CC BY
87
УДК 621.3.032
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКООМНЫХ КРМЕНИЕВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЙ
Баринов И.Н., к.т.н., Волков В.С., к.т.н.,
Пензенский государственный университет
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российский ученых-кандидатов наук МК-472.2011.8.
Проанализированы причины возникновения долговременного дрейфа в чувствительных элементах датчиков давлений и предложены методы по его исключению. Рассмотрена конструкция датчика давления на основе КНД-структуры с тензорези-сторами из монокристаллического кремния с высоким удельным сопротивлением. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ДОЛГОВРЕМЕННЫЙ ДРЕЙФ, ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, КНД-СТРУКТУРА, МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ
The causes of long-term drift of sensitive elements of pressure sensors are analyzed and methods for its elimination are proposed. The design of the pressure sensor based on the SOI structure with a high resistive strain gauge of monocrystalline silicon are proposed. KEYWORDS: LONG-TERM DRIFT, PRESSURE SENSOR, SOI-STRUCTURE, MONOCRYSTALLINE SILICON
На объектах авиационной и ракетно-космической техники контроль давления составляет половину всех измерений. К датчикам давлений, устанавливаемым на авиационных, ракетно-космических и автомобильных двигателях, 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.
С развитием «интеллектуализации» средств измерений на первый план выходит проблема обеспечения стабильности датчиков, и в первую очередь - преобразователей. Всю совокупность погрешностей, возникающих при эксплуатации датчиков
давлений, возможно частично или даже полностью исключить 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 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. 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 Pmax 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.
В чувствительных элементах (ЧЭ) полупроводниковых датчиков давлений (ПДД) 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]. 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.
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.
Рассмотрим базовую конструкцию ЧЭ ПДД, построенную на основе КНД-структуры с тензорезисторами из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением не менее 20 Ом-см. При таком сопротивлении концентрация легирующих примесей не превышает значение 10 см , 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 p-n перехода на стабильность метрологических характеристик ПДД. Следует отметить, что при использовании в составе ЧЭ тензорезисторов из нелегированного монокремния при концентрации легирующей примеси, не превышающей 10 см" , сопротивление тензорезисторов будет иметь значение в пределах единиц МОм, тогда как традиционные ЧЭ ПДД содержат тензорезисторы с сопротивлением на 3 порядка менее (до единиц кОм). Тем не менее, данное отличие не является лимитирующим фактором при изготовлении ЧЭ ПДД, так при напряжении питания 6 В значение выходного сигнала составит порядка 120 мВ, что является приемлемым значением для ПДД. Для уменьшения влияния выходного сопротивления моста на схему обработки измерительного сигнала достаточно использовать усилители с входными каскадами на полевых транзисторах, имеющие входное сопротивление порядка 1 ГОм, например, КР574УД2А.
Для тензорезисторов из нелегированного кремния температурного коэффициента сопротивления (ТКС) составляет значение порядка 0,8 %/°С, тогда как для ле-
гированных тензорезисторов он не превышает 0,2 %/°С. По результатам многолетних испытаний датчиков давлений, проводимых в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза), экспериментально установлено, что вариация ТКС легированных тензорезисторов в пределах одного ЧЭ (например, представленного на рисунке 1) имеет значение порядка ±0,005 %/°С, то есть ±2,5 %. В то же время при использовании ЧЭ с нелегированными тензорезисторами вариация ТКС в пределах одного ЧЭ имеет значение порядка ±0,0005 %/°С, то есть ±0,06 %.
Рассморим схему полного тензорезистивного моста с начальным сопротивлением тензорезисторов, выполненных из нелегированного монокристаллического кремния с удельным сопротивлением не менее 20 Ом-см, R1=R2=R3=R4=1 МОм, с максимальным температурным коэффициентом сопротивления 0,8 %/°С при его вариации в пределах одного ЧЭ не более 0,0005 %/°С (5-10"5 °С-1). Тензорезисторы на ЧЭ расположены таким образом, что приращение сопротивления AR для тензорезисторов R1 и R4 является положительным, а для R2 и R3 отрицательным. Изменение сопротивления тензорезисторов под действием максимального давления получено по данным многолетних испытаний датчиков давлений, проводимых в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) и составляет ±2 % от начального значения (на рисунке значения сопротивлений тензорезисторов указаны для максимального давления).
В работе [10] показано, что температурная зависимость полупроводниковых тензорезисторов является линейной только в диапазоне температур, не превышающем несколько десятков градусов Цельсия. Для более широких температурных диапазонов отсутствует аналитическое описание температурной зависимости сопротивления R(T), что затрудняет применение известных методов температурной компенсации выходного сигнала ЧЭ. Кроме того, зависимость R(T) в диапазоне от 100 до 600 °С является нелинейной. Поэтому представляется целесообразным описывать зависимость R(T) полиномом 2-го порядка:
R(T) = ад + YlT + Y2T2), (1)
где Y1 и у2 - ТКС первого и второго порядка соответственно, T - температура, °С. Значения ТКС первого и второго порядка могут быть определены по экспериментальным данным, полученным при измерении сопротивления нелегированных тензорезисторов при различных значениях температуры методом наименьших квадратов [11]. По известной зависимости R(T) может быть осуществлена компенсация
температурной погрешности выходного сигнала датчика применением микропроцессорных средств обработки измерительных сигналов [12].
Исходя из результатов исследований ведущих зарубежных производителей [13], были получены значения у2, не превышающие 0,0000051, что сравнимо с разбросом ТКС первого порядка, получаемым при изготовлении ЧЭ на отечественных предприятиях. Очевидно, что вклад в изменение сопротивления R(T) квадратичной составляющей выражения (1) не превышает 25 % от значения сопротивления тензоре-зистора при максимальной температуре.
На рисунке 6 приведены результаты имитационного моделирования в программе MicroCap зависимости выходного сигнала ЧЭ от температуры при максимальном давлении для случаев линейной и квадратичной аппроксимации.
Анализ данных рисунка 6 показывает, что при соблюдении параметров технологического процесса, обеспечивающих требуемую вариацию ТКС в пределах 0,0005 %/°С, целесообразно ограничиться учетом только ТКС первого порядка и линейной температурной зависимостью сопротивления тензорезистора.
На основании результатов моделирования рассчитаем значения коэффициентов функции влияния а (температурный коэффициент ухода чувствительности) и b (температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала).
Значение температурного коэффициента ухода чувствительности а проведем по формуле [11]:
__ і аёп(600°С) iaen(-50°C) і ґ\Г\ О/
La _ * 1 00 /0 ,
і аёп(25°С)
где Цмакс(б00 °С), Цмакс(-50 °С), Цмакс(25 °С) - значения максимального выходного сигнала при температурах 600 °С, минус 100 °С, 25 °С соответственно;
DT=600 °С-(-50 °С)=650 °С.
Значение температурного коэффициента ухода начального выходного сигнала b проведем по формуле [11]:
b= U0(600° С) - U0(-50°С) *100 <%
Р U *DT %’
і аёп(25° С)
где U0(600 °С), U0(-50 °С), - значения начального выходного сигнала при температурах 600 °С и минус 100 °С соответственно.
По результатам расчетов а=-0,00116 %/°С, в=-0,00117 %/°С, что не превышает значений соответственно ±0,05 %/°С и ±0,02 %/°С, которые определены по данным многолетних испытаний для датчиков давлений в изделиях авиационной и ракетнокосмической техники, разрабатываемых ОАО «НИИФИ» (г. Пенза).
Таким образом, изготовление тензорезисторов ЧЭ из нелегированного монокремния с удельным сопротивлением не менее 20 Ом- см позволяет повысить долговременную стабильность ПДД, в том числе высокотемпературных, с сохранением их основных метрологических характеристик, работоспособных до 600 °С, когда наступает термомеханическая и пластическая деформации кремния.
ЛИТЕРАТУРА
1 Новицкий П.В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений.-2-е изд., перераб. и доп.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.-304 с.: ил.
2 М.И. Горлов, В.А. Емельянов, А.В. Строгонов. Геронтология кремниевых интегральных схем. М.: Наука, 2004. - 240 с.
10 Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросистем: Учеб. пособие. В 2 ч. Ч.1.-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.-416 с.
11 ОСТ 92-4279-80. Преобразователи измерительные. Методы определения метрологических характеристик.
12 Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления / Приборы .-2009.-№12.
13 R. Okojie, G. Beheim, G. Saad and E. Savrun, Characteristics of a Hermetic 6H-SIC pressure sensor at 600°C, In Proc. of the AIAA Space 2001 Conference and Exposition, Albuquerque, NM, August 28-30, 2001, pp. 1-8
Сведения об авторах
Баринов Илья Николаевич -докторант кафедры «Информационно-измерительная техника», к.т.н.
тел. +79085280636 e-mail: mzungu@inbox.ru
Волков Вадим Сергеевич - доцент кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета, к.т.н.
