Использование тензорезисторов меза-типа в датчиках давления для систем управления и контроля Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.3.032

И. Н. Баринов, В. С. Волков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ МЕЗА-ТИПА В ДАТЧИКАХ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

I. N. Barinov, V. S. Volkov

USING STRAIN GAUGES POLIKREMNIEVYH-TYPE IN MESA PRESSURE SENSORS FOR THE MANAGEMENT AND CONTROL SYSTEMS

Аннотация. Рассмотрено применение поликремниевых тензорезисторов меза-типа для создания датчиков давления. Предложена конструкция чувствительного элемента, позволяющая улучшить характеристики датчиков давления.

Abstract. The article cites describes use of polycrystalline silicone mesa strain gages for pressure sensors. The new sensor element construction, improving characteristics, is described.

Ключевые слова: датчик давления, тензорезистор, поликристаллический кремний, мезаструктура.

K e y words: pressure sensor, strain gauge, polycrystalline silicone, mesa structure.

Тензорезисторы являются важнейшими компонентами современных интегральных схем и микросистем. Основные тенденции микроэлектроники - применение структур с диэлектрической изоляцией и уменьшение геометрических размеров - накладывают ограничения на применение чувствительных элементов датчиков давления с поликремниевыми тензорезисто-рами. Передача деформации с упругого элемента на тензорезистивный слой в структуре «по-ликремний-диэлектрик-кремний», используемой для создания современных высокотемпературных датчиков давления, характеризуется рядом особенностей, а сам тензорезистор представляет мезаструктуру, что принципиально отличает его от обычного тензорезистора, изолированного от подложки (р - и)-переходами [1, 2].

На рис. 1 приведена структура мезатензорезистора с диэлектрической изоляцией [3, 4]. Смещения точек диэлектрика линейно зависят от расстояния до поверхности кремниевого упругого элемента. Модули Юнга поликремния Е2 ~ 1,6 • 1011 Па и двуокиси кремния Е1 ~ 0,7 -1011 Па отличаются более чем в два раза [1], поэтому принимается допущение, что благодаря большей жесткости кремния смещения точек тензорезистора постоянны по его сечению, что упрощает анализ.

При деформации кремниевого упругого элемента перемещения точек рассматриваемой системы можно записать в виде

U1 = Uо + $xз, h <хз <H;

U2 = U0 +Ph, h < x3 < H, ()

где U0 - перемещение точек упругого элемента (хз = 0); Р - коэффициент, описывающий сдвиговые перемещения; h - толщина слоя диэлектрической изоляции; H - высота меза-тензорезистора.

Рис. 1. Структура тензорезистора с диэлектрической изоляцией (Ь - длина тензорезистора, х3 - ордината, по которой отложены высоты слоя двуокиси кремния и слоя поликремния): 1 - диэлектрическая изоляция; 2 - тензорезистор

С учетом (1) компоненты матрицы деформации в плоскости х1х3 принимают следующий вид:

е(1) = е(1) = fcl _tll _

dU0 dxl

- + x

dP

dxl

E« = 2є13 = P, 0 < x3 < h ;

,(2) =

dU

(2)

dxl dxl

e^ = 0, h < x3 < H,

где индексы (1) и (2) соответствуют областям рис. 1 [3, 4].

В случае однородной деформации упругого элемента U =е0 = const вдоль всего тензорезистора. Деформации в диэлектрическом подслое определяются выражениями

,(1)=,

1 - x3у | 1—ch/L • sh/x + ch/x 3П sh/L

(3)

,(l) =

1 - ch/L sh/L

ch/x + sh/x

(4)

1 1 Н - НЕ1 1 ( 1 ^

—, =-; Д = —Н------------ ; у = — I 1 + — I; ^1 - коэффициент Пуассона для слоя

^2(1 + ^)Д 3 И Е2 И { 6Д / ^ *

диэлектрической изоляции; Е1 и Е2 - модули Юнга двуокиси кремния и поликремния соответственно [3, 4].

В слое поликремния (2) сдвиговая деформация = 0, а получается из (3), если положить х3 = И.

В случае линейного распределения деформация упругого элемента неоднородна и изменяется в подложке вдоль тензорезистора по закону

: = Eo (1 + kxl),

(5)

где к - коэффициент, описывающий градиент деформации в пределах тензорезистора.

Неоднородность деформации приводит к появлению дополнительного слагаемого в функции, учитывающей влияние геометрии структуры:

є12) =e0l i(l + kxl)-hy

((1 + kL)- ch (XL ))sh( xl) sh (XL)

+ ch (/xl) >.

(б)

При однородной деформации подложки (е0 = const) при Xi = 0 и Xi = L деформации на границах слоя 2 равны

= Є0(1 _ук).

=0,L °0

(7)

Произведение ук определяется соотношением толщин тензорезистивного слоя и диэлектрической подложки и их модулей Юнга:

, ( H _ к Е2 1

ук = ' 2 1

к

Е1 2

к

Е1 3

Для рассматриваемой структуры оно близко к единице, оставаясь, однако, больше нее. Если толщины тензорезистивного слоя поликремния и слоя 8Ю2 одинаковы, то (учитывая приведенные значения модулей Юнга, ук = 1,064 и вблизи краев) тензорезистивный слой имеет противоположный знак деформации, чем в другой подложке. Это является следствием учета сдвиговых деформаций в диэлектрическом слое 1. Наибольшего значения деформация достигает в центре тензорезистора при х1 = 0,5Х:

L x=— 2

= Єг

1 _ук

1

ch(yL / 2)

(8)

Распределения деформации при различных размерах тензорезистивного слоя вдоль оси х1 приведены на рис. 2 [3, 4], где Н = 0,9 мкм, к = 0,4 мкм, длина резистора 1 - 5 мкм, 2 - 10 мкм, 3 - 15 мкм.

,0.999977

S/Єл S

А

\

\

і 2 3

10

20

25

Рис. 2. Распределение относительной деформации в резисторах в зависимости от координаты

При yL >> 1 є = є0, однако уменьшение yL приводит и к понижению максимальной де-

_2,

формации поликремниевого слоя. При yL = 1 и ук = 1,064 получаем є

1 = 5...6-10 ~є0 .

X=—

2

Экспериментальные исследования продольного и поперечного коэффициентов тензо-чувствительностей тензорезисторов были проведены на тестовых элементах в виде консольных балок, имеющих линейные размеры 22x6x0,38 мм. Толщины слоев двуокиси кремния и поликремния равнялись соответственно 0,4 мкм и 0,5 мкм. Двуокись кремния получалась термическим окислением кремниевых пластин. Линейные размеры тензорезисторов приведены в табл. 1 [3, 4].

X, мкм

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Таблица 1

Линейные размеры тензорезисторов

Ширина резистора, мкм 7,9 10,4 18,8 50 77

Длина резистора, мкм 117 98 98 104 156

Средние деформации продольного резистора, расположенного вдоль длинной оси консольной балки, определены:

вдоль резистора:

є(і) = і-єй)| f (х)&!;

- поперек резистора:

4^ = \ '4^)| /, (Х1 ¥ХЪ

ъ ъ

где £01, е0^2) - деформации подложки вдоль и поперек балки под продольным резистором.

Тогда относительное изменение сопротивления продольного и поперечного резисторов может быть записано в следующем виде:

ДЯ,

ь = Кь •є(і)+ К, .Є2 ,

я

щ

я

,1і) •

= Кі -4)+ К, -4),

(9)

где К - продольный коэффициент тензочувствительности.

Из (9) получим выражение для продольного коэффициента тензочувствительности:

Кь =

АЯЬ )_щ е(ь)

я

я

()е( )_е(ь )е()

(10)

На рис. 3 приведена расчетная зависимость отношений продольного и поперечного коэффициентов тензочувствительности к их максимальным значениям в зависимости от отношения длины и ширины тензорезистора к его высоте [3, 4].

К,!К,

1

0,98 * 0,96 -

0,92 |

0,88 -

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

ин-ъ

Рис. 3. Зависимость отношения продольного коэффициента тензочувствительности к его максимальному значению как функция отношения длины резистора к его толщине, расчет по формулам (6), (10)

Таким образом, учет нормальных и сдвиговых деформаций в случае поликремниевого тензорезистивного слоя и диэлектрической подложки из 8Ю2 приводит к появлению на концах тензорезистора зон деформации, противоположных по знаку деформации упругого элемента. При размерах тензорезистора № ~ 1 наступает резкое уменьшение тензочувствитель-ности. Этот эффект наиболее существен для тангенциальных тензорезисторов, у которых главную роль играет поперечный размер.

Следовательно, чувствительность тензопреобразователя меньше максимально возможной из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезисторам, выполненным в виде структур меза-типа, что приводит к снижению выходного сигнала при максимальном давлении и появлению дополнительной погрешности выходного сигнала, возникающей вследствие уменьшения тензочувствительности тангенциальных тензорезисторов.

Для устранения вышеизложенных недостатков разработана конструкция, представленная на рис. 4 [5].

Рис. 4. Конструкция преобразователя давления с тензорезисторами меза-типа:

1 - чувствительный элемент из кремния; 2 - утолщенное периферийное основание; 3 - профиль мембраны, содержащий жесткие центры; 4 - мембрана; 5, 7 - слой двуокиси кремния;

6 - тензорезисторы; 8 - коммутационные шины; 9 - слой нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов; 10 - контактные площадки

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, через слои двуокиси кремния и нелегированного поликристаллического кремния деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы.

Слой двуокиси кремния 5 (см. рис. 4) расположен только под тензорезисторами и коммутационными шинами. Это позволяет снизить уровень механических напряжений за счет уменьшения не менее чем в 5 раз площади соприкосновения двух материалов с различными коэффициентами термического расширения (двуокиси кремния и высоколегированного бором слоя кремния).

Коэффициент термического расширения двуокиси кремния равен ^о2 = 0,5 -10 6 K 1, а для высоколегированного бором слоя кремния kp+si ~kSi = 4,5•10_6K_1 [6, 7]. Учитывая, что в традиционных конструкциях чувствительных элементов слои занимают эквивалентную площадь

и непосредственно соприкасаются друг с другом, при работе в широком диапазоне температур (от минус 70 до 300 °С) будут иметь место значительные механические напряжения, вызванные, помимо различия коэффициентов термического расширения двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, усадочными явлениями материалов этих слоев, несовершенством проведения технологических процессов, неоднородностью пластической деформации, несоответствием параметров решетки слоев и т.д. [6].

В предложенной конструкции слой двуокиси кремния контактирует не более чем с 20 % площади высоколегированного слоя кремния, расположенного на мембране. Таким образом, предложенная конструкция позволяет снизить механические напряжения в мембране не менее чем в 5 раз, что приведет к повышению прочности мембраны в процессе эксплуатации преобразователя одновременно с обеспечением надежной электрической изоляции между тензоре-зисторами и подложкой.

Слой двуокиси кремния 7 выполняет защитную функцию.

Наличие вокруг тензорезисторов слоя из нелегированного поликремния позволит снизить эффект уменьшения тензочувствительности тензорезисторов меза-типа из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезистору, т.е. повысить чувствительность преобразователя, так как деформация от мембраны будет полностью передаваться тензорезисторам через слой поликристаллического кремния.

Таким образом, предложенная конструкция позволяет улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики преобразователя давления: увеличить чувствительность, снизить температурную погрешность и повысить надежность, что отвечает современным требованиям, предъявляемым к датчикам давлений [8].

1. Гридчин, В. А. Проектирование кремниевых интегральных тензопреобразователей с квадратными упругими элементами / В. А. Гридчин // Сборник научных трудов НЭТИ. - Новосибирск, 1985. - С. 97.

2. Баринов, И. Н. Применение поликристаллического алмаза в качестве чувствительного элемента / И. Н. Баринов, В. Ю. Дарвин // Отраслевые аспекты технических наук. -2012. - № 5. - С. 21-23.

3. Любимский, В. М. Особенности деформации резистора в виде мезаструктуры / В. М. Любимский // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 2. - С. 47-53.

4. Исследование конструктивно-технологических решений для создания высокостабильных и высокотемпературных датчиков давления : отчет о НИР / В. М. Любимский, В. А. Гридчин, А. В. Шапорин, В. А. Колчужин, А. В. Гридчин, О. В. Лобач, А. П. Ли-софенко, В. П. Юрьев, Н. А. Усова ; Новосиб. гос. техн. ун-т ; рук. В. А. Гридчин. - Новосибирск, 2006. - 106 с.

5. Сергеев, В. С. Напряжения и деформации в элементах микросхем / В. С. Сергеев, О. А. Кузнецов, Н. П. Захаров, В. А. Летагин. - М. : Радио и связь, 1987. - 88 с.

6. Концевой, Ю. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур / Ю. А. Концевой, Ю. М. Литвинов, Э. А. Фаттахов. - М. : Радио и связь, 1982. -

7. Палатник, Л. С. Материаловедение в микроэлектронике / Л. С. Палатник, В. К. Сорокин. - М. : Энергия, 1978. - 280 с.

8. Пат. 2310176 Российская Федерация. Полупроводниковый преобразователь давления / Баринов И. Н., Козин С. А., Цибизов П. Н.

Список литературы

24Q с.

Баринов Илья Николаевич

кандидат технических наук, начальник отдела,

Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: mzungu@inbox.ru

Barinov Il'ya Nikolaevich

candidate of technical sciences, head of department,

Research Institute of Physical Measurements

Волков Вадим Сергеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: distorsion@rambler.ru

Volkov Vadim Sergeevich

candidate of technical sciences, senior stuff scientist,

Research Institute of Physical Measurements

УДК 621.3.032 Баринов, И. Н.

Использование тензорезисторов меза-типа в датчиках давления для систем управления и контроля I И. Н. Баринов, В. С. Волков 11 Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. -№ 1(3). - С. 9-15.