2.3. Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы

Основные типы и характеристики тензометрических полупроводниковых чувствительных элементов, высокая чувствительность полупроводниковых тензометрических чувствительных элементов (тензорезисторов), превышающая на два порядка чувствительность проволочных тензодатчиков, вызвала большой к ним интерес во всех развитых странах мира.

Независимо от типа тензорезисторов, его материал должен удовлетворять следующим основным требованиям [35]:

1) чувствительность тензорезистора, выраженная относительным изменением сопротивления, должна быть наибольшей;

2) общее сопротивление тензорезистора должно быть по возможности большим, с тем, чтобы нежелательное влияние сопротивлений в измерительном контуре и их изменений было наименьшим (провода от аппаратуры, контакты и т. д.);

3) температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен быть наименьшим;

4) в контактах тензорезистора должен отсутствовать термоэлектрический эффект;

5) материал тензорезистора должен обладать в возможно более широком диапазоне линейной зависимостью между относительной деформацией и изменением сопротивления.

Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) в основном определяется изменением их удельного сопротивления под действием механического напряжения. В наиболее простом случае механическое напряжение, компоненты электрического поля и плотности тока действуют в одном и том же продольном (относительно кристалла тензорезистора) направлении. Если R_o– продольное сопротивление недеформированного кристалла, R – изменение этого сопротивления под действием продольного напряжения , то

, (2.1)

где ₁ – коэффициент продольного пьезосопротивления.

Области энергии кристалла состоят из нескольких эквивалентных энергетических минимумов. Приложение одноосного напряжения вызывает изменение ориентации минимумов, в результате этого зарядоносители перераспределяются. Так как зарядоносители обладают различной подвижностью на разных уровнях, то средняя подвижность зарядов изменяется и вызывает изменение удельного сопротивления. В этом и заключается принцип работы ПТ.

Коэффициент тензочувствительности ПТ

. (2.2)

где – относительное изменение длины ПТ; E – модуль продольной упругости материала ПТ.

Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (S = 50150) – на два порядка выше, чем у металлических тензорезисторов. В этом и заключается одно из основных положительных свойств ПТ. Коэффициент тензочувствительности, приклеенных на упругий элемент тензорезисторов, меньше, чем у тензорезисторов в свободном состоянии, за счет влияния переходного слоя клея. Распределение деформации в приклеенном тензорезисторе показано на рис.2.1.

Большинство выпускаемых ПТ изготавливают из кремния. Изменение коэффициента тензочувствительности кремния в зависимости от ориентации и величины удельного сопротивления показано на рис.2.2. Наибольшей чувствительностью обладает слаболегированный кремний[111]р-типа и[100]n-типа.

Рис.2.1.Распределение деформации в приклеенном тензорезисторе:

1 – упругий элемент; 2 – тензорезистор; _т – деформация в слое клеящего вещества;

_w – деформация в тензорезисторе; _v – деформация в упругом элементе

Кристаллы ПТ, используемых на практике, обычно легируются до величины удельного сопротивления от 0,02 до 0,2 Ом·см. Пластину ПТ вырезают из монокристалла кремния, шлифуют и затем вытравливают до получения необходимой толщины (0.03 – 0.05 мм) или получают вытягиванием из переохлажденного полупроводникового расплава (дендриды германия и кремния). ПТ можно также получать кристаллизацией из паров кремния, при этом они приобретают нитевидную форму.При изготовлении полупроводниковых тензорезисторных чувствительных упругих элементов имеет перспективу использование современных технологических процессов полупроводниковой техники (диффузионного, автоэпитаксиального и гетероэпитаксиального).

При этом отпадает необходимость использования клея и исчезает связанная с ним ползучесть. При диффузионной технологии тензорезисторы образуются диффузией выбранной примеси в тонкий слой поверхности упругого элемента (мембраны, балки), выполненного из монокристаллического кремния с высоким удельным сопротивлением или противоположной проводимостью для создания изолирующего p-n перехода.

При автоэпитаксиальной технологии тензорезистор образуется наращиванием монокристаллического слоя полупроводника, кристаллическая решетка которого является продолжением кристаллической решетки упругого элемента, выполненного из полупроводникового материала того же типа, что и наращиваемый слой.

Рис.2.2. Изменение коэффициента тензочувствительности

в зависимости от удельного сопротивления и ориентации кристалла

(при комнатной температуре)

Изоляция тензорезистора от массы упругого элемента здесь также осуществляется p-n переходом.

При гетероэпитаксиальной технологии тензорезистор образован наращиванием монокристаллического слоя полупроводника на поверхности упругого элемента, выполненного из монокристаллического диэлектрика (например, сапфира). Здесь также кристаллическая решетка тензорезистора является продолжением кристаллической решетки поверхности упругого элемента, но иной кристаллографической системы.

Упругие тензорезисторные элементы, выполненные по гетероэпитаксиальной технологии, имеют ряд преимуществ, главными из которых являются высокое сопротивление изоляции, большая механическая прочность, технологичность, высокая надежность и более широкий диапазон рабочих температур.

Приращение сопротивления кремниевых тензорезисторов описывается уравнением

, (2.3)

где Т – абсолютная температура, Н₁, Н₂, Н₃ – константы,  – деформация.

Экспериментально найдено, что для кремния с =0,1 Ом·см

для р-типа;

для n-типа.  (2.4)

Из этих уравнений следует, что линейность в пределах 1 % (что требуется для большинства датчиков) обеспечивается только при относительных деформациях =300·10⁶(р-тип) и=100·10⁶(n-тип), тем самым значительно ограничивается чувствительность для ПТ. Также видно, что ПТ р-типа имеет более линейную характеристику при растяжении, а n-типа – при сжатии (рис.2.3).

Кажущаяся деформация является следствием различия величин коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и упругого элемента (мембраны, балки), с которым он связан. Уход нуля при изменении температуры определяется зависимостью

, (2.5)

где – температурный коэффициент сопротивления тензорезистора (ТКС);^’_t– коэффициент линейного расширения упругого элемента;^”_t– коэффициент линейного расширения тензорезистора.

Для ПТ p-типа, имеющих положительный коэффициент тензочувствительности S, эта зависимость обычно положительна (коэффициент линейного расширения большинства металлов и сплавов выше, чем у кремния, ^Si_t=3,2·10^-61/C) и дрейф нуля высок. Отрицательный коэффициент тензочувствительности кремния n-типа позволяет сделать члены правой части уравнения близкими по величине и противоположными по знаку, при этом дрейф нуля резко снижается (рис.2.4).

Рис.2.3. Изменение сопротивления кремния при деформации.

Значительный интерес представляет изготовление упругих элементов датчиков из кварца. Высокие упругие и изоляционные свойства кварца в сочетании с малой величиной коэффициента линейного расширения (_t=1·10 1/С) снижают кажущуюся деформацию и ползучесть приклеенного ПТ, так как толщина слоя клея, учитывая высокие изоляционные свойства кварца, может быть доведена до минимума (5 – 10 мкм). Перспективен также тензорезисторный чувствительный элемент, в котором упругий элемент (мембрана, балка, нить) выполнен из кварца, а кремниевый нитевидный тензорезистор с платиновыми токопроводами (разработка ЛПИ, г. Львов) вплавлен в поверхность упругого элемента низкотемпературной (t_плав= 300350С) свинцовистой стеклоэмалью. Близость коэффициентов линейного расширения кварца и эмали позволяет образовать спай с высокими упругими свойствами, отличающийся стабильностью и малой величиной ползучести (_n <0,5 %).

Под ползучестью понимают способность тензорезисторов изменять свое сопротивление при неизменной, отличной от нуля деформации. Кристаллы ПТ свободны от ползучести и гистерезиса.

Рис.2.4. «Кажущаяся» (_к) деформация тензорезисторов:

а: 1–датчики из нихрома на стали (---), на дюралюминии; 2 – датчики из р-кремния

на алюминии, на стали (---); 3 – датчики из эдванса на дюралюминии, на стали (---);

б: «кажущаяся» деформация самокомпенсированных n-кремниевых датчиков на стали