2.5. Тензорезистивные преобразователи

Тензорезисторами называются приборы, которые изменяют свое электрическое сопротивление в результате механических деформаций. Изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется в электрический сигнал, который несет информацию о механических воздействиях на деформируемый упругий элемент. С этим элементом тензорезистор должен быть жестко механически связан. Достоинствами тензометрического метода измерений механических параметров является возможность эффективного преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы и создания устройств с простейшими кинематическими схемами.

Тензорезистивным эффектом обладают многие металлы и их сплавы. Однако коэффициент тензочувствительности приборов на их основе невелик и составляет 1–2.5. Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов на 1–2 порядка больше. Это обеспечивает существенное повышение точности и разрешающей способности тензометрии, а также значительно упрощает устройство системы регистрации сигналов, поступающих от тензопреобразователей. Полупроводниковые тензорезисторы способны обеспечить высокую надежность, точность, виброустойчивость, малые габариты и массу, конструктивную простоту, получение унифицированного сигнала механоэлектрических преобразователей. Эти приборы долгое время изготавливались из монокристаллов, причем материалом служил кремний, который обладает достаточно высокими упругими и прочностными механическими свойствами. Опыт изготовления и использования полупроводниковых тензорезисторов из монокристаллического кремния обобщен в ряде работ [79].

Однако для тензорезисторов из монокристаллов характерны такие общие для кристаллических приборов недостатки, как сложность и нетехнологичность процесса изготовления из-за большого объема механических обработок (резка, шлифовка, полировка кристаллов, пластин и элементов). Кроме того, таким тензорезисторам присущи специфические недостатки: временная нестабильность характеристик и гистерезисные явления, обусловленные в основном ползучестью клеевых слоев, использовавшихся при закреплении приборов на упругих элементах. Выходной сигнал кристаллических тензорезисторов составлял десятки милливольт.

Развитие интегральной технологии привело к появлению новых возможностей в изготовлении тензорезисторов. В качестве упругого элемента можно использовать саму кремниевую пластину, а тензорезисторы формировать на ней. Чувствительные элементы при этом изготавливаются методом локальной диффузии. Тем самым устраняются клеевые слои, использовавшиеся для соединения чувствительных и упругих элементов. Такие приборы составляют новое поколение измерительных преобразователей механических величин. В настоящее время уже накоплен значительный опыт их изготовления и конструирования, и даже возникла необходимость в их классификации.

С использованием интегральной технологии изготавливаются кремниевые тензорезистивные преобразователи широкой номенклатуры (рис. 2.11). Структура (рис. 2.11 а), чувствительный элемент которой изготавливается из кремния n- или р-типа и формируется в упругой мембране из полупроводника с противоположным типом проводимости, отличается относительной простотой и дешевизной исходной заготовки, выполненной из монокристаллического кремния. Однако для нее характерны сложности в воспроизводимости и контроле толщины упругого элемента. В структуре, изображенной на рис. 2.11 б, используется эпитаксиальная пленка, нанесенная на сильнолегированную подложку. Этим обеспечиваются хорошая воспроизводимость и возможность контроля толщины при вытравливании мембраны благодаря использованию специальных видов травления с самоторможением на границе n-n⁺ и p-p⁺. В структуре, показанной на рис. 2.11 в, эпитаксиальный слой и основание выполнены из кремния противоположных типов, что дает возможность путем изолирующей диффузии на всю толщину эпитаксиального слоя осуществлять изоляцию элементов и создавать сложные интегральные измерительные устройства. Структура, показанная на рис. 2.11 г, выполнена на основе «эпик»–процесса, содержит основание из поликристаллического кремния и окисный слой для изоляции. Важная особенность этой структуры состоит в возможности покрытия обеих сторон мембраны одинаковым окислом, что устраняет начальную деформацию мембраны, возникающую из-за несоответствия температурных коэффициентов линейного расширения кремния и его окисла. При этом расширяется диапазон линейности и повышается точность в преобразовании. Недостатком структуры такого типа является сложность контроля толщины и воспроизводимости геометрии мембран из-за изотропного характера травления поликристаллического кремния. В структуре (рис. 2.11 д) чувствительный элемент преобразователя изолирован от окружающего поликристаллического кремния окисным слоем, что дает возможность изготавливать преобразователи для расширенного диапазона температур. При использовании для отделения упругого элемента от основания слоя окисла можно, сохранив все преимущества предыдущей структуры, обеспечить контроль в процессе формирования упругого элемента (рис. 2.11 е).

Рис.2.11. Типы тензорезистивных структур, изготавливаемых

из пленок кремния методами интегральной технологии

Несмотря на ряд достоинств, тензопреобразователи из кремниевых мембран обладают существенными недостатками. При изоляции чувствительного элемента с помощью p-n-перехода или слоя окисла максимальная рабочая температура ограничена 398 и 548 К соответственно. Кроме низкой термостабильности для указанных тензопреобразователей характерна низкая стойкость к агрессивным средам и радиации.

Принципиально новые возможности дальнейшего улучшения тензорезистивных преобразователей открылись при их изготовлении на основе гетероэпитаксиальных пленок кремния на сапфире (рис. 2.11 ж).

Сапфир как материал для изготовления упругого элемента пленочного тензопреобразователя превосходит кремний благодаря своим более высоким упругим, прочностным, термомеханическим свойствам, высокой теплопроводности, прозрачности, а главное – он диэлектрик, способный сохранять свойства хорошего изолятора в широком диапазоне температур, в том числе превышающих 1300 К. Слой кремния толщиной в несколько микрометров прочно удерживается на подложке из сапфира в результате действия сил молекулярно–атомного сцепления, благодаря чему обеспечивается жесткое крепление упругого и чувствительных элементов также без промежуточных слоев. Тензорезистивные элементы формируются методом фотолитографии. Готовые элементы разделены участками чистой поверхности сапфировой подложки, благодаря чему обеспечивается их хорошая электрическая изоляция даже при повышенных температурах. При размещении чувствительных элементов на сапфировой подложке выбирается их ориентация по кристаллографическим направлениям, характеризующимся максимальной тензочувствительностью.

Сочетание высокой тензочувствительности кремния, возможности запитки приборов токами повышенной плотности благодаря тонкопленочной природе полупроводниковых элементов и высокой теплопроводности подложки приводит к существенному возрастанию выходного сигнала тензопреобразователей на структурах КНС.

Высокая чувствительность тензорезисторов на КНС дает возможность значительно уменьшить рабочие прогибы мембран и удержать их в пределах интервала значений, соответствующих линейной зависимости с деформацией, что способствует повышению точности измерений и линейности шкалы преобразователей.

Сапфир обладает способностью пайки с металлами, что обеспечивает жесткое его присоединение к металлическому основанию без применения пластичных клеевых слоев. Это исключает гистерезисные явления и также повышает точность измерений.

Следует отметить высокую временную стабильность преобразователей на основе структур КНС, а также их высокое быстродействие.

Несмотря на превосходство по механическим характеристикам тензорезистивных преобразователей, выполненных на основе структур КНС, над приборами на кремниевых подложках, в настоящее время имеются основания рассматривать их как взаимодополняющие. В пользу этого приводится ряд доводов. В частности, отмечается, что приборы на сапфировых подложках целесообразно и оправдано применять в особо ответственных и сложных случаях, например при высоких температурах, в агрессивных средах и при повышенном уровне радиации. Для массового применения допустимы приборы на кремниевых подложках. Производство этих приборов с учетом доступности исходных материалов, возможность использования стандартной отработанной технологии и существующего технологического оборудования экономически наиболее целесообразно. Это может быть дополнено соображениями об удобстве и более широких возможностях в решении ряда технологических и конструкционных задач по изготовлению тензопреобразователей при использовании пластин кремния различной кристаллографической ориентации. Важным обстоятельством является возможность применения локального анизотропного травления. В частности, при ориентации чувствительного модуля в плоскости кристалла [100] может быть изготовлена мембрана в виде квадрата, прямоугольника, восьмиугольника, а в плоскости [110] – в виде прямоугольника, параллелограмма, шестиугольника, восьмиугольника. Анизотропное травление обеспечивает высокую точность и воспроизводимость при изготовлении мембран.

На кремниевой пластине кроме чувствительного элемента преобразователя в составе интегрального устройства могут быть изготовлены многие другие приборы, в том числе усиливающие и формирующие сигнал от тензорезисторов для оптимизации его параметров и облегчения последующей обработки.

Тензорезисторы из КНС структур р-типа используются в качестве чувствительных элементов для изготовления датчиков давления с высокими метрологическими характеристиками, в том числе на повышенные и криогенные температуры.

Для высокотемпературных применений весьма перспективны тензорезисторы из карбида кремния. Тензорезистивные элементы, изготовленные в виде мезаструктур из эпитаксиального SiC р-типа, способны работать при температурах до ~ 1200 К (рис. 2.12).

Рис.2.12. Температурные зависимости коэффициента тензочувствительности S различно ориентированных миниатюрных тензорезисторов

из эпитаксиального р-SiC

Перспективными для применения в криогенной тензометрии представляются также элементы, выполненные на основе поликристаллических пленок узкозонных полупроводников А^III B^V (рис. 2.13 а,б,в). Для тензорезисторов из поликристаллических пленок InSb, InAs и твердых растворов InAs_XSb_1-X характерна, кроме того, малая зависимость коэффициента тензочувствительности от магнитной индукции, что дает основания предполагать возможность их применения в средствах контроля и диагностики конструкций сверхпроводящих магнитных систем.

Рис. 2.13. Изменение относительного сопротивления R/R_o с деформацией для микроминиатюрных тензорезистивных элементов

на основе поликристаллических пленок InSb (a), InAs (б), InAs_0.3 Sb_0.7 (в):

а, б, в – 1 - 290 К; 2 - 77 К; 3 - 4.2 К