CC BY
131
УДК 621.3.032
И. Н. Баринов, В. С. Волков, С. П. Евдокимов, Д. А. Кудрявцева
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКООМНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
I. N. Barinov, V. S. Volkov, S. P. Evdokimov, D. A. Kudryavtseva
USE OF SILICON HIGH-RESISTANCE STRAIN GAGES TO IMPROVE LONG-TERM STABILITY OF PRESSURE SENSORS FORMONITORING AND CONTROL SYSTEM
Аннотация. Показаны причины возникновения временной нестабильности в чувствительных элементах датчиков давлений и предложены методы по ее уменьшению. Предложена конструкция чувствительного элемента датчика давления, основанная на использовании высокоомных монокремниевых тензорезисторов. Проанализированы результаты моделирования схемы температурной компенсации, содержащей высокоомный терморезистор.
Abstract. The causes of pressure sensor elements long-term unstability are showed. The long-term unstability reduction methods are proposed. the design of a pressure sensor based on the use of high-resistivity silicon strain gauges is proposed. The results of simulation the temperature compensation circuit comprising a high resistance thermistor are analyzed.
Ключевые слова: высокотемпературный датчик давления, временная стабильность параметров, дефекты полупроводника, КНД-структура, высокоомный кремний.
Key words: high temperature pressure sensor, long-term stability, semiconductor defects, SOI-structure, high-resistance silicon.
Измерение давления составляет значительную часть измерений, проводящихся на объектах современной техники. К современным датчикам давлений, подвергающихся на различных этапах отработки и эксплуатации воздействию температур до 500... 600 °С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех, предъявляются высокие метрологические и эксплуатационные требования. Для соответствия таким высоким требованиям необходимо совершенствовать существующие средства измерения, к которым относятся высокотемпературные полупроводниковые датчики давлений (ВПДД).
Всю совокупность погрешностей, возникающих при эксплуатации датчиков давлений, возможно частично или даже полностью компенсировать процессорной обработкой выходного сигнала во всем температурном диапазоне эксплуатации. Исключения составляют так называемые прогрессирующие, или дрейфовые, погрешности - непредсказуемые погрешности, медленно изменяющиеся во времени. Их особенностью является то, что они могут быть
Введение
скорректированы введением поправки лишь в данный момент времени, а далее вновь непредсказуемо возрастают. Поэтому в отличие от систематических погрешностей, которые могут быть скорректированы поправкой, найденной один раз на весь срок службы датчика, прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции и тем более частой, чем меньше должно быть их остаточное значение. Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что их изменение во времени представляет собой нестационарный случайный процесс и поэтому в рамках хорошо разработанной теории стационарных случайных процессов они могут быть описаны лишь с оговорками [1]. В связи с этим на первый план выступает задача снижения именно данного вида погрешностей для достижения высоких метрологических характеристик, отвечающих требованиям авиационной и ракетно-космической техники. При этом долговременный дрейф, напрямую зависящий от прогрессирующих погрешностей, должен быть не более 0,1 % от Ртах в год.
Учитывая непредсказуемость корреляции прогрессирующих погрешностей от времени, единственным методом исключения или уменьшения данного вида погрешностей является создание стабильных преобразователей датчиков давлений на этапе разработки их конструктивно-технологических решений.
Анализ причин временной нестабильности ЧЭ ВПДД
В чувствительных элементах (ЧЭ) ВПДД основным компонентом, привносящим долговременный дрейф, являются легированные участки микромеханических кремниевых систем, в качестве которых могут выступать тензорезисторы, тонкие мембраны, балки, кантилеверы и др., созданные методами диффузии и ионной имплантации. Во внутренней структуре таких участков существует большое количество дефектов, являющихся причиной деградации характеристик полупроводника, а значит и ЧЭ в целом, из-за наличия объемной диффузии в условиях и режимах эксплуатации ЧЭ.
Практика показала, что отказы одних и тех же ЧЭ, обусловленные процессами объемной диффузии, проявляются как в ранние периоды времени, так и по истечении десятка тысяч часов эксплуатации [2, 3]. Причем в одном и том же ЧЭ часть однотипных элементов конструкции подвержена отказам из-за объемной диффузии, в то время как у остальных элементов могут не проявляться деградационные процессы. Это свидетельствует о том, что для начала развития деградационных изменений в элементах ЧЭ, связанных с объемной диффузией, необходимо наличие ускоряющих факторов, связанных как с внутренним состоянием структуры, так и с внешними воздействиями.
Теоретически можно предположить, что с течением времени будет наблюдаться деградация параметров, обусловленная расплыванием концентрационных профилей за счет диффузии. Согласно современным представлениям основным ускоряющим фактором для объемной диффузии выступает повышенная температура эксплуатации ЧЭ, когда значительно возрастает подвижность дефектов.
Кроме того, в качестве таких факторов могут выступать коллективные и локальные дефекты структуры, дислокации, дислокационные сетки, дефекты упаковки, присутствие примесей, электрические и объемные силы, обусловленные механическими деформациями. Наибольшее влияние на долговечность ЧЭ оказывают дефекты упаковки и дислокации в связи с их большой протяженностью и способностью двигаться и размножаться, а также порождать новые дефекты. Образовавшиеся дислокации служат источниками ускоренной диффузии примеси в нормальных условиях работы ЧЭ [2].
Внутренние дислокации возникают при диффузии легирующих элементов, например, таких как фосфор и бор, из источников с высокой концентрацией примесей. Так, для возникновения сетки дислокаций необходимы критическая поверхностная концентрация атомов диффузионного слоя фосфора Ыпов ~ 5-1020 см-2 и полная концентрация атомов фосфора (2...6)-1016 см-3. При этом диффузионный слой создает напряжения при 1100...1200 °С, приблизительно равные 10 МПа [4]. При локальной диффузии бора сетки дислокаций образуются
19 2 20 2
при Л^пов > (2.3)-10 см- , тогда как при сплошной диффузии - при ^пов >1-10 см- , а плотность дислокаций в диффузионных окнах примерно на порядок превышает плотность дислокаций при сплошной диффузии [4].
Несмотря на большое количество публикаций, посвященных дефектам в структурах, механизм их образования и развития в зависимости от методов легирования и условий эксплуатации до сих пор до конца не исследован [2]. Но можно утверждать, что наиболее перспективным методом устранения таких дефектов, а значит и уменьшения дрейфа, является либо полное исключение легированных участков, либо значительное снижение уровня легирования материала.
Кроме легированных участков микромеханических кремниевых систем, другой причиной, привносящей долговременный дрейф в ЧЭ ВПДД, является наличие р-п-перехода между тензо- и терморезисторами и подложкой, что обуславливает локальные упругие напряжения, которые релаксируют как во времени, так и в условиях изменения параметров окружающей среды; высокие токи утечки через р-п-переход; невозможность функционирования ЧЭ при температуре свыше 120 °С и др.
Конструктивные способы повышения временной стабильности
Исключить наличие р-п-перехода возможно с помощью использования в ЧЭ ВПДД структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) (рис. 1), обладающей неоспоримыми преимуществами по сравнению с объемным кремнием [5].
Рис. 1. Структура ЧЭ ВПДД на КНД-структуре:
1 - кремниевая подложка; 2 - изоляционный слой; 3 - тензорезисторы из монокристаллического кремния; 4 - контактная металлизация
Рассмотрим базовую конструкцию ЧЭ ВПДД, построенную на основе КНД-структуры с тензорезисторами из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением не менее 20 Омсм. При таком сопротивлении концентрация легирующих примесей не превышает значения 1015 см-3, что значительно снижает вероятность образования и развития дефектов, а значит и долговременный дрейф, так как при данной концентрации не происходит генерирование дислокаций под действием возникающих напряжений [2], а наличие КНД-структуры исключает негативное влияние /»-«-перехода на стабильность метрологических характеристик ВПДД.
Следует отметить, что при использовании в составе ЧЭ тензорезисторов из нелегированного монокремния при концентрации легирующей примеси, не превышающей 1015 см-3, сопротивление тензорезисторов будет иметь значение в пределах единиц мегаом, тогда как традиционные ЧЭ ВПДД содержат тензорезисторы с сопротивлением на три порядка менее (до единиц килоом).
На рис. 2 приведены зависимости температурного коэффициента сопротивления (ТКС) кремния п- и р-типа проводимостей от удельного сопротивления [6], на рис. 3 - зависимости удельного сопротивления кремния от концентрации легирующих элементов: фосфора (кривая Р) и бора (кривая В) [7].
Рис. 2. Зависимости температурного коэффициента сопротивления кремния «- и р-типа проводимостей
от удельного сопротивления
Рис. 3. Зависимости удельного сопротивления кремния от концентрации легирующих элементов:
фосфора (кривая Р) и бора (кривая В)
Из анализа кривых на рис. 2, 3 видно, что для тензорезисторов из нелегированного кремния ТКС составляет значение порядка 0,8 %/°С, тогда как для легированных тензорезисторов он не превышает 0,2 %/°С. Последнее объясняется тем, что при формировании тензорезисторов из нелегированного кремния основным компонентом, привносящим рассогласование значений ТКС в пределах одного ЧЭ, является наличие так называемых «ростовых» дефектов в кристаллической решетке кремния, сформированной на стадии выращивания слитка, максимальное значение которых составляет 102 см-2 (как для кремния, полученного методом Чохральского, так и для отсеченного слоя кремния в случае использования технологии Smart Cut™) [2, 8-10]. К «ростовым» дефектам относятся дислокации и дислокационные петли, линии скольжения, двойники, дефекты упаковки, кластеры (скопления вакансий), микропреципитаты примесей, микровключения легирующих примесей.
Кроме того, дополнительным источником дефектов являются внутренние структурные и межфазные механические напряжения, обусловленные проведением операции травления функционального слоя по формированию тензорезисторов, а также проведением операции химикомеханической полировки на этапе изготовления КНД-структуры по технологии Smart Cut™.
В то же время относительно большое значение вариация ТКС тензорезисторов из легированного кремния в пределах одного ЧЭ обусловлено, помимо «ростовых» дефектов, описанных ранее, так называемыми «технологически вносимыми» дефектами, возникающими в кристаллической решетке кремния в случае проведения операций по формированию тензоре-
20X4, N0,1 (7)
Я(Р, Т) = Я„(1 + о^ДТ )(1 ± ко(1 + уДТ) е),
(1)
где Я0 - номинал тензорезистора при нормальной температуре; ах - ТКС [1/°С]; к0 - коэффициент тензочувствительности при нормальной температуре; е - относительная деформация тензорезистора; у - ТКЧ [1/°С]; ДТ - диапазон изменения рабочей температуры ВПДД.
Знак «+» соответствует тензорезисторам и Я4, а знак «-» - тензорезисторам Я2 и Я3
в выражении (2), описывающем выходной сигнал мостовой схемы:
= ип
Яі ЯА ^2 Я3
(Я1 + Я2) ■ (Я3 + Я4)
(2)
Далее исследуем характеристики мостовой измерительной схемы путем имитационного моделирования в программе МаШСа^
На рис. 4 показан выходной сигнал мостовой схемы при максимальном входном давлении, моделированной для номиналов резисторов Я0 = 1 МОм, напряжения питания 1 В и температурного диапазона АТ = 300 °С. Значение деформации є = 0,0005.
зистивных слоев (тензорезисторов) (окисление, легирование, высокотемпературная диффузия, отжиг и т.д.) [2]. Данные дефекты возникают:
- при термическом окислении кремния: дефекты упаковки, колонии преципитатов быстродиффундирующих примесей, кластеры точечных дефектов;
- при диффузии возникают дефекты, инициируемые внутренними (сетки дислокаций несоответствия, дефекты упаковки, включения легирующего элемента) и внешними (дислокации и линии скольжения) напряжениями, граничные дислокации, обусловленные скачком напряжений на границе раздела «диффузионная область - внедиффузионная область», и дефекты, связанные с исходным кремнием и проведением процесса диффузии.
В результате в тензорезисторах из легированного кремния происходит образование множества дефектов, влияющих как на вариацию ТКС тензорезисторов в пределах одного ЧЭ (что приводит к необходимости расчета индивидуальной схемы термокомпенсации для каждого ЧЭ), так и на временную стабильность ЧЭ и датчика в целом.
Таким образом, при использовании тензорезисторов они располагаются на ЧЭ и объединяются в полную мостовую схему, при этом тензорезисторы из нелегированного кремния р-типа характеризуются следующими параметрами: удельное сопротивление не менее 20 Омсм, номинальное сопротивление тензорезисторов не менее 1 МОм, ТКС порядка
0,8 %/°С, температурный коэффициент тензочувствительности (ТКЧ) порядка 0,4 %/°С, коэффициент тензочувствительности при нормальной температуре к = 150 [11-14].
Моделирование и анализ температурной зависимости выходного сигнала ЧЭ с высокоомными тензорезисторами
Зависимость сопротивления тензорезистора от температуры и деформации вследствие измеряемого давления может быть представлена в следующем виде (линейное приближение) [15]:
Рис. 4. Выходной сигнал мостовой схемы при максимальном давлении в заданном диапазоне температур ВПДД
Результаты моделирования показывают, что значение выходного сигнала составляет 75 мВ и в заданном температурном диапазоне линейно возрастает до 165 мВ, т.е. более чем в 2 раза. Это связано с высоким значением ТКС и ТКЧ тензорезисторов, что является единственным серьезным недостатком нелегированного монокремния как материала тензорези-сторов.
Простейшим способом компенсации температурной зависимости является включение во входную или выходную диагональ моста терморезистора. Рассмотрим включение в выходную диагональ моста делителя напряжения, состоящего из терморезистора и Я1 и постоянного резистора Яд. В этом случае выходной сигнал будет описываться выражением
иВых1 = и
Я1Я4 Я2 Я3
Яд
п (я + Я2) ■ (Я3 + Я4) я(дт) + яд
(3)
где Я (ДТ) = Я 0(1 + Р-ДТ). Для сохранения временной стабильности ВПДД терморезистор целесообразно изготавливать также из нелегированного кремния, тогда его номинал Яю принимается равным также 1 МОм, а ТКС терморезистора в равен ТКС тензорезисторов а и составляет 0,8 %/°С.
Тогда для определения значения сопротивления Яд необходимо продифференцировать выражение (3) по температуре и приравнять к 0 (условие нечувствительности схемы к изменению температуры). Из этого условия значение сопротивления Яд будет определяться формулой
Яд =
Я0(а-у)
У
(4)
Для заданных значений моделируемой схемы значение Яд составит 3-10 Ом. Выходной сигнал схемы при максимальном давлении при включении термокомпенсационной схемы показан на рис. 5. Значение выходного сигнала составляет 56 мВ во всем диапазоне температур. Недостатком такого способа компенсации является снижение выходного сигнала, но в данном случае оно составляет не более 25 %, и значение выходного сигнала является типичным для полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления.
Рис. 5. Выходной сигнал мостовой схемы при максимальном давлении в заданном диапазоне температур ВПДД при включении схемы температурной компенсации
При проектировании ВПДД необходимо учесть технологический разброс параметров тензорезисторов (в первую очередь номиналов и ТКС). Примем, что разброс при изготовлении не превышает 1 %. Смоделируем худший случай, при котором номинал и ТКС резисторов Я1 и Я4 увеличивается, а номинал и ТКС резисторов Я2 и Я3 уменьшается, вызывая появление на
выходе измерительной схемы максимального напряжения температурной погрешности. Результат моделирования представлен на рис. 6. (сплошная линия - схема без термокомпенсации, пунктир - схема с термокомпенсацией).
£/еьіХї 0.14 £Лых1; ^
0.12
0.1
I
0.08
°'060 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 &Т, °С
Рис. 6. Моделирование мостовой схемы при максимальном давлении с подключенной схемой термокомпенсации с учетом технологического разброса параметров тензорезисторов
Выходной сигнал схемы без термокомпенсации возрастает при изменении температуры от 85 до 138 мВ, что составляет 62 %, или 0,2 %/°С. Сигнал схемы с термокомпенсацией меняется от 63 до 66 мВ, что составляет 4,8 %, или 0,016 %/°С. Выходной сигнал схемы с термокомпенсацией показан на рис. 7.
Необходимо отметить, что технологический разброс параметров резисторов при изготовлении вызывает появление погрешности начального выходного сигнала. На рис. 8 показаны результаты моделирования схемы без термокомпенсации и с термокомпенсацией с учетом разброса параметров резисторов, равного 1 % (сплошная линия - схема без термокомпенсации, пунктир - схема с термокомпенсацией).
£-ьыхЬ В 0,066
.0655 0.065
.0645 —7—
0.064 Г
.0635------------------------------------------------------------ АТ °С
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 :
Рис. 7. Выходной сигнал мостовой схемы при максимальном давлении с учетом технологического разброса параметров тензорезисторов
Из рис. 7 видно, что выходной сигнал, вызванный начальным разбалансом мостовой схемы, в случае применения термокомпенсации меньше на величину порядка 25 %, чем выходной сигнал схемы без термокомпенсации, кроме того, его максимальное изменение не превышает 30 %, или 0,095 %/°С. Сигнал схемы без термокомпенсации изменятся на 80 %, или на 0,27 %/°С.
О 30 60 90 120 ISO 180 210 240 270 300
Рис. 8. Выходной сигнал при отсутствии давления Заключение
Изготовление тензорезисторов ЧЭ из нелегированного монокремния с удельным сопротивлением не менее 20 Омсм позволяет повысить долговременную стабильность ВПДД, с сохранением их основных метрологических характеристик в диапазоне температур до 300 °С. Применение известных схем термокомпенсации позволяет на порядок снизить температурную погрешность начального выходного сигнала и чувствительности при технологическом разбросе параметров тензорезисторов, равном 1 %. Задачами дальнейшего исследования являются повышение чувствительности схемы и анализ возможности применения высокоомных кремниевых тензорезисторов при учете нелинейной температурной зависимости номинального сопротивления.
Список литературы
1. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений / П. В. Новицкий,
И. А. Зограф. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Энергоатомиздат, Ленингр. отд-е, 1991. -304 с.
2. Горлов, М. И. Геронтология кремниевых интегральных схем / М. И. Горлов, В. А. Емельянов, А. В. Строгонов. - М. : Наука, 2004. - 240 с.
3. Баринов, И. Н. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Приборы. - 2010. -№ 3. - С. 9-15.
4. Концевой, Ю. А. Дефекты кремниевых структур и приборов. Ч. 2. Основные технологические операции / Ю. А. Концевой, Д. К. Филатов // Электронная техника : справочные материалы. - М., 1987. - 205 с.
5. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе в микро-, наноэлектронике и микросистемной технике / А. Л. Асеев, В. П. Попов, В. П. Володин, В. Н. Марютин // Микросистемная техника. - 2002. - № 9. - С. 40-46.
6. Bao, M. H. Analysis and design of a four-terminal silicon pressure sensor at the center of diaphragm / M. H. Bao, Y. Wang // Sensors and actuators: A. - 1987. - Vol. 12. - P. 49-56.
7. Kanda, Y. Optimum design considerations for silicon pressure sensor using a four-terminal gauge / Y. Kanda // Sensors and actuators. - 1983. - Vol. 4. - P. 199-206.
8. URL: http://prokopep.narod.ru
9. ГОСТ 19658-81. Кремний монокристаллический в слитках.
10. URL: www.soitec.com
11. Баринов, И. Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления / И. Н. Баринов // Приборы. - 2009. - № 4. -С. 47-51.
12. Баринов, И. Н. Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» / И. Н. Баринов // Технологии приборостроения. - 2006. - № 4. - С. 28-33.
13. Баринов, И. Н. Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» : дис. ... канд. техн. наук : 05.11.14 / Баринов И. Н. - Пенза, 2005. - 212 с.
14. Баринов, И. Н. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - № 8. - С. 51-55.
15. Волков, В. С. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления / В. С. Волков, И. Н. Баринов // Приборы. - 2009. - № 12. - С. 20-25.
Баринов Илья Николаевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: mzungu@inbox.ru
Волков Вадим Сергеевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения,
Пензенский государственный университет E-mail: distorsion@rambler.ru
Евдокимов Сергей Павлович
соискатель,
Пензенский государственный университет E-mail: mzungu@inbox.ru
Кудрявцева Дарья Александровна
соискатель,
Пензенский государственный университет E-mail: mzungu@inbox.ru
Barinov Ilya Nikolaevich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of information and measuring equipment,
Penza State University
Volkov Vadim Sergeevich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of instrument making,
Penza State University
Evdokimov Sergey Pavlovich
applicant,
Penza State University
Kudryavtseva Daria Alekandrovna
applicant,
Penza State University
УДК 621.3.032
Использование высокоомных кремниевых тензорезисторов для повышения временной стабильности датчиков давления в системах управления и контроля | И. Н. Баринов, В. С. Волков, С. П. Евдокимов, Д. А. Кудрявцева || Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. -№ 1 (7). - С. 65-73.
