zPUs6LtHHJ

90% благодаря их надежности, функциональности и снижению стоимости их изготовления.

Из всего многообразия датчиков давления рассмотрим только микроминиатюрные приборы, изготавливаемые средствами интегральной технологии. К ним прежде всего и в основном относятся электромеханические преобразователи, в которых возмущающим воздействием является давление, вызывающее деформацию чувствительного элемента. В одном случае при этом происходит изменение геометрии элементов преобразователя с последующей вариацией выходного сигнала (емкостные ДД), в другом – изменяются параметры материала (речь идет о тензоэффекте). Датчики на основе пьезо- и тензоэффектов в виде дискретных элементов или в составе интегральных схем востребованы в самых различных областях. Они используются для измерения силы, массы, ускорения, вибрации, удара, деформации, давления, уровня жидкости и т. д. Поэтому, прежде чем говорить о самих датчиках, вспомним основные положения этих эффектов. Прежде всего отметим, что

пьезо- (от гр. piezo – давлю) и тензоявления (от лат. tensus – давление) по су-

ти обозначают одно понятие. Речь идет о каком-либо механическом воздействии на твердое тело. При этом в нем возникают локальные области сжатия или растяжения, находящиеся в напряженном состоянии. Последнее вызывает изменение каких-либо свойств такого тела. В данно м случае будут рассмотрены только изменения электрического сопротивления напряженных участков (тензо- и пьезорезистивные эффекты).

Для понимания и адекватного описания резистивных эффектов введем несколько определений.

-деформация (ε) – отношение приращения размера (∆l) тела к его первоначальному значению (l): ε = ∆ll ;

-деформация, исчезающая после прекращения воздействия приложен-

ной силы, называется упругой деформацией;

-сила (F ), действующая на единицу площади (S ), называется напряже-

нием (σ): σ = FS ;

-максимальное напряжение, не вызывающее остаточной деформации

(более 2 %), называется пределом упругости.

-в области упругости деформации действует закон Гука: деформация пропорциональна напряжению.

21

-деформация в направлении действия силы, определяется модулем Юн-

га (γ): σ11 = (1Y )FS = (1Y )σ;

-деформация, перпендикулярная направлению силы, связана с коэффи-

циентом Пуассона (γ): ε1 = −γε11. В области упругости γ ~ 0,3.

лы: ∆RR = ∆ll − ∆SS + ∆ρρ, где ∆ρ – относительное изменение удельного сопротивления; ∆l, ∆S – относительное удлинение и изменение сечения. С учетом данных определений:

или в более удобной форме: ∆RR = K(∆ll), где K – коэффициент преобра-

занная с зависимостью ∆ρ от изменения объема.

Удельное сопротивление большинства металлов уменьшается с увеличением приложенного к ним давления. Это связано с сокращением объема металла, с уменьшением амплитуды колебаний атомов в узлах решетки и, следовательно, с уменьшением диффузионного оттока свободных электронов сквозь решетку, что ведет к уменьшению удельного сопротивления материала. Обычно, K ~ 2(C ~ 1, γ = 0,3).

Из полученных выражений очевидно, что подобные преобразователи пригодны для измерений очень больших деформаций, но в широких диапазонах температур: K(t)= K0[1+ αк(t −t0 )], где αк ~ 0,1...0,04% oC ; K0 – коэффициент преобразования при стандартной температуре t0 .

22

Ранее речь шла о продольной чувствительности. На самом деле, свой вклад в изменение R вносит и ∆Rτ , чувствительное к поперечным деформа-

циям. Обычно, эта величина преобразования Kt ~ 2 10−2 К. Для уменьшения ее влияния поперечные части проводника, как правило, делают шире продольных. Линейность коэффициента преобразования остается постоянной, пока материал датчика находится в пределах упругости. Температурный коэффициент определяется ρ(Т), температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала и разностных ТКЛР датчика и обследуемого образца.

Значение коэффициента тензочувствительности зависит и от удельного сопротивления материала: S = ∆RRε = (1+ 2ν)+ ∆ρρε, где ε = ∆ll – относительная деформация.

За счет геометрии значение S должно находится в пределах 1,48…1,8, а на самом деле оно выходит за них в обе стороны от –12 до 2,5, что говорит

осущественном вкладе последнего слагаемого в S .

Вполупроводниках пьезорезистивный эффект очень велик: он составляет более 98 % от значения коэффициента тензочувствительности, поэтому обычно считают, что S = ∆RR ~ ∆ρρε. Для кремния n-типа пьезорезистив-

ный эффект хорошо объясняется на модели «долин».

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРНЫЕ ДАТЧИКИ

Для полупроводниковых датчиков удельное сопротивление определяется напряжением σ и коэффициентом пьезорезистивности π и имеет следующий вид: ∆ρρ = πσ = πY (∆ll). Значение π зависит от кристаллографии образца, типа примеси и уровня легирования.

Коэффициент пьезорезистивности есть тензор 4-го ранга в пространстве механических напряжений, направлений электрического поля, тока. Для кристаллических решеток типа алмаза (Ge, Si) частные пьезорезистивные коэффициенты можно выразить через фундаментальные: π11, π12, π44 , направляющие косинусы между выбранными осями координат и осями <100> кристалла. Здесь π11, π12, π44 – коэффициенты продольного, поперечного и сдвигового пьезорезистивного эффектов соответственно.

23

Для продольного эффекта электрическое поле, ток и механическое напряжение имеют одно и то же направление.

Для поперечного эффекта направление тока перпендикулярно направлению сжатия или растяжения. Сдвиговые коэффициенты определяют изменение сопротивления в плоскости кристаллографических осей расположения резисторов и характеризуют

для которых они могут иметь весьма большие значения. В таблице приведены основные значения π для кремния.

Работа тензодатчиков основана на том, что под воздействием механических напряжений твердое тело меняет свою форму за счет деформации.

В области упругости деформаций действует закон Гука, который для главных напряжений описывается выражениями:

E1ε1 = σ1 − γ1,2σ2 − γ1,3σ3; E2ε2 = −γ2,1σ1 + σ2 − γ2,3σ3;

E3ε3 = −γ3,1σ1 − γ3,2σ2 + σ3 ,

где E – модуль упругости; γ – коэффициент Пуассона. Из приведенных теоретических рассуждений следует:

-тензорезистивный эффект реализуется вследствие деформации твердого тела;

-знак изменения сопротивления определяется условиями сжатия или растяжения в месте закрепления резистора;

-тензорезистивный эффект зависит от коэффициента Пуассона, модуля упругости материала и модуля Юнга;

-тензорезистивный эффект зависит от концентрации носителей заряда в твердом теле и от кристаллографической ориентации в месте закрепления.

24

расположение тензорезистора 2 на планарной стороне мембраны, которая является существенным узлом тензомодуля, передающим внешнее механическое воздействие на резисторы. Совместно они образуют идеальную систему по сопряжению температурных коэффициентов (единое тело линейного расширения). Толщина мембраны 4 определяется диапазоном измерения значений внешнего механического воздействия при сохранении общей жесткости конструкции за счет утолщенной части; при этом используется факт изменения сопротивления резисторов при деформации мембраны; ∆Rr R < 0, ∆RτR > 0. Радиальные и тангенциальные резисторы имеют разные знаки приращения, поэтому резисторы располагаются на мембране в строго заданном кристаллографическом направлении и в положении максимальной тензочувствительности (рис. 19, а).

аб

гии: формирование резисторов (см. рис. 18), маскирующего покрытия для анизотропного травления кремния (получение мем-

браны), металлизации и защиты интегральной схемы. Далее идет сборка (посадка на держатель). Для изготовления датчика избыточного давления используется держатель с отверстием, а для датчиков абсолютного давления необходима посадка в вакууме с образованием полости. Посадка осуществляется через материал с ТКЛР, близким к ТКЛР Si и держателя: для герметизации используются низкотемпературные припои, стеклоцемент, анодная посадка, посадка на эвтектику.

При изготовлении интегрально тензопреобразователя (ИТП) мембранного типа используются, как правило, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую схему Уинстона. Во избежание ухода нуля (разбаланса) схемы при отсутствии разности давлений с внешней и внутренней сторон резисторы

26

должны изготовляться с высокой точностью как по геометрии, так и по уровню легирования. Последнее может вызвать различие в температурных коэффициентах сопротивлений (ТКС) резисторов. Эти недостатки вызывают дрейф нуля, гистерезис выходного сигнала в температурном диапазоне, нелинейность преобразовательной характеристики. Существует целый набор технических решений для получения оптимального выходного сигнала.

рена также возможность их подгонки (например, выжиганием перемычек с помощью лазера) к необходимому номиналу для проведения точной коррекции.

Разумеется, при такой компенсации чувствительность преобразователя понижается. Увеличения сигнала добиваются оптимальным расположением резисторов по мембране и выбором ее формы. Кроме того, форма мембраны может быть профилирована определенными образом (формирование концентраторов напряжений) для получения более высоких значений π44 в преде-

лах упругости материала. Типичным примером может считаться мембрана с жестким центром (рис. 21). Это дает возможность изготовления датчиков давления с самоограничением (превышение давления сверх нормы не вызывает разрушения мембраны).

При деформации мембраны резисторы, расположенные вблизи жесткого центра, имеют ∆RR > 0, а резисторы, расположенные вдоль кромки заделки мембраны, имеют ∆RR < 0 .

27

Возможен и другой вариант реализации датчика, если использовать изменение емкости между корпусом (основанием) и сейсмической массой. Принцип действия такого датчика аналогичен принципу действия датчика давления.

28

готовлен один из электродов (ионная имплантация фосфора). Другой электрод изготовлен из поликремния. Расстояние между ними ~1 мкм. Разделительным диэлектриком служит нитрид кремния.

Под действием внешнего давления изменяется межэлектродное расстояние конденсатора 3. Чувствительность такого датчика определяется выражением S ~ (∆CC)K , где величина

ДАТЧИКИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЖИДКИХ СРЕД

Установление связи между составом и каким-либо контролируемым свойством различных веществ всегда занималась аналитическая химия. На основании выявленных закономерностей изменением концентрации ингредиентов, отслеживали изменение свойств вещества. Твердые вещества исследовали аналогичным методом подбора подходящих растворителей. Это достаточно трудоемкая и затратная работа.

Успехи микроэлектроники вывели это направление ‒ химический анализ на новый уровень. Появились химические сенсоры в микроэлектронном исполнении. Реализовалась возможность автономной работы интеллектуальных датчиков с накоплением и обработкой информации, включая управление исполнительными системами. Номенклатура датчиков, определяемая видом отклика на контролируемый параметр и его назначением, постоянно расширяется.

Интересно отметить, что химические сенсоры (жидких и газовых сред) предназначены в основном для контроля среды обитания живых существ, т. е. обеспечивают жизнедеятельность человека. Поэтому это направление весьма актуально.

Остановимся подробнее на датчиках с электрическим откликом, т. е. на тех, которые удобно обрабатывать известными методами.

Проведение химического анализа основывается на ионометрии. Анализируемый состав сильно разбавляют, для того чтобы в нем была возможна диссоциация ингредиентов исходного вещества. Тогда диссоциированные ионы ведут себя подобно молекулам идеального газа и к ним применимы соответствующие законы.

Закон Нернста. В очень разбавленных растворах ионы ведут себя подобно молекулам идеального газа, а эквивалентом давления газа служит осмотическое давление ионов в растворе. Если осмотическое давление какоголибо типа ионов выше, чем другого, то возникает компенсирующий разность давлений обмен электронами на электроде, помещенном в этот раствор.

Рассмотрим некий раствор, содержащий окислитель и восстановитель. Пусть в нем окислитель имеет концентрацию С и давление p, а восстановитель, соответственно, С1 и p1 и, причем p>p1. Опустим в раствор электрод. Тогда окислитель будет принимать электроны от электрода, при этом восстанавливаясь, и на электроде появится положительный заряд. Величина заряда

30