15. Интегральный измерительный преобразователь давления (иипд)

Для реализа­ции максимальной чувствительности ТР к измеряемому давлению необхо­димо выбирать оптимальные соотношения их размеров и размеров кремние­вой мембраны, на которой они располагаются. Мембрана, являющаяся первичным измерительным преобразователем давления и упругим элементом ИИПД, обычно выполняется из заготовки монокристаллического кремния и имеет толщину от 15 до 25 мкм. Особенности её изготовления пояс­няются рис. 29.

Рис.29. Чувствительный элемент преобразователя давления: а – расположение тензорезистора в мембране, б – чувствительный элемент в разрезе, 1 – мембрана, 2 – тензорезистор, 3 – полость для подачи измеряемого давления, 4 – кристаллографическая плоскость (001); 5, 6 – направления кристаллографических осей <110> и <1 0>

Основные достоинства датчиков, выполненных на мембранах с тензорезисторами: высокая чувствительность, быстродействие и способность к перегрузкам, линейная безгистерезисная характеристика преобразования; большой срок службы; высокая частота собственных механических колебаний мем­браны и первичного измерительного преобразователя давлений, соответст­венно; малые габаритные размеры; технологичность (возможность изго­товления датчиков большими партиями).

Сопротивление ТР зависит от его длины l, площади поперечного сечения А и удельного сопротивления ρ

..................(1)

Под воздействием механических напряжений, создаваемых в мембране измеряемым давлением, изменяются размеры ТР, а также его удельное сопротивление

......................(2)

Если тензочувствительность металлических ТР определяется в основном изменениями их размеров, то основная часть чувстви­тельности полупроводниковых ТР вызывается изменением их удельного сопротивления.

Зависимость механических напряжений σ в ТР от деформаций ξ подчиняется закону Гука для анизотропного монокристаллического кремния; эта зависимость с учетом значений и направлений механических напря­жений выражается тензором 2-ого ранга

, (i=1 ...6; k=1 ...6)................(3)

Подвижность носителей электрического заряда в монокристаллическом ТР зависит от его ориентации относительно кристаллографических осей; при этом удельное сопротивление в первом приближении выражается симметричным тензором 2-го ранга. Из выражений (1) и (3) получено

.........(4)

Формула (4) представляет математическое описание тензорезистивного эффекта, и, с учётом значений коэффициентов тензосопротивлений в общем случае выражается тензором 4-го ранга. Для монокристаллического кремния с кубической симметрией число возможных независимых компонентов редуцируется до трех: Компоненты характеризуют воздействия нормальных механических на­пряжений, а компонент – сдвиговых напряжений. Значения коэффици­ентов тензосопротивления зависят от типа проводимости, степени ле­гирования полупроводника, удельного сопротивления и температуры по­лупроводника. При меньшей степени легирования (определяемой концент­рацией примеси) возрастают значения коэффициентов тензосопротивления и в большей мере проявляется тензорезистивный эффект. Однако при этом увеличиваются температурные зависимости коэффициентов тензосо­противления. При сильном легировании полупроводника уменьшаются зна­чения коэффициентов тензосопротивления и уменьшаются температурные зависимости. При выборе степени легирования поверхностных слоёв кремниевой мембраны в процессе изготовления диффузионных ТР исполь­зуются компромиссные решения, при которых достигаются достаточно высокая тензочувствительность и небольшая температурная зависимость. Критичность выбора степени легирования мембраны создает боль­шие трудности в разработке и изготовлении ИИПД с интегральными схемами встроенных усилителей и преобразователей, располагаемых с ТР на одной мембране.

Наибольшее практическое применение находят слаболегированные ТР p-типа, выполняемые по диффузионной технологии на мембране n-ти­па. Удельное сопротивление таких ТР составляет ~ 10 Ом см, а их коэффициенты тензосопротивления равны

Результаты всех измерений этих коэффициентов удовлетворяют условию

Рассмотрим основные особенности работы диффузионного ТР, имею­щего конечную длину и незначительную толщину, расположенного произ­вольно относительно направлений кристаллографических осей. Измеряемое внешнее воздействие (давление) вызывает продольную деформацию ТР. Механические напряжения в ТР раскладываются на составляющие σ_L вдоль его длины и σ_Т в поперечном направлении – по ширине. Если ТР располагается в плоскости (001), изменения его удельного сопротивления, определяемые указанными продольным и поперечным эффектами состав­ляют

...........................(5)

......................(6)

где и – безразмерные коэффициенты направлений, определяемые исходя из значений углов между направлениями механических напряжений и и направлений кристаллографических осей.

Общее изменение удельного сопротивления ТР с учетом продольного и поперечного эффек­тов составляет

.......................(7)

При соответствующем выборе направления ТР относительно направле­ний кристаллографических осей (и получении необходимых значений и ), можно изменять тензочувствительность ТР как по значению, так и по знаку.

В ИИПД используются кремниевые мембраны круглой, эллиптической, квадратной и прямоугольной формы. ТР могут располагаться как в центре мембраны, так и по её краям. Выбор месторасположения ТР производится с учётом напряжённого состояния мембраны при её нагружении давлением. Расчёт прогиба мембраны, а также определение создаваемых в ней ме­ханических напряжений можно осуществить на основе теории тонких пластин и оболочек Кирхгофа. Эта теория позволяет получать приближенные вы­ражения для деформированного состояния мембран круглой и эллиптичес­кой формы, и не обеспечивает определения решений для мембран квад­ратной и прямоугольной формы. Для мембраны эллиптической формы из анизотропного материала, зажатой по краям, получено следующее выра­жение для прогиба w_x, создаваемого давлением р, действующим на одну из сторон

.................(8)

...(9)

где a, b – полуоси эллипса, ограничивающего поверхность мембраны; h – толщина мембраны; С₁₁, С₁₂, C₄₄ – модули упругости монокристал­лического кремния.

В каждой точке мембраны в результате ее прогиба возникают радиальные и тангенциальные механические напряжения, которые пересчитываются в напряжения σ_х и σ_у, направленные вдоль координатных осей «х» и «у» и вдоль главных осей эллипса

...(10)

...(11)

Произведём расчет прогиба w и механических напряжений σ_х, σ_у для кремниевой мембраны эллиптической формы толщиной 25 мкм и дли­нами полуосей a = 1,3 мм, b = 0,65 мм (рис.30), на которую воз­действовало давление Δр =10⁵ Па.

Рис. 30. Прогиб и механические напряжения в эллиптической мембране: 1 – защемлённый край мембраны; 2 – график прогиба; 3,4 – направления поверхностных механических напряжений растяжения и сжатия в мембране со стороны воздействующего давления

Прогиб центра мембраны составил w₀ = 2,6 мкм. Толщина мембраны (25 мкм) существенно превышает прогиб ее центра (2,6 мкм). Такая мембрана называется «жесткой», значения приложенно­го давления и механических напряжений в ней связаны линейной зависи­мостью. Поверхностные области мембраны, близкие к краям, подверга­ются растяжению, а центральные области – сжимаются.

Рабочие поверхности» рассматриваемой мембраны параллельны кристаллографической плоскости (001), а направление её главной оси соответствовало кристаллографической оси <110>.

Для ТР, располагаемых вдоль глав­ной оси, значения коэффициентов направления равны: F₁₁ =1/4 и F₁₂=1/2. Общее изменение удельного сопротивления ТР, в соответствии с выражением (7), составило

....(12)

где , и – продольные и поперечные механические напряжения в ТР.

На мембране обычно располагаются четыре ТР, включаемые по схеме полного моста, выходное напряжение которого равно

.....(13)

где U_e - напряжение питания моста; – сопротивления тензорезисторов.

В ИИПД с мембраной прямоугольной формы четыре одинаковые по размерам ТР располагаются в её центральной части в виде квадрата. Изменения удельных сопротивлений противолежащих ТР имеют одинако- вые, значения

....(14)

После подстановки последнего выражения в формулу (13) получено

где

– удельное сопротивление материала ненагруженной мембраны.

Чув­ствительность ИИПД с мембраной эллиптической формы и слаболегированными ТР р -типа при напряжении питания моста U_e = 5 В составляет 10 мВ/ (Н/см²).

Существует несколько известных методов изготовления тонких мемб­ран из монокристаллического кремния с заданными размерами: методы электролитического травления; методы изотропного и анизотропного хими­ческого травления; методы электроискровой механической обработки. Рассмотрим особенности изготовления мембран по методу электрохимического самотормозящегося травления, являющегося относительно простым и точным.

На подложку 1 (рис. 31) сильнолегированного кремния n⁺ - типа наносится эпитаксиальный слой 2 высокоомного кремния n - типа толщиной 15-25 мкм. На внешней поверхности этого слоя по диффузионной тех-

нологии выполняются тенхорезисторы 3 с проводимостью р -типа, которые покры­ваются окисной пленкой. На нижнюю поверхность подложки 1 по методу фотолитографии наносится защитная маска 4 с отверстием, через которое производится электрохимическое травление материала подложки в элект­ролитической ванне со слабым раствором плавиковой кислоты. Между подложкой, используемой в качестве анода, и графитовым электродом, располагаемым перед отверстием в маске и используемым в качестве катода, прикладывается сравнительно небольшое электрическое напряже­ние.

Рис. 31. Структура мембраны, изготавливаемой по методу электрохимического самотормозящегося травления

Кремний - n⁺ хорошо растворяется в указанном электролите, и в подложке образуется полость 5. Эпитаксиальный слой 2 высокоомного кремния плохо растворяется в электролите и при достижении электро­литом его внутренней поверхности происходит самоостановка процесса травления.

Важным этапом изготовления ИИПД является закрепление кремниевой мембраны в корпусе микросхемы. Процесс закрепления не должен создавать в мембране остаточных механических напряжений, к которым ТР обладает повышенной чувствительностью. Один из известных методов монтажа пре­дусматривает закрепление мембраны в корпусе через прослойку силико­нового каучука – так называемый «мягкий» монтаж. Такое крепление обеспечивает температурную и механическую развязку мембраны, но не позволяет получать достаточно высокую герметичность внутренней полости первичного измерительного преобразователя давления. Поэтому оно используется в ИИПД перепада давлений и практически непригодно для ИИПД абсолютного давления, в которых к герметичности полости первичного измерительного преобразователя давления предъявляются высо­кие требования. ИИПД с «жёстким» монтажом имеет цоколь из специаль­ного стекла, к которому присоединяется мембрана (по методу термо­компрессии или пайки). Материалы цоколя и мембраны (кремний) имеют одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения. Посколь­ку характеристики материалов цоколя и мембраны в отношении воздейст­вия температуры не бывают согласованы достаточно точно, эти ИИПД имеют значительную температурную погрешность нуля.

Тензомосты рассматриваемых ИИПД обеспечивают получение относительно больших электрических сигналов, которые могут обрабатываться электронными преобразователями без промежуточного усиления. Из-за технологического разброса основных параметров ТР, отдельные образцы ИИПД могут различаться по чувствительности, нулевому сигналу и тем­пературному изменению чувствительности. Для обеспечения номинальных значений этих характеристик, подложка с кремниевой мембраной выпол­няется в виде гибридной интегральной микросхемы (ИС), на которой кроме ТР располагаются операционный усилитель с регулируемым коэф­фициентом усиления (на безкорпусном транзисторе) и схемы компенса­ции нулевого сигнала и температурного изменения чувствительности. Выполнение такого ИИПД в виде единой твердотельной ИС встречает некоторые трудности из-за ранее отмеченных существенных различий микро­электронных технологий выполнения ТР и транзисторов.

Обеспечение различных чувствительностей ИИПД для заданных диа­пазонов измерения по давлению производится на основе выбора соответ­ствующих толщин мембран.