Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра микро- и наноэлектроники

Отчет по лабораторной работе №1

«Датчики давления»

По дисциплине «Микроэлектронные датчики и сенсорные устройства»

Проверил: Выполнил:

доц. Родионов Ю. А.

Минск 2012

Цель работы:

1. Изучить свойства, параметры, характеристики и технологические особенности изготовления тензорезистивных преобразователей.

2. Выполнить расчёт:

а) параметров упругого элемента,

б) технологических режимов процессов диффузии для формирования тензорезисторов,

в) геометрических параметров тензорезисторов,

г) номиналов балансировочных резисторов

Теоретическая часть

Тензорезистивный преобразователь (тензодатчик, датчик давления) – это гибкий чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению.

Эффект изменения электрического сопротивления материала при его механической деформации носит название пьезорезистивного эффекта.

В состав датчика давления входит мембрана заданной площади, в которую диффузионным методом встраиваются пьезорезистивные преобразователи в виде резисторов и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенной силе.

Относительное изменение сопротивления полупроводниковых тензорезисторов является линейной функцией от деформации и может быть записано в виде:

,

где - продольное сопротивление недеформированного кристалла,

- изменение сопротивления под действием продольного напряжения ,

– коэффициент тензочувствительности (для металлов – 2…6, для п/п – 40…200).

Т.е. коэффициент тензочувствительности п/п тензорезисторов можно выразить как относительное изменение сопротивления к относительной деформации в данном направлении.

Или в самом простом случае, когда компоненты электрического поля и плотности тока, а также механическое напряжение действуют только в продольном относительно тензорезистора направлении

,

где - коэффициент продольного пьезосопротивления,

- модуль продольной упругости материала п/п тензорезистора.

Физическая причина возникновения тензосопротивления: изменение энергетической структуры п/п. При деформации кристалла происходит смещение потолка валентной зоны и дна зоны проводимости, т.е. изменяется ширина запрещённой зоны, что приводит к изменению концентрации электронов и дырок.

Кроме того, приложение одноосного напряжения вызывает изменение ориентации энергетических минимумов и перераспределение носителей зарядов. На разных уровнях носители заряда обладают различной подвижностью, следовательно, в результате перераспределения н.з. изменяется средняя подвижность зарядов, изменяющая, в свою очередь, удельное сопротивление ().

Для уменьшения влияния температуры на величину сопротивления тензорезисторы обычно изготавливаются из примесных полупроводников, в которых концентрация основных носителей равна концентрации примесей и не зависит от деформации. Поэтому изменение сопротивления при деформации определяется только изменением подвижности.

Изготавливают тензорезисторы, как правило, методами диффузии, автоэпитаксии и гетероэпитаксии.

Большинство выпускаемых п/п тензорезисторов изготавливают из кремния ((111) p-типа и (100) n-типа), для работы в высоких температурах применяются тензорезисторы из карбида кремния, КНС-структуры, структуры на основе поликристаллических плёнок узкозонных полупроводников A^IIIB^V используются в средствах контроля конструкций сверхпроводящих магнитных систем.

На практике чаще всего используются кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал порядка нескольких вольт.

Последовательность изготовления кремниевого датчика давления:

1. Обработка кремниевой пластины.

2. Вытравливание части пластины до образования тонкой мембраны.

3. Выполнение на мембране резистивных элементов методом ионной имплантации.

Толщина мембраны и геометрическая форма резисторов определяется областью допустимых давлений.

Преимуществом датчиков данного типа является высокая чувствительность; хорошая линейность; незначительные гистерезисные явления (гистерезис – разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании); малое время срабатывания; компактная конструкция; экономичная планарная технология изготовления.

Недостатком датчиков давления является повышенная температурная чувствительность, однако, в большинстве случаев, его можно скомпенсировать. Для компенсации зависимости сопротивления от температуры в плече измерительного моста используются два тензорезистора с одинаковым температурным коэффициентом. Тензопреобразователем является только один резистор, а второй служит для компенсации температурного изменения величины сопротивления первого.

Четыре тензорезистора образуют мост (рис. 1). При прогибе мембраны сопротивление резисторов R1 и R3 возрастает, а R2 и R4 уменьшается.

Рис. 1. Измерительный мост

Выходное напряжение

Преобразовательная характеристика тензорезистора – зависимость выходного напряжения мостовой схемы от приложенного к мембране избыточного давления.

Рис.2. Преобразовательная характеристика интегрального тензорезистора

Преобразовательная характеристика зависит от следующих параметров:

1. U₀ – выходное напряжение тензорезисторной схемы при нулевом давлении (q = 0) и температуре Т₀ (начальный разбаланс).

2. q – диапазон линейного преобразования, т.е. область давлений, в которой выходной сигнал мостовой схемы Uвых линейно зависит от значения q:

,

где - номинальные диапазоны линейного преобразования положительного и отрицательного избыточных давлений соответственно.

З. q₀ – сдвиг преобразовательной характеристики:

4. S₀ – тензочувствительность при температуре Т₀ – отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесенное к напряжению питание мостовой схемы Е_П:

5. U_mo – температурный дрейф нуля – приращение выходного напряжения в отсутствии приложенного давления, отнесенное к номинальному значению выходного сигнала Uвых.ном, при изменении температуры на 1С:

Где

6.  – температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) – относительное изменение чувствительности при изменении температуры на 1С: