Конструкции интегральных полупроводниковых тензорезисторов

В последние годы благодаря широкому развитию планарной технологии появилась возможность изготовлять датчики с полупроводнико­выми тензорезисторами, выращивая последние непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойст­вами, близкими к идеальным, и существенно меньшими погрешностями гистерезиса и линейности по сравнению с металлическими. Тензорезистор «сцепляется» с материалом упругого элемента за счет внутримолекулярных сил, что исключает все погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору. На одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорезистор, а структура в виде полумоста или даже целый мост и, кроме того, термокомпенсирующие элементы. Благодаря применяемой техноло­гии два тензорезистора, входящие в полумост, обладают значительно большей идентичностью, чем дискретные резисторы; кроме того, бла­годаря малым габаритам тензорезисторов обеспечивается большая идентичность внешних условий и, таким образом, существенно сни­жаются погрешности нуля. Все это ведет к широкому развитию в по­следние годы датчиков с так называемыми интегральными тензорезисторами, выполняемых в виде КНК-структур (кремний на кремнии) и КНС-структур (кремний на сапфире). В КНК-структурах электри­ческая изоляция осуществляется p-n-переходом, несовершенство изо­ляционных свойств которого ограничивает надежность датчиков; датчики с КНС-структурами обладают большей стабильностью ха­рактеристик. КНС-структура положена, например, в основу датчиков давления, входящих в приборный комплекс «Сапфир-22», разработан­ный НИИ «Теплоприбор».

В качестве примера на рис.2.1. а)приведен миниатюрный датчик, разработан­ный в Дрезденском техническом университете и предназначенный для измерения давления крови в сосудах.

 

Рис. 2.1. а)

Пластина 2из кремния, показанная в разрезе датчика приклеивается специальным клеем к кремниевой подложке 4. Этот узел из двух кремниевых пластин крепится к корпусу 1при помощи силиконового каучука 3. Материал корпуса должен быть индифферентен к физиологическому раствору и иметь КЛР, близкий к КЛР кремния. В описываемой конструкции корпус изго­товлен из сплава никеля, кобальта и кремния. Датчик крепится на конце полиэтиле­нового катетера и находится непосредственно в кровеносном сосуде. Через катетер выводятся провода измерительной цепи и крепежный тросик диаметром 200 мкм; кроме того, через катетер полость между кремниевыми пластинами связана с внеш­ней средой; таким образом, в этой полости действует атмосферное давление. На внеш­ние стороны пластин действует измеряемое давление.

На рис. 2.1. б)изображена в укрупненном масштабе кремниевая пластинка 1, в центре которой вытравлена до толщины 15 мкм мембрана площадью 3×1 мм2. На том же рисунке показана кремниевая подложка 2, лежащая под пластиной 1. На нижней стороне пластины 1(на мембране) расположены тензорезисторы 3.

 

 

Рис. 2.1. б)

Тензорезисторы на элементе из высокоомного кремния n-типа получаются методом диф­фузии так, как показано на рис. 2.1. в).

 

 

Рис. 2.1. в)

Изоляцией в этом случае служит сопротив­ление р-n-перехода. На рис. 2.1. г)дана ориентация пластины 1с диффундированными тензорезисторами относительно кристаллографических осей. Размеры тензорезисторов l = 320 мкм, b = 60 мкм, удельное сопротивление ρ = 3,8·10-2 Ом·см, тензорезистивный коэффициент π44=97·10-11 Па-1.

 

Рис. 2.1. г)

Как видно из рис. 2.1. д),диффундированная структура представляет собой мост, тензорезисторы R3 и R1ориентированы по оси [110], а тензорезисторы R2и R4 - по оси .

 

 

Рис. 2.1. д)

 

Тензорезистивные коэффициенты в этом случае равны (см. табл.1) π′11=π44/2 и π′12=-π44/2.

Таблица 2-1. Значения тензорезистивных коэффициентов

Тензоэлемент Значения коэффициентов
π′11, 10-11 Па-1 π′12, 10-11 Па-1 KT≈Kρ=E π′11 Kρ ,10-11 Па-1
n-Si ρ=0,02 Ом·см А [100]   -72,6   37,6   -95,3   -2,9
p-Si ρ=0,02 Ом·см π44=94,5 × × 10-11 Па-1 B [110] 49,14 -45,3 83,5   -3,0
C [111] 64,0 -30,5 94,2
D 49,1 -15,6 92,7
A [100] 4,5 -0,75 -

Относительные изменения сопротивлений и , где - механические напряжения в на­правлениях, параллельных оси [110]; - механические напряжения в направ­лениях, параллельных оси [ ].

При условии b0>l0 напряжение определяется как для балки, заделанной с двух сторон, и усредненное напряжение в области тензорезисторов R1 и R3составляет (l0/h)2{1 – [l/(2l0)]2}P, где h = 15 мкм — толщина мембраны, а в области тензорезисторов R2 и R4равно (l0/h)2[1 – 0,75(l-b)2/l20}. Напря­жения равны , коэффициент μ′= 0,067.

Таким образом, относительные изменения сопротивлений при Р = 0,4·105 Па равны

0,5π44·(1- μ′)·(l0/h)2{1–[l/(2l0)]2}P=0,5·97·10-11·(1-0,067)·(500/15)2 × ×[1-(320/1000)2]0,4·105 = 1,8·10-2;

-0,5·97·10-11(1-0,067)(500/15)2 [1-0,75(320-60)2/5002]0,4·105 = -1,6·10-2.

Среднее значение ТКС составляет αΘ≈ 1,2·10-3 К-1, разброс ТКС относительно среднего значения лежит в пределах у = ± (10÷2,5)%. Таким образом, погреш­ность нуля в худшем случае равна

.

Погрешность чувствительности составляет 0,001 К-1. Сопротивление тензоре­зисторов R≈800 Ом, ток питания моста 2 мА, выходной сигнал 23,6 мВ.