Б. Выбор и обоснование мембраны датчика

Одной из определяющей метрологические характеристики датчика является мембрана. При этом особое влияние оказывает материал, форма и ее конструктивные параметры. Проведем анализ требований к виду материала, конструктивной форме и параметрам мембраны.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой тензометрии получил кремний, который является основным материалом при производстве тензодатчиков. Основными преимуществами тензодатчиков на основе кремния является: высокая тензочувствительность; химическая инертность; отсутствие гистерезиса и ползучести; большой предел усталостной прочности; способность сохранять прочность и упругость при температурах до 500С.

Для изготовления тензодатчиков может быть использован кремний как n- так и р-типов проводимости. При выборе в качестве упругого чувствительного элемента кремния необходимо учитывать пьезорезистивный эффект. Для того, чтобы использовать пьезорезистивный эффект в кремнии для усиления тензочувствительности, тензодатчики должны изготавливаться из монокристаллического материала, ориентированного в направлении соответствующих кристаллографических осей. Концентрация примесей, вводимых в кремний, определяет величину пьезорезистивного эффекта, удельное электрическое сопротивление, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и температурный коэффициент тензочувствительности (ТКТ).

При разработке тензодатчиков на основе кремния необходимо учитывать, что кремний является хрупким материалом с максимально допустимым относительным удлинением 1,610^-3. При уменьшении толщины кремниевой мембраны тензодатчиков гибкость их существенно растёт, одновременно возрастает прочность и допустимое относительное удлинение (до 310^-3).

Тензодатчики на основе кремния отличают также особенности технологического характера. Так, например, в процессе изготовления тонких кремниевых пластин поверхность не должно иметь царапин или повреждений, резко снижающих предел допустимых удлинений. Кроме того, при получении кремния с проводимостью р-типа положительная тензочувствительность достигается путём легирования бромом, а отрицательной тензочувствительностью – фосфором.

В большинстве случаев полупроводниковые тензодатчики изготавливаются из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением 0,01 – 0,2 Омсм и ориентацией вдоль кристаллографических осей 111 (р-тип) и 100 (n-тип).

Для разрабатываемого датчика более предпочтительным является изготовление мембраны из кремния, что соответствует также современным тенденциям в области разработки датчиковой аппаратуры.

Оптимизация топологии интегральных мембранных тензорезисторных преобразователей проводится, как правило, лишь по единственному критерию – максимальной чувствительности преобразователя. На практике таких критериев может быть значительно больше. В интегральных преобразователях, как и в любом микроэлектронном изделии, топология схемы выбирается в зависимости от физических, технологических, схемотехнических, метрологических и конструктивных требований [2.16].

Классификация топологических вариантов мембранных преобразователей представлена в табл.2.6.

В табл.2.7 приведены чувствительности различных интегральных преобразователей.

Таблица 2.6

№ п/п	Вариант топологии расположения тензорезисторов на мембране	Тип полупроводника	Вид ориентации осей	Вид функции преобразования (чувствительность)	Источник информации
1	2	3	4	5	6
1.	I II	р - типа	001	где - выходное напряжение мостовой схемы; q - давление мембранного преобразователя; Е – напряжение источника питания. , где а - радиус мембраны, h - толщина мембраны.	Ваганов стр.38-40
	I III	п – типа	001	.	стр.40-41

1	2	3	4	5	6
	VIII	п – типа	001	S=0,49.
2. 1	I	р - типа	011	.	стр.42-43
	II	р - типа	011	S=0,94.
	II	п – типа	011	-для I; S=0,90 - для II.	стр.44
	IV	п – типа	011	S=0,45.	стр.44 6
	Х 2	п – типа 3	011 4	S=0,31. 5
3.		р - типа	111	Чувствительность мостовой схемы, у которой в двух противоположных плечах включены радиальные периферийные тензорезисторы, а в двух других – центральные тензоре- зисторы, равна:	стр. 43-45
		п – типа	111	Чувствительность полной мостовой схемы, образованной двумя радиальными и двумя тангенциальными резисторами, равна: .	стр.45

В таблице: значения главных пьезорезистивных коэффициентов равны:

Таблица 2.7

Ориентация плоскости мембраны	(001)		(011)		(111)
Тип проводимости	р	п	р	п	р	п
Чувствительность, мВ/(В·МПа)	193	195	199	211	158	52

Данные таблицы показывают, что, во-первых, значения чувствительности близки к реальным значениям для практических преобразователей. Во-вторых, чувствительность почти всех вариантов [за исключением тензорезисторов п – типа на плоскости (111)] примерно одинакова, и с этой точки зрения все они могут в равной мере рассматриваться как потенциально пригодные для практических разработок.