена через тензор напряжений Р следующим образом:
(44)
(45)
Между тензором деформации и тензором напряжений должна быть определенная связь, так как с ростом деформации напряжения должны возрастать. В пределах упругих деформаций между деформацией и напряжением на основании закона Гука должна существовать линейная зависимость. Величина, связывающая деформацию с напряжением, называется обычно модулем упругости. Поскольку в общем случае деформация и напряжение являются тензорами второго ранга, то и модуль упругости должен быть тензором, причем более высокого ранга, именно, четвертого. Обозначим его элементы через, тензор называется тензором упругости. В соответствии с законом Гука запишем
. (46)
Тензор модулей упругости симметричен по парам своих индексов:
, (47)
так как он связывает между собой два симметричных тензора Pik и Ulm. Изотропные тела характеризуются всего двумя модулями упругости - модулями сдвига G и модулем Юнга Е. Для анизотропных материалов, к которым принадлежат все полупроводники, упругие свойства определяются набором гораздо большего числа упругих коэффициентов. С учетом (47) в общем случае из 81 элемента тензора отличными друг от друга элементами могут быть не более 21. С учетом свойств симметрии решетки число независимых модулей упругости может быть уменьшенное. Например, в триклинной системе число независимых модулей равно 18, в ромбоэдрической - 12, в гексагональной - 5 и в кубической, характерной для кремния, только три, которые можно обозначить как
(48)
Поскольку тензор модулей упругости имеет значительно меньше 81 компонента, то для него используют обозначения, указывая не на четыре индекса, а только на два. Например, в случае кристаллов с кубической решеткой вводят следующие обозначения:
(49)
Компоненты ci,k являются симметричными относительно своих индексов.
Перейдем к описанию тензорезистивного эффекта. Пусть вещество характеризуется тензором удельного сопротивления с компонентами .
Если полупроводник деформирован, то его удельное сопротивление изменилось, оно равно или . Величина или представляет собой изменение удельного сопротивления в результате действия нагрузки, вызывающей деформацию и напряжение в полупроводнике. Изменение удельного сопротивления можно выразить двояким образом: либо через напряжение, либо через деформацию. Поскольку между напряжением и деформацией существует вполне определенная связь, то оба способа описания являются эквивалентными. Выразим изменение сопротивления через тензор напряжения Рik в виде
(50)
Или
. (51)
Тензор четвертого ранга называется обычно тензором коэффициентов пьезосопротивления или тензором пьезосопротивления.
Для кубического кристалла тензор пьезосопротивления имеет всего три различные величины, которые для простоты изображаются величинами с двумя индексами аналогично (49):
(52)
При экспериментальном исследовании тензорезистивного эффекта выбирают образец в виде стержня прямоугольного сечения, который подвергают одностороннему сжатию или растяжению. Если ток направлен вдоль оси, по которой направлено растяжение, то мы имеем продольный эффект, если ток направлен под углом 90о к оси, вдоль которой приложена внешняя нагрузка, то мы имеем поперечный эффект. Наиболее интересен продольный эффект.
Изменение удельного сопротивления образца при действии давления р вдоль оси можно выразить с помощью продольного коэффициента пьезосопротивления l:
/= (1-l..р). (53)
Если образец (стержень) вырезан так, что его ось совпадает с направлением типа [100], то продольный коэффициент пьезосопротивления по направлению [100] равен
. (54)
Если образец вырезан вдоль направления типа [110], то , и коэффициент пьезосопротивления по направлению [100] равен
. (55)
Аналогично можно получить для направления [111]
=. (56)
Таким образом, численное значение продольного коэффициента пьезосопротивления l зависит от направления оси образца относительно осей кристалла.
Известно, что для реальных кристаллов, например для кремния р-типа проводимости с не очень высокой степенью легирования (примерно до 51019 см-3 для диффузионных слоев), справедливы следующие допущения:
(57)
и для кремния n-типа проводимости -
; . (58)
Эти допущения справедливы с погрешностью не хуже 10% значения максимального коэффициента для границы указанной концентрации примеси. С уменьшением степени легирования погрешность уменьшается. Таким образом, допущения (57) и (58) можно использовать для большинства практических случаев. Тогда коэффициент будет выражен через тензор коэффициентов пьезосопротивления для р-типа тензорезисторов и через для n-типа. Можно ввести коэффициент тензочувствительности по деформации вдоль оси стержня. Модулем Юнга Е, как известно, называется величина, определяемая соотношением
. (59)
В этом случае связь между и Е, аналогично (59), будет представлена в виде
. (60)
Необходимо только помнить, что модуль Юнга Е, модуль сдвига G, связывающий их коэффициент Пунсона в анизотропных телах, также зависят от кристаллографического направления.
В табл. 8 приведены некоторые экспериментальные данные по кремнию для коэффициентов пьезосопротивления.
Таблица 8
Адиабатические коэффициенты пьезосопротивления (T=20C)
|
Материал |
Концентрация примеси |
, ом*см |
, н/м |
S(111) =E(111) x x (111) |
||||
|
(в 10 м/н) |
||||||||
|
Кремний: p-тип n-тип |
1.7· 4· |
7.8 11.7 |
6.6 -102.2 |
-1.1 53.4 |
138.1 -13.6 |
1.87·10 |
175 -142 |
Табл. 8 показывает, что как коэффициенты пьезосопротивления, так и тензочувствительность и зависят от величины и типа проводимости. Они зависят от температуры и даже от деформации. На рис. 19 представлены зависимости главных пьезорезистивных коэффициентов для n-типа и для р-типа кремниевых диффузионных слоев от поверхностной концентрации и температуры.
Чтобы понять эти зависимости необходимо рассмотреть физическую природу тензорезистивного эффекта. В общем случае удельное сопротивление можно выразить через концентрацию носителей заряда и подвижность :
. (61)
Изменение может быть связано с изменением концентрации носителей заряда и подвижности.
Простейшим случаем тензосопротивления является случай объемного, или всестороннего сжатия при деформации. Постоянная решетки кристалла а уменьшается:
. (62)
Так как расстояние между атомами уменьшается, то увеличивается перекрытие волновых функций электронов, а потенциальная энергия , описывающая взаимодействие атомов решетки, изменяется. Она возрастает как при сжатии, так и при растяжении кристалла (рис. 20). Это приводит в свою очередь к изменению ширины запрещенных зон и зон энергии.
Изменение ширины запрещенной зоны обусловлено тем, что смещается дно зоны проводимости и потолок валентной зоны. Но изменение ширины запрещенной зоны должно привести к изменению концентрации электронов и дырок.
В общем случае положения и являются функцией относительного изменения объема или тензора деформации:
, (63)
.
Дополнительная потенциальная энергия электрона в деформированной решетке носит название потенциала деформации, а и называются постоянными потенциала деформации для зоны проводимости и потолка валентной зоны соответственно.
Для продольного коэффициента пьезосопротивления и коэффициента чувствительности Sl
; (64)
.
Оценка Sl на основании (64) дает сравнительно небольшое изменение сопротивления при всестороннем сжатии. Так как, согласно (64), всестороннее сжатие в общем случае входит как составная часть в любую деформацию, кроме чистого сдвига, то изменение концентрации свободных носителей заряда, обусловленное всесторонним сжатием, должно наблюдаться во всех случаях. Однако в области истощения примеси всестороннее сжатие может изменить общую концентрацию частиц только на удвоенное изменение концентрации неосновных носителей заряда, поэтому тензосопротивление проявится слабо. В действительности же в целом ряде случаев тензосопротивление проявляется значительно сильнее, что может быть объяснено только сложной структурой зон энергии.
Значительно большее тензосопротивление наблюдается при одностороннем сжатии или растяжении. Деформация тела определяется тензором деформации . Необходимо отметить следующее обстоятельство: если в направлении сжатия расстоянние между атомами уменьшается, то в поперечном направлении расстояние между атомами увеличивается. Это по-разному меняет характер перекрытия волновых функций атомов вдоль разных направлений.
Рис. 19 Зависимость от температуры и поверхностной концентрации примеси главных пьезорезистивных коэффициентов диффузионных слоев кремния р-типа проводимости (а) и n-типа проводимости (б)
Рис. 20 Зависимость потенциальной энергии от расстояния между атомами
Выразим положение дна зоны проводимости в виде
. (65)
Выражение (65) справедливо для малых деформаций. Обобщим поставленную задачу на случай полупроводника, имеющего М долин. Мы должны предположить, что положение дна зоны проводимости в каждой долине( -долине) описывается своим тензором :
. (66)
Поскольку тензор деформации одинаков для всех долин, а , вообще говоря, различны, то дно зоны проводимости сместится по-разному в каждой долине. Положение уровня Ферми от номера долины не зависит, поэтому расстояния между уровнем Ферми EF и дном зоны становятся различными, что приводит к различной величине концентраций электронов в каждой долине: если дно долины поднимается, то число электронов в ней уменьшается; если дно долины опускается, то число электронов в ней увеличивается:
. (67)
Запишем теперь выражение для полной проводимости:
. (68)
Если анизотропная, то проводимость становится при наложении деформации анизотропной.
При фиксированной деформации анизотропия проводимости связана с анизотропией подвижности, т.е. с анизотропией обратной эффективной массы.
Рассмотрим в качестве примера n-кремний. Если сжать кристалл кремния вдоль оси [100], то расстояния между атомами в этом направлении уменьшатся, энергия взаимодействия между электронами соседних атомов для этого направления возрастет, а для направлений [010] и [001] уменьшится. Дно зоны проводимости в направлении [100] опустится (две долины), а в перпендикулярных направлениях (четыре долины) поднимется. Так как сумма состояний в общем постоянна, тогда
. (69)
Это значит, что область занятых состояний в одних минимумах увеличится, а в остальных уменьшится. Таким образом, изменение проводимости для разных осей различно. Если наложить давление вдоль оси [110 ], то энергетические минимумы вдоль направлений [100] и [010] опустятся (четыре долины), а в направлении [001] поднимутся (две долины). Если же сжать кристалл в направлении [111], то все экстремумы останутся эквивалентными, перераспределения электронов не произойдет, и в этом приближении тензосопротивление наблюдаться не должно. В действительности оно будет иметь место вследствие изменения концентрации носителей заряда, о котором мы говорили в первом пункте.
Перейдем к рассмотрению тензосопротивления в р-кремнии. В нем наблюдается большое изменение сопротивления, которое не может быть объяснимо указанным выше изменением концентрации носителей заряда. Известно, что валентная зона кремния обладает почти сферическими поверхностями энергии, поэтому объяснить аномально большое тензосопротивление анизотропией проводимостей подобно тому, как это имеет место в зоне проводимости, нельзя. Объяснение было найдено при учете легких и тяжелых дырок. Смещение зон энергии легких и тяжелых дырок меняет их концентрации на различные величины при сохранении полного числа дырок проводимости (в случае примесной проводимости в области истощения). Но перераспределение концентраций легких и тяжелых дырок вследствие различия в их подвижности меняет проводимость и сопротивление:
. (70)
Таким образом, аномально большое тензосопротивление р-кремния связано с различием масс, и подвижностей легких и тяжелых дырок.
Подводя итог, можно выделить следующие основные моменты:
1. Тензорезистивный эффект состоит в изменении сопротивления (проводимости) полупроводника или металла в результате его деформации. Физической причиной тензосопротивления является изменение энергетической структуры полупроводника. Изменение ширины запрещенной зоны приводит к изменению концентрации носителей заряда и тем самым к изменению сопротивления.
2. В веществах, имеющих сложную структуру зон подобно n-кремнию, деформация кристалла, вызванная односторонним сжатием или растяжением, приводит к большому изменению сопротивления, которое не может быть объяснено изменением общей концентрации носителей заряда. Объяснение состоит в том, что в результате анизотропной деформации экстремумы энергии становятся неэквивалентными, происходит перераспределение электронов по экстремумам. Минимумы, дно которых опустится, дадут большой вклад в проводимость, чем минимумы, дно которых поднимется. Изменение проводимости при этом наблюдается только в том случае, если поверхности энергии отличны от сферических.
3. В полупроводниках типа р-кремния большая величина изменения сопротивления обусловлена снятием вырождения зон энергии при наложении анизотропной деформации. В результате снятия вырождения меняется число легких и тяжелых дырок, обладающих различной подвижностью и дающих благодаря этому различный вклад в проводимость, что приводит к изменению сопротивления даже при сохранении общего числа дырок.
2. Первичные тензопреобразователи
Полупроводниковые приборы, работа которых основана на тензоэффекте, можно назвать первичными тензопреобразователями [2]. Самым простым первичным тензопреобразователем является полупроводниковый тензорезистор. Он может быть выполнен в виде стержня из полупроводника с омическими контактами на концах. Номинал сопротивления тензорезистора задается технологически, путем соответствующего уровня легирования полупроводника. Как правило, размеры тензорезистора не превышают по длине и ширине нескольких миллиметров, а по толщине - десятых долей миллиметра. Тензорезистор закрепляют на пластине так, как это представлено на рис.21. Закрепление зачастую осуществляется приклеиванием специально подобранными компаундами и клеями. Сама операция приклеивания достаточно трудоемкая, а качество ее выполнения зависит от квалификации специалиста, который ее производит [3]. Деформация создается силой F, действующей на свободный конец пластины.
Для оценки изменения сопротивления тензорезистора при деформации пользуются коэффициентом тензочувствительности по сопротивлению m:
. (71)
Он представляет собой отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации в данном направлении (- размер полупроводника в направлении деформации).
Для уменьшения влияния температуры на величину сопротивления тензорезисторы обычно изготавливаются из примесных полупроводников, в которых концентрация основных носителей равна концентрации примесей и не зависит от деформации. Поэтому изменение сопротивления при деформации определяется только изменением подвижности.
Коэффициент тензочувствительности для германия и кремния имеет наибольшее значение порядка 140...175. Большой тензочувствительностью обладают также полупроводниковые соединения GaSb, InSb, PbTe и др.
Для компенсации зависимости сопротивления от температуры часто в плече измерительного моста используются два тензорезистора с одинаковым температурным коэффициентом. Тензопреобразователем является только один резистор, а второй служит для компенсации температурного изменения величины сопротивления первого.
Как правило, тензорезистор используется в качестве одного из резисторов в мосте Уитстона. При этом на выходе моста получают зависимость из выходного напряжения от величины прилагаемой силы или давления.
Тензорезистор является пассивным полупроводниковым прибором или пассивным тензоэлементом. Гораздо привлекательнее использование в качестве первичных тензопреобразователей активных полупроводниковых приборов - диодов на основе различных переходов и барьеров Шотки, полевых и биполярных транзисторов.
Тензодиоды. Так как от деформации зависит только подвижность носителей заряда и ширина запрещенной зоны, то для получения максимальной тензочувствительности необходимо, чтобы при увеличении ширины запрещенной зоны величина подвижности уменьшалась, и наоборот [4]. Такое согласование нельзя получить в p-n-переходах. Например, в кремнии величина ширины запрещенной зоны при сжатии уменьшается, подвижность электронов увеличивается, а дырок уменьшается. Следовательно, в качестве базы диода необходимо выбирать полупроводник, в котором неосновные носители - электроны, т.е. полупроводник p-типа, а значит, переход n-p-типа (рис. 22).
Вследствие большей зависимости тока от подвижности тензочувствительность диода с короткой базой выше, чем с длинной.
Для структуры тензодиодов существенное значение имеет ориентация плоскости p-n-перехода. Например, в структуре при использовании германия максимальная тензочувствительность может быть получена, если плоскость p-n-перехода совпадает с плоскостью [111], так как изменения ширины запрещенной зоны и при небольших деформациях максимальны в направлении [111]. Однако недостатком такого датчика является то, что при сжатии ток через p-n-переход при малых давлениях уменьшается, а при больших - увеличивается. При ориентации же p-n-перехода в плоскости [100] чувствительность меньше, но ток непрерывно уменьшается с ростом давления. Тензодиод можно включать и при прямом, и при обратном смещении, так как в обоих случаях ток пропорционален току насыщения.
Преимуществом тензодиодов перед тензорезисторами является их более высокая чувствительность, а также возможность измерения деформаций при всестороннем сжатии.
Биполярные транзисторы. Влияние деформации на характеристики биполярного транзистора можно получить при воздействии деформации на эмиттерный или коллекторный p-n-передходы, что влияет на коэффициент передачи по току. Чувствительный к давлению транзистор получил название "питран" [5]. В "питране" слой эмиттер-база механически связан с воспринимающей давление мембраной.
Деформация тензотранзисторов осуществляется такими же методами, что и p-n-переходов. Так как максимальная тензочувствительность достигается при точечной деформации, то деформируемый p-n-переход можно сделать состоящим из множества выступов. Аналогичного результата можно добиться, если деформируемую поверхность р-п-перехода сделать неровной за счет её глубокой шлифовки.
В специально сконструированном тензотранзисторе оптимальным выбором параметров всегда можно получить большее значение тензочувствительности, чем у p-n-переходов.
Полевые транзисторы с p-n-переходом. При деформации канала полевого транзистора с p-n-переходом происходит изменение подвижности носителей заряда и соответствующее изменение величины сопротивления канала Rк.
В режиме постоянного напряжения на затворе Uз и стоке Uст изменение сопротивления канала ничем не отличается от аналогичного изменения сопротивления обычного тензорезистора, поэтому значение будет таким же.
В режиме постоянных Iст и Uз, например Uз=0 (затвор замкнут с истоком), обратное напряжение на p-n-переходе равно Upn=Uст=IстRк. Если при деформации Rк увеличивается, это приводит к росту Upn. Из-за увеличения Upn происходит сужение канала и дополнительное увличение Rк. В данном случае величина Uст увеличивается на большую величину, чем при изменении Rк только за счет изменения, т.е. тензочувствительность увеличивается.
Тензочувствительность полевого транзистора с p-n-переходом не выше, чем у биполярного.
МДП-транзисторы. Влияние деформации на характеристики МДП-транзистора, работающего в режиме постоянных напряжений стока и затвора или постоянных напряжений затвора и тока стока, аналогично отмеченному выше, если не учитывать изменения свойств диэлектрика и заряда на поверхностных состояниях. Использование последних двух эффектов позволяет значительно увеличить тензочувствительность МДП-транзисторов.
Выходной характеристикой полевого МДП-транзистора может быть зависимость тока стока от приложенной нагрузки.
Несмотря на очевидные преимущества активных тензоэлементов наибольшее применение нашли тензопреобразователи на основе тензорезисторов прежде всего за счет простой технологии изготовления и, соответственно, дешевизны приборов.
3. Классификация интегральных тензопреобразователей давления
3.1 Пути интеграции тензопреобразователей
В интегральных тензопреобразователях давления в качестве чувствительного элемента чаще всего используется диффузионный резистор. На рис.23 схематично показано устройство классического тензорезистивного преобразователя давления.
Роль элемента, воспринимающего давление, выполняет мембрана, которая, деформируясь, передаёт воздействие через шток (передающий элемент) на балку (упругий элемент). Деформация упругого элемента вызывает появление механических напряжений в тензорезисторах, включённых в схему вторичного преобразователя, где могут использоваться усилители и преобразователи сигнала, а также подстроечные элементы.
Рис. 21 Схема размещения тензорезистора
Рис. 22 Структурная схема тензодиода
В связи с развитием технологии микроэлектроники конструкция тензопреобразователей улучшалась, уменьшались габариты, росла точность измерения давления. Это было связано с появившейся возможностью интеграции элементов тензопреобразователя. Историческое развитие тензопреобразователей происходило в несколько этапов так, что на каждом очередном этапе интегрировались отдельные физико-конструктивные элементы преобразователя, представленные структурной схемой на рис. 24 [6].
На первом этапе интеграция сводилась к объединению воспринимающего, передающего и упругого элементов. Преобразователь давления, соответствующий этапу I, показан на рис.25, а.
Тензорезисторы прикреплены непосредственно к мембране, одновременно выполняющей функции воспринимающего и упругого элементов. Устройство такого типа отличается простотой конструкции.
Отсутствие таких деталей, как передающие рычаги, крепления увеличивает надёжность преобразователя и снижает его стоимость. Данный тип преобразователя имеет пониженную точность и заметную температурную зависимость выходного сигнала, обусловленные неустойчивостью клеевого соединения, разбросом параметров тензорезисторов и дополнительной нагрузкой, которую даёт мембране чувствительный элемент. Суммарная жёсткость мембраны с закреплённым на ней тензоэлементом становится очень большой, и конструкция пригодна только для измерения сравнительно высоких давлений начиная с долей мегапаскаля.
Этап II соответствует интеграции преобразующего элемента (тензорезистора) с мембраной. С появлением технологии плёночных микросхем стало возможным создание преобразователей, в которых на мембране напылены плёночные тензоэлементы (рис.25, б). При этом был решён вопрос получения однородной мембраны. Малая масса такого тензоэлемента позволяет снять проблему дополнительной нагрузки мембраны. Такими приборами можно измерять сравнительно низкие давления. Этот метод даёт возможность повысить точность и устойчивость к механическим воздействиям.
Следующим шагом, который соответствует II этапу физико-конструктивной интеграции, было создание полностью однородной тонкой кремниевой мембраны с расположенными на ней диффузионными тензорезисторами (рис.25, в). Этот шаг представляет собой новый уровень технологической интеграции. Он привёл к увеличению надёжности, чувствительности, точности, к уменьшению габаритов, массы и повышению стабильности при изменении температуры окружающей среды.
Дальнейшее улучшение характеристик преобразователей сдерживается точностью позиционирования зоны заделки мембраны.
Этап III физико-конструктивной интеграции соответствует применению методов локального контролируемого травления полупроводниковых материалов.
|
Воспринимающий элемент |
- |
Передающий элемент |
- |
Упругий элемент |
- |
Преобразующий элемент |
- |
Элементы внутренней конструкции |
- |
Вторичный преобразователь |
- |
Подстроечный элемент |
- |
Элементы внешней конструкции |
|
|
|_____________________|________|_________|_________________|_________| |
|||||||||||||||
|
I II III IV V |
Рис. 24 Структурная схема интеграции элементов тензорезистивного преобразователя давления
Рис. 25 Конструкции датчиков давления на различных этапах интеграции: 1- тензорезистор; 2- мембрана; 3-основание; 4-крышка
В нём создан полностью интегральный чувствительный элемент, представляющий собой тонкую кремниевую мембрану с изготовленными на ней диффузионными тензорезисторами, причём мембрана обрамлена массивным основанием, представляющим с ней единый монокристалл (рис.25, г). Таким образом на этом этапе интегрируются элементы внутренней конструкции преобразователя, а именно - узел заделки и основание тонкой мембраны. Это позволило решить проблемы с точностью и надёжностью на этапе производства кристалла чувствительного элемента. Групповой способ производства, на котором основана микроэлектронная технология, кардинально решает проблему уменьшения стоимости преобразователей.
Этап IV заключается в объединении в одной ИС наряду с интегральным мембранным чувствительным элементом ИС усилителей и подстроечных элементов (рис.25, д). В результате такого подхода появилось целое семейство преобразователей с относительно низкой стоимостью.
Этап V заключается в интеграции всей внешней конструкции преобразователя (рис.25, е).
Таким образом, современному уровню развития интегральных первичных преобразователей соответствуют конструкции, выполненные в виде единого твёрдотельного прибора.
Необходимо отметить, что с появлением каждого нового этапа интеграции предыдущие этапы и конструкции не отмирают, а продолжают использоваться. Дальнейшая физико-конструктивная интеграция элементов преобразователя пойдёт по пути усложнения конструкции за счёт интеграции с АЦП и микропроцессорами.
3.2 Классификация структур интегральных тензопреобразователей
На рис.26 показана классификация известных интегральных преобразователей давления по материалу упругого элемента и материалу основания.
Структура I (а также V) имеет вид, представленный на рис.27, и отличается простотой и минимальной стоимостью исходного материала. Недостатком является сравнительная сложность обеспечения воспроизводимости и контроля толщины упругого элемента. Такой структурой обладают максимальное количество преобразователей, описанных в литературе.
Структуры II и VI отличаются более высокой стоимостью исходного материала, представляют собой пластину с подложкой с n эпитаксиальным слоем (рис.27, б), обеспечивают хорошую восприимчивость и простоту контроля толщины упругого элемента преобразователя за счёт использования специальных видов травления. Остальные свойства такие же, как у предыдущей структуры.
Структуры III и VII аналогичны предыдущей по воспроизводимости и контролю толщины упругого элемента преобразователя (рис.27, в). Тип проводимости подложки основания противоположен типу проводимости эпитаксиального слоя (упругого элемента). Это позволяет осуществить электрическую изоляцию компонентов. Эту структуру целесообразно использовать, когда на основании необходимо интегрировать электронные схемы.
Рис. 26 Классификация структур интегральных преобразователей
Рис. 27 Структуры чувствительных элементов интегральных тензопреобразователей
Структуры IV и VIII являются альтернативными предыдущему варианту с преимуществом окисной изоляции компонентов, интегрируемых на основании (рис.27, г). Обе стороны упругого элемента могут быть покрыты одинаковым окислом. Это имеет важное значение для поверхности мембраны и уменьшения температурных погрешностей преобразователей. Недостатком является сложность обеспечения воспроизводимости.
Структура IX (рис.27, д) целесообразна для создания преобразователей, работающих в широком температурном диапазоне благодаря окисной изоляции термоэлементов.
Структура X (рис.27, е) сочетает возможность получения хорошо контролируемой формы и толщины окружающего элемента преобразователя.
Структура XI (рис.3.9, ж) изготовлена по технологии “кремний на сапфире” (КНС). Производство КНС преобразователей целесообразно и оправдано только, когда необходимо обеспечить большой температурный диапазон, работу в агрессивных средах, хорошую электрическую изоляцию от среды и повышенную радиационную стойкость.
Для ряда задач используют структуры, представленные на рис.27, з, и. Для их получения специальным образом профилируют мембрану.
Целью микропрофилирования является снижение нелинейности и повышение чувствительности выходного сигнала. При этом несколько усложняется технология изготовления датчиков.
3.3 Технологические этапы изготовления интегральных тензопреобразователей
Технология изготовления интегральных тензопреобразователей хотя и базируется на общей технологии интегральных схем, однако предполагает разработку и использование специфических технологических операций (рис.28).
Первый этап - окисление пластины (рис.28, а) n-Si (100). Хорошо отработанный этап имеет особенности - качественный окисел должен быть получен с обеих сторон пластины, толщина окисла должна обеспечивать защиту поверхности Si для глубокого микропрофилирования при анизотропном травлении.
Второй этап - двустороннее совмещение и фотолитография (рис.28, б), не типичен для стандартного планарного процесса. Тензочувствительные элементы изготавливают на одной стороне пластины, а микропрофилирование происходит на другой.
Способы проведения двустороннего совмещения и фотолитографии:
1. Совмещение в ИК-свете. На одной стороне обычным способом формируют рисунок компонентов ИС, затем фоторезист наносят на другую сторону пластины и совмещение с очередным фотошаблоном проводят в ИК-свете.
2. При двусторонней фотолитографии используется специальное приспособление для одновременной экспозиции пластины с двух сторон.
3. Совмещение по сквозным отверстиям. С помощью локального травления создаются сквозные отверстия по периферии пластины, которые служат реперным знаком для совмещения изображений на одной и другой сторонах пластины.
Третий этап -- изготовление интегральной тензосхемы (рис.28, в). Стандартный планарный процесс, в котором используется диффузия бора для создания тензорезисторов, вскрытие окон под контакты, металлизация; фотолитография для создания межсоединений и контактных площадок.
Четвертый этап -- микропрофилирование пластин (рис.28, г). Методы микропрофилирования пластин могут быть различные - анизотропное травление, изотропное травление, травление в стоп-травителях (при применении эпитаксиальных слоев), травление, контролируемое лазером.
Представленный технологический процесс изготовления интегральных тензопреобразователей является примерным. На каждом предприятии существуют свои технологические тонкости, связанные с особенностями технологического оборудования и имеющегося у персонала опыта.
Рис. 28 Технологические этапы изготовления интегральных тензопреобразователей: 1 - кремниевая пластина; 2 - мембрана; 3 - тензорезисторы; 4 - канавки для разделения на отдельные чипы
4. Принципы размешения тензорезисторов на мембранах полупроводниковых и нтегральных тензопреобразователей давления (ИТПД)
тензопреобразователь давление тензорезистор мембрана
Среди ИТПД наиболее распространенными чувствительными элементами являются кристаллы кремния n-типа с круглой или прямоугольной мембраной (рис.29, 30), поверхность которых ориентирована в кристаллографической плоскости (100), а стороны (для прямоугольной мембраны) - вдоль взаимно перпендикулярных направлений семейства <110>, на которых расположены тензорезисторы p-типа проводимости.
Рассмотрим тензопреобразователь с круглой мембраной [6]. Для определения местоположения тензорезистора с круглой мембраной пользуются полярной системой координат (рис.29) с координатами r и . Угол отсчитывается от полярной оси X системы координат, совмещенной с кристаллографическим направлением <100>. Тензорезистор расположен на расстоянии от центра мембраны. Известно, что радиальное r и тангенциальное t напряжения в этой точке можно рассчитать по формулам
, (72)
, (73)
где p- давление, прилагаемое к ИТПД; h-толщина мембраны; - радиус мембраны; - коэффициент Пуассона.
Рис. 29 Определение местоположения точечного тензорезистора на круглой мембране
Рис. 30 Определение местоположения точечного тензорезистора на квадратной мембране
Если материал мембраны изотропный, то радиальное и тангенциальное напряжения на поверхности мембраны не зависят от угла (рис.29). В этом случае напряжения определяются только расстоянием от центра мембраны.
С учетом анизотропии механических свойств кремниевых упругих элементов относительное изменение сопротивления тензорезистора выражается формулами:
(74)
(75)
где - угол между направлением тока в тензорезисторе и направлением [110] на поверхности мембраны; ; - главный пьезорезистивный коэффициент.
Распределение радиальной и тангенциальной t составляющих напряжений, возникающих в круглой мембране, было рассчитано в [6] и приведено на рис.29, откуда видно, что максимальной тензочувствительностью будут обладать тензорезисторы, расположенные вдоль периметра круглой мембраны.
Если принять, что значения тензочувствительности тензорезистора выражается формулой
, (76)
то тогда тензочувствительность p-тензорезисторов на круглой мембране будет выражаться формулой
, (77)
Рассмотрим расположение р-тензорезисторов на прямоугольной мембране с размерами сторон 2a и 2b (рис.30). Относительное изменение сопротивления тензорезистора также выражается формулой (74), однако выражения для x и y имеют более сложную зависимость, чем для круглой мембраны. Зависимость тензочувствительности тензорезистора будет иметь следующий вид [7]:
(78)
где - отношение длин сторон мембраны; - максимальное значение чувствительности тензорезистора в середине боковой стороны квадратной мембраны. При этом
(79)
(80)
В кристаллографическом направлении [110], с которым совпадают направления осей координат (для плоскости (100)), упругие постоянные кремния принимают следующие значения:
E=1.6921011 Н/м2; G=0.5091011 Н/м2; =0.063.
Для этих значений
(81)
Если разделить обе части уравнения (78) на , то получим выражения для нормированной чувствительности. На рис.31 представлена топограмма нормированной чувствительности тензорезисторов p-типа проводимости, расположенных на квадратной мембране.
Из рисунка видно, что максимальная тензочувствительность наблюдается у тензорезисторов, расположенных у центра боковых сторон. В центре мембраны тензочувствительность равна 0.
Для прямоугольной мембраны точками экстремальной чувствительности являются середины боковых сторон мембран и ее центр [7]. Значение максимальной нормированной чувствительности в этих точках Sa, Sb, S0 (рис.32) могут быть представлены в виде
(82)
Знак зависит от расположения резистора на мембране, т.е. от угла . Верхний знак в (82) соответствует , а нижний . Полученные зависимости графически представлены на рис.32. Видно, что по мере увеличения с (по мере увеличения одной из сторон мембраны) значения S0, Sa, Sb довольно быстро приближаются к своим максимальным значениям.
Представленные выше формулы сведены в таблицу 9, в которой даны зависимости чувствительности тензорезисторов, размещенных в экстремальных точках мембраны при использовании различной формы.
Таблица 9
Чувствительность тензорезисторов
|
Вид упругого элемента |
Круглая мембрана, радиус |
Квадратная мембрана |
Прямоугольная мембрана |
Произвольная мембрана |
|
|
Максимальная чувствительность |
Рис. 31 Топограммы нормированной чувствительности тензорезисторов p-типа на квадратной мембране
Рис. 32 Зависимость модуля нормированной чувствительности прямоугольной пластинки в серединах боковых сторон и в центре от соотношения длин сторон
Анализ значений тензочувствительности, представленных в таблице 9 показывает, что максимальной чувствительностью обладают тензорезисторы, расположенные на прямоугольной мембране. Однако видно, что бесконечно увеличивать соотношения сторон не имеет смысла, так как выигрыш в чувствительности при минимален и технологически изготовление таких тензопреобразователей довольно затруднено.
Кроме этого, в работе [8] предложены новые варианты размещения тензорезисторов на прямоугольной мембране, предполагающие увеличение тензочувствительности датчиков за счет использования центра мембраны.
Следует также отметить работу [9], в которой показано, что тензочувствительность можно повысить не только традиционными способами размещения тензорезисторов в различных областях мембраны, но и, например, применяя специальное микропрофилирование периметра мембраны. При этом автор показывает, что тензочувствительность датчиков может увеличиться на порядок по сравнению с датчиками, имеющими традиционные круглые или квадратные мембраны.
5. Функция преобразования тензопреобразователей давления
В датчиках давления в большинстве случаев наибольшее распространение получило соединение четырех тензорезисторов в электрическую цепь - мост Уитстона (рис.33). Под действием давления в мосту Уитстона изменяется сопротивление всех четырех тензорезисторов, поэтому он является электрической цепью с четырьмя рабочими плечами.
Рис. 33 Схема моста Уитстона
Входной величиной является относительное изменение сопротивления плеч измерительной цепи R1, R2, R3, R4 за счет действия давления.
Выходной величиной является изменение напряжения Uвых.
Выходной сигнал, величина которого зависит от прилагаемого давления, зависит от функции преобразования электрической цепи Sц:
. (83)
В мостовой цепи с четырьмя рабочими плечами под действием давления, как правило, R1 и R2 увеличивают свое значение на R11 и R44, соответственно, а сопротивления R2 и R3 уменьшаются на R22 и R33, тогда величина выходного сигнала
. (84)
Выполняя деление числителя и знаменателя на R2R4, после некоторых преобразований получаем
, (85)
где .
Обычно 1, 2, 3, 4 1, тогда, пренебрегая слагаемыми уравнения второго порядка малости, выражение (85) можно представить следующим образом:
. (86)
Обычно в датчиках давления все четыре тензорезистора равны по величине, то есть , тогда
. (87)
Оценим порядок входного напряжения датчиков давления. Как правило Uпит=310 В, а R не превышает 0.01, тогда из (87) получим следующее (при Uпит=5 В):
Uвых= (5/4)40.001=0.005 В=50 мВ.
Действительно, выходное напряжение датчиков давления без схем усиления сигнала лежит в пределах 10100 мВ в зависимости от геометрических размеров мембран датчиков и величины воздействующего давления.
6. Примеры интегральных преобразователей давления
6.1 Интегральные тензопреобразователи, изготавливаемые в НИИ МВС ТРТУ
В НИИ МВС ТРТУ, по заказам промышленных предприятий авиационной, химической и газовой отраслей, выпускаются небольшие партии датчиков давления в диапазоне 0-0.1, 0-1, 0-1.5 МПа [10,11].
Конструкция датчика включает интегральный чувствительный элемент, представляющий собой тонкую квадратную кремниевую мембрану с размером стороны от 1 до 4 мм и толщиной h=20- 150 мкм с изготовленными на ней диффузионными тензорезисторами, включенными в мостовую схему Уитстона. Мембрана обрамлена массивным основанием, представляющим с ней единый монокристалл. Последние разработки, предназначенные для измерения давления газовых сред в диапазоне 0-1000, 0-10000 Па, включают в себя, кроме конструкции интегрального тензочувствительного элемента, конструкцию полупроводникового терморезистора или диода для контроля температуры.
В качестве исходного материала при изготовлении чувствительного элемента используется кремниевая пластина КЭФ- 4,5 диаметром 76 мм, имеющая кристаллографическую ориентацию (100). Технологический процесс изготовления интегрального чувствительного элемента включает следующие основные операции: длительное окисление с достижением толщин окисла 1,8- 2,2 мкм, двухстороннее совмещение изображений элементов на обеих сторонах исходной пластины и анизотропное травление, необходимое для формирования мембраны чувствительного элемента и нужного расположения тензорезисторов на кристалле, а также операцию нанесения металлизации (алюминий-ванадий-медь) на нерабочую сторону кристалла для последующей сборки кристалла в корпус.
Закрепление кристалла на коваровом кристаллодержателе осуществляется пайкой либо приклеиванием вакуумированным клеем (К-400, ВК-9). Разводка внутренних выводов датчика осуществляется с помощью ультразвуковой сварки либо пайкой микропаяльником к контактным площадкам переходной платы. Для защиты от загрязнений рабочая поверхность кристалла покрывается эластичным кремнийорганическим компаундом.
Конструкция корпуса датчика зависит от требований заказчика, характеризуется простотой сборки и достаточной прочностью в заданном диапазоне давлений и температур.
Принцип действия датчика заключается в изменении электрического сопротивления тензорезисторов при деформации мембраны под воздействием давления жидкой или газовой среды. Изменение сопротивления тензорезисторов приводит к появлению выходного напряжения разбаланса, пропорционального измеряемому давлению.
Для уменьшения температурной погрешности измерения давления предусмотрена пассивная схема термокомпенсации, состоящая из нескольких внешних стабильных резисторов, снижающих температурный дрейф нуля выходного напряжения в 6 - 10 раз.
На рис.34 представлены экспериментальные результаты по тензочувствительности Sо датчиков давления, изготовленных в НИИ МВС для трех типоразмеров квадратных мембран с расположенными на них точечными тензорезисторами p-типа, ориентированными вдоль направления [110]. Экспериментальные точки неплохо укладываются на кривую 1, описываемую следующим уравнением:
Sо=0.0055 44 (а/h)5/2. (88)
Рис. 34 Тензочувствительность интегральных преобразователей, изготовленных в НИИ МВС ТРТУ
Видно, что обнаруженная зависимость отличается от теоретической зависимости тензочувствительности, полученной в [6] - кривая 2. Отличие в характеристиках объясняется, видимо, технологическими и конструктивными особенностями производства тензопреобразователей.
Датчики давления, изготавливаемые в ТРТУ, как правило, имеют следующие характеристики:
...Подобные документы
Основные этапы интеграции отдельных физико-конструктивных элементов преобразователей. Интегральные тензопреобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 29.04.2015Топология и элементы МОП-транзистора с диодом Шоттки. Последовательность технологических операций его производства. Разработка технологического процесса изготовления полупроводниковых интегральных схем. Характеристика используемых материалов и реактивов.
курсовая работа [666,0 K], добавлен 06.12.2012Создание интегральных схем и развитие микроэлектроники по всему миру. Производство дешевых элементов электронной аппаратуры. Основные группы интегральных схем. Создание первой интегральной схемы Килби. Первые полупроводниковые интегральные схемы в СССР.
реферат [28,0 K], добавлен 22.01.2013Анализ технологии изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем – такого рода микросхем, элементы которых выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Характеристика монокристаллического кремния. Выращивание монокристаллов.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 03.12.2010Схемотехнические параметры. Конструктивно–технологические данные. Классификация интегральных микросхем и их сравнение. Краткая характеристика полупроводниковых интегральных микросхем. Расчёт полупроводниковых резисторов, общие сведения об изготовлении.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 13.01.2009Краткая историческая справка о развитии интегральных схем. Американские и советские ученные, которые внесли огромный вклад в разработку и дальнейшее развитие интегральных схем. Заказчики и потребители первых разработок микроэлектроники и ТС Р12-2.
реферат [28,1 K], добавлен 26.01.2013Изучение современных тенденций в области проектирования интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. Анализ алгоритма создания интегральных микросхем в среде Cadence Virtuoso. Реализация логических элементов с использованием NMOS-транзисторов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.11.2013Принцип действия полупроводниковых диодов, свойства p-n перехода, диффузия и образование запирающего слоя. Применение диодов в качестве выпрямителей тока, свойства и применение транзисторов. Классификация и технология изготовления интегральных микросхем.
презентация [352,8 K], добавлен 29.05.2010Выпуск и применение интегральных микросхем. Конструирование и технология толстопленочных гибридных интегральных микросхем. Коэффициент формы резисторов. Защита интегральных микросхем от механических и других воздействий дестабилизирующих факторов.
курсовая работа [234,5 K], добавлен 17.02.2010Маршрут изготовления биполярных интегральных микросхем. Разработка интегральной микросхемы методом вертикального анизотропного травления с изоляцией диэлектриком и воздушной прослойкой. Комплекс химической обработки "Кубок", устройство и принцип работы.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 18.04.2016Методика конструирования и технология толстопленочных гибридных интегральных микросхем, характеристика основных технологических операций и принципы выбора материала. Порядок расчета конденсаторов разрабатываемых микросхем, выбор и характеристика корпуса.
курсовая работа [261,9 K], добавлен 08.03.2010Этапы проектирование полупроводниковых интегральных микросхем. Составление фрагментов топологии заданного уровня. Минимизация тепловой обратной связи в кристалле. Основные достоинства использования ЭВМ при проектировании топологии микросхем и микросборок.
презентация [372,7 K], добавлен 29.11.2013Анализ и назначение сверхбольших интегральных схем программируемой логики. Сущность, особенности, структура и классификация микропроцессоров. Общая характеристика и задачи системы автоматизированного проектирования матричных больших интегральных схем.
курсовая работа [447,3 K], добавлен 31.05.2010Работа полупроводниковых электронных приборов и интегральных микросхем. Некоторые положения и определения электронной теории твердого тела. Кристаллическое строение полупроводников. Электронно-дырочный переход. Вольтамперная характеристика п-р перехода.
лекция [196,9 K], добавлен 15.03.2009Устройство и принцип действия биполярных транзисторов. Структура и технология изготовления полупроводниковых интегральных микросхем на основе биполярного транзистора с помощью метода диэлектрической изоляции; подготовка полупроводниковой подложки.
контрольная работа [710,2 K], добавлен 10.06.2013Кремний как основной материал микроэлектроники. Блок-схема датчика давления, применение в них тензометрических, резонансных или емкостных преобразователей. Преимущества интегральных механоэлектрических преобразователей по сравнению с традиционными.
реферат [313,1 K], добавлен 29.09.2010Использование серийных микропроцессорных датчиков давления серии "МЕТРАН" вразработке математической модели датчика давления и реализации ее в системах измерения давления. Аналогово-цифровой преобразователь системы: параметры структурных составляющих.
курсовая работа [32,0 K], добавлен 27.02.2009Информационно-измерительные системы на объектах трубопроводного транспорта. Классификация датчиков, единицы измерения давления. Защита манометров и преобразователей давления, исследование скважин. Функциональная схема интерфейса "токовая петля".
дипломная работа [917,1 K], добавлен 19.06.2011Надежность электронных компонентов, туннельный пробой в них и методы его определения. Надежность металлизации и контактов интегральных схем, параметры их надежности. Механизм случайных отказов диодов и биполярных транзисторов интегральных микросхем.
реферат [420,4 K], добавлен 10.12.2009Микроэлектронные технологии производства больших интегральных микросхем и их логические элементы. Нагрузочные, динамические параметры, помехоустойчивость переходов микросхем с одноступенчатой логикой и их схемотехническая реализация на транзисторах.
реферат [985,0 K], добавлен 12.06.2009
