CC BY
314Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления
на основе КНД-структуры
Илья БАРИНОВ, к. т. н.
Представлены конструкции некоторых датчиков давления, а также их полупроводниковых чувствительных элементов, выполненных на основе структуры «кремний-на-диэлектрике».
Давление — одна из самых важных измеряемых переменных в системах управления, промышленности, биомедицинских исследованиях, поэтому датчики давления — наиболее широко используемые первичные преобразователи физических величин. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемых таких датчиков. В гидравлических, тепловых, ядерных и других установках необходим непрерывный контроль давления для обеспечения нормального режима работы, не говоря уже о возникновении чрезвычайных ситуаций.
В настоящее время существует большое разнообразие аппаратуры на основе датчиков, которое объясняется тем, что понятие «давление» охватывает протяженную область значений — от сверхвысокого вакуума до сверхвысоких избыточных давлений, не считая того, что измерения давления можно проводить в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны. В конструкциях датчиков
давления используются различные типы чувствительных элементов, однако одним из самых распространенных является тот, что построен на основе полупроводниковых технологий, а конкретно — тензорезистивного эффекта. В полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие р-п-переходов не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 120 °С и иметь стабильные во времени параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисто-ров и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочувстви-тельности поликремния средства измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-сапфире» (КНС) к недостаткам относятся трудность профилирования сапфира, различие кристаллических решеток
кремния и сапфира, невозможность применения групповой технологии изготовления ПЧЭ и высокая стоимость сапфира. Все это снижает метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков давлений. В то же время применение в ПЧЭ структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) обеспечивает работоспособность средств измерений давлений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение, электромагнитные поля и токи источников естественного и искусственного происхождения и т. д.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.
В данной статье рассматриваются конструкции некоторых датчиков давлений и ПЧЭ датчиков, выполненных на основе КНД-структуры.
Конструктивной особенностью ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре является то, что тензорезистивная мостовая измерительная схема, а также другие элементы, входящие в состав ЧЭ (терморезистор(ы), транзистор^) и др.), изолированы от подложки слоем, в качестве которого чаще всего выступает термически выращенная двуокись кремния (8Ю2) (рис. 1) [1].
В настоящее время в нашей стране практически отсутствуют разработки датчиков давления по отмеченному решению. Исследование, разработка и освоение перспективных базовых технических решений по созданию унифицированных ПЧЭ интегральных датчиков давления на основе КНД-структуры позволит достичь, а по некоторым показателям — превысить уровень качества измерений, имеющийся у датчиков давления зарубежных фирм.
На основе КНД-структуры можно получать датчики давления со следующими обобщенными характеристиками:
• диапазон измерений — от 0,01 до 100 МПа;
• выходной сигнал при максимальном давлении — не менее 50 мВ;
Рис. 2. Конструкция датчика абсолютного давления: 1 — металлическая мембрана; 2 — стеклянная пластина;
3 — ПЧЗ на КНД-структуре; 4 — корпус; 5 — штуцер; 6 — золотые проводники; 7 — контактная колодка; 8 — трубка; 9 — кожух; 10 — плата; 11 — резисторы типа С2-36; 12 — клей ВК-9; 13 — провод МС 16-15; 14 — жидкость ПМС-10; 15 — плетенка ПМП; 16 — керамический вкладыш
• основная погрешность — не более ±0,2% от максимального давления;
• температурное смещение начального выходного сигнала и изменение чувствительности — не более 0,02%/°С;
• сопротивление изоляции всех элементов схемы от корпуса — 100 МОм при напряжении 600 В;
• рабочий диапазон температур — от минус 100 до 500 °С;
• долговременный дрейф от Ртах — не более 0,01% в год при условии применения ограниченной номенклатуры отечественных электрорадиоизделий особой категории качества.
Одним из этапов в рассматриваемом направлении является разработка полупроводникового датчика абсолютного давления, конструкция которого представлена на рис. 2.
Данная конструкция обеспечивает измерение абсолютного медленно меняющегося давления жидких и газообразных агрессивных и неагрессивных сред. Датчик давления имеет широкую область применения: в промышленном производстве, авиации и космонавтике, а также в оборонной отрасли.
Основной узел датчика — это измерительный модуль, который состоит из ПЧЭ на КНД-структуре (3), соединенный электростатическим способом со стеклянной пластиной (2) в вакууме. Внутри модуля между ПЧЭ и стеклянной пластиной находится вакууми-рованная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений. Модуль с помощью эпоксидного клея ВК-9 жестко крепится на контактной колодке (7). Металлическая мембрана (1) приварена к корпусу (4) аргонодуговой сваркой и обеспечивает герметичность датчика со стороны измеряемой среды и работоспособность в агрессивных средах. Соединение контактных площадок тензомо-ста ПЧЭ (3) с контактами колодки (7) осуществляется золотыми проводниками Зл999,9 диаметром 0,05 мм, которые развариваются ультразвуковой сваркой на площадки кристалла и контактной сваркой на выводы контактной колодки. Выводы контактной колодки (7) гальванически изолированы от корпуса стеклянными бусами. В контактную колодку (7) впаяна трубка (8), через которую внутренняя полость датчика заполняется несжимаемой силопередающей жидкостью ПМС-10, которая передает давление от металлической мембраны к ПЧЭ. После заполнения жидкостью трубка (8) обжимается и заваривается. На выводы контактной колодки (7) установлена плата (10) с резисторами для балансировки и термокомпенсации, которые изолированы от окружающей среды с помощью кожуха (9) и клея ВК-9 с двуокисью циркония (12). Датчик заканчивается гибкими выводами из провода МС 16-15 1x0,08, которые распаиваются на плату (10). Провода помещены в плетенку ПМЛ 2x4 (15). Плетенка электрически соединена с кожухом (9). К объекту измерения датчик присоединяется сваркой при по-
мощи штуцера (5) из стали 12Х18Н10Т, который присоединен к корпусу датчика с помощью резьбы и аргонодуговой сварки.
На рабочей части измерительного модуля сформированы тензорезисторы с удельным поверхностным сопротивлением р = 50 Ом-м, объединенные в мостовую измерительную схему. Сопротивление тензорезисторов — 500 ±75 Ом. На периферийной части модуля методом ионной имплантации сформирован терморезистор И5 с поверхностным сопро-
тивлением р = 1000 Ом-м для температурной компенсации чувствительности. Сопротивление терморезистора составляет значение от 5 до 7 кОм. Тензорезисторы и терморезистор изолированы от кремниевой подложки слоем двуокиси кремния толщиной от 0,5 до 1,2 мкм (рис. 3).
Еще одним этапом по разработке базовых технических решений интегральных датчиков давления на основе КНД-структуры является создание датчика избыточного давле-
Рис. 4. Конструкция датчика избыточного давления:
1 — ПЧЭ; 2, 3 — корпус; 4, 7, 8 — трубка; 5 — плата; 6 — кожух; 9 — кольцо; 10 — вилка; 11 — крышка
ния с гальваноразвязанным от измеряемой среды ПЧЭ, содержащим встроенный канал температуры для обеспечения интеллектуальной обработки сигнала вторичными средствами. Конструкция данного датчика представлена на рис. 4.
Основной узел канала давления — это измерительный модуль, состоящий из ПЧЭ на КНД-структуре (1), жестко закрепленный в корпусе (2) из ковара 29НК с помощью си-таллоцемента СЦН 52-1. ПЧЭ выполнен в виде плоской мембраны диаметром 6 мм, представляющей собой монокристалл кремния 1А2км КЭФ4,5/7,5-60 ориентации (100), диаметр рабочей части — 4 мм [2]. Внутри корпуса датчика установлена плата (5) с резисторами С2-36 ОЖО.467.089 ТУ для балансировки и термокомпенсации моста канала давления и мостовой схемы канала температуры, которые изолированы от окружающей среды с помощью кожуха (6) и заливочного материала ВК-9 с двуокисью циркония. Датчик оканчивается разъемом РСГ 19 ТВ. Материал корпуса — 36НХТЮ, материал кожуха— 12Х18Н10Т.
Гальваническая развязка обеспечивается размещением ПЧЭ планарной стороной внутри датчика, когда мостовая измерительная схема и проводники изолированы от внешней среды слоем двуокиси кремния между схемой и кремниевой подложкой (рис. 5).
Кроме того, в случае требования по измерению давления агрессивной среды, на непланарную поверхность ПЧЭ наносятся защитные металлические или керамические слои. По умолчанию непланарная поверхность ПЧЭ покрыта защитным слоем 8Ю2. Гальваническая развязка необходима для некоторых применений, например с целью увеличения стойкости информационно-измерительных систем к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения.
Кроме вышеуказанных вариантов построения ПЧЭ на КНД-структуре, были разрабо-
таны конструкции ПЧЭ с тонкими (до 4 мкм) мембранами на р+-слоях [3]. Конструкция и топология двух таких ПЧЭ представлены на рис. 6 и 7.
Далее остановимся подробнее на конструкции ПЧЭ, представленного на рис. 7.
ПЧЭ содержит монокремниевые тензоре-зисторы И1-И4, расположенные на мембране в областях наибольших поверхностных механических напряжений, а также терморезистор И5, не чувствительный к прилагаемому давлению и служащий для уменьшения температурных погрешностей. С помощью коммутационных дорожек из алюминия все тензорезисторы и терморезистор объединены в измерительную схему, образуя мост Уитстона. На концах коммутационных дорожек сформированы контактные площадки, позволяющие разваривать металлические (золотые) проводники для подачи питания и съема выходного сигнала. Поверхность тен-зорезисторов и терморезистора покрыта защитным слоем двуокиси кремния толщиной 0,4 мкм. За счет наличия данного защитного покрытия, препятствующего проникновению и абсорбции на поверхности тензорези-сторов и терморезистора нежелательных примесей и влаги, содержащихся во внешней среде, повышается временная стабильность их характеристик и уменьшается уровень погрешностей измерений.
Тензорезисторы и терморезистор изолированы от кремниевой подложки слоем двуокиси кремния толщиной 1,6 мкм и высоколегированным бором. Последний имеет одинаковую с высотой тензорезисторов толщину и концентрацию носителей. Данный слой выполняет 2 функции:
• конструкционную — как дополнительную защиту слоя двуокиси кремния и всей мембраны от механического разрушения;
Рис. 5. Размещение ПЧЭ в корпусе Рис. 6. Топология и конструкция ПЧЭ с мембраной на р+-слое без терморезистора
<011>
и
н
Рис. 7. ПЧЭ с мембраной на р+-слое стерморезистором: а) топология и конструкция ПЧЭ; б) внешний вид профилированной мембраны: 1 — мембрана; 2 — утолщенное периферийное основание; 3 — концентраторы механических напряжений
• технологическую — выбор концентрации носителей данного слоя не менее 1х1020 см-3 позволяет методами анизотропного «стоп»-травления формировать тонкие мембраны толщиной 3-4 мкм без разрушения структуры во время выявления профиля. Термически выращенный слой двуокиси кремния толщиной 1,6 мкм выполняет функцию изолятора тензорезисторов и терморезистора друг от друга и от кремниевой подложки.
Мембрана состоит из утолщенного периферийного основания (2) и профиля с концентраторами механических напряжений (3), представляющих собой сочетание утонченных участков и жестких центров (рис. 7б). Данная конструкция профиля уменьшает
массу кремния, расположенного на тонкой части мембраны, и увеличивает жесткость самой мембраны, что влечет за собой увеличение надежности всего преобразователя, повышает линейность выходного сигнала и расширяет диапазон линейного преобразования.
Технология изготовления данного ПЧЭ подробно описана в [4].
Результаты испытаний ПЧЭ датчика избыточного давления представлены в [2].
На основании полученных предварительных результатов можно сделать вывод, что разработанные решения позволят получать датчики давления нового поколения с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. ■
Литература
1. Баринов И. Н. Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике»: дис. канд. техн. наук. Пенза, 2005.
2. Баринов И. Н. Результаты исследования высокотемпературных полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Компоненты и технологии. 2008. № 11.
3. Баринов И. Н. Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» для высокотемпературных датчиков давления // Датчики и системы. 2004. № 12.
4. Патент ИЛ 2284613.
