CC BY
101
УДК 621.3.032 Волков В.С.
ОАО НИИ физических измерений, г. Пенза
СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ НАЧАЛЬНОГО ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА СТРУКТУРЕ «ПОЛИКРЕМНИЙ - ДИЭЛЕКТРИК»
Аннотация. Описано применение структуры «поликремний - диэлектрик» для создания высокотемпературных датчиков абсолютного давления. Предложены конструктивно - технологические решения для снижения температурной зависимости и устранения дрейфа выходного сигнала за счет использования многоэлементной мостовой схемы.
Ключевые слова. СТРУКТУРА «ПОЛИКРЕМНИЙ - ДИЭЛЕКТРИК», ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ, МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ МОСТОВАЯ СХЕМА
Начиная с середины 70-х годов 20 века, внимание разработчиков датчиков привлек поликристаллический кремний как материал для изготовления полупроводниковых тензорезисторов. Поликремний осаждается обычно на пленку двуокиси кремния, которая предварительно создается на поверхности кремниевой пластины, поэтому поликремниевые тензорезисторы работоспособны при значительно более высоких температурах, чем тензорезисторы с изоляцией p-n-переходами. В качестве верхней границы рабочего диапазона температур в литературе указывается 300°С [1].
Современный уровень развития МЭМС - технологий позволяет использовать для изготовления высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления (ВПТДАД) структуру «поликремний - диэлектрик», которая позволяет реализовать преимущество КНД - технологии (изоляция тензорезисторов от подложки слоем двуокиси кремния) и использовать хорошо отработанную технологию изготовления поликремниевых тензорезисторов для повышения рабочего температурного диапазона ВПТДАД до 250 - 300°С. Преимуществами такой структуры являются высокий процент выхода годных элементов, простота и отработанность изготовления поликремниевых тензо-резисторов на слое двуокиси кремния методом эпитаксиального выращивания, низкая себестоимость, приспособленность к крупносерийному производству, широкий диапазон температур. Единственным существенным недостатком структуры «поликремний - диэлектрик» является низкий коэффициент тен-зочувствительности поликремния [1,6].
При проектировании и изготовлении интегральных ВПТДАД помимо повышения чувствительности важной задачей является снижение начального выходного сигнала ВПТДАД, вызванного начальным разбалансом мостовой измерительной схемы вследствие технологического разброса параметров тен-зорезисторов, к которым относятся номинальные значения сопротивлений и ТКС,
Разброс параметров тензорезисторов может достигать 10% в зависимости от применяемой технологии изготовления и технологических режимов, что вызывает появление значительного выходного напряжения мостовой схемы при отсутствии измеряемого давления, а также увеличение начального разбаланса мостовой схемы при повышении температуры.
Снижение начального выходного сигнала ВПТДАД, вызванного начальным разбалансом мостовой схемы, может быть достигнуто за счет оптимальной организации измерительной цепи. В работах [2,3] предложены варианты построения многоэлементных мостовых схем (ММС), которые содержат несколько мостовых схем Уитстона, соединенных между собой определенным образом. Анализ показывает, что характеристики базовой многоэлементной мостовой схемы могут существенно изменяться при изменении проводимости отдельных резисторов. Например, увеличение проводимости резисторов, подсоединенных к узлам, на которые подается напряжение питания, позволяет увеличить тензочувствительность базовой схемы [2,3].
Авторами была разработана ММС, которая содержит три измерительных моста Уитстона, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала, причем узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, и четыре дополнительных тензо-резистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисто-ров в составе мостов Уитстона, включенных в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют измерительный мост второго порядка. Тензорезисторы располагаются на мембране в местах наибольшей деформации таким образом, чтобы под воздействием измеряемого давления тензорезисторы Ri, R4, R5, Rs, R9, R12, получали положительное приращение сопротивления, а тензорезисторы R2, R3, R6, R7, R10, R11, R14, R15 получали такое же по абсолютной величине отрицательное приращение сопротивления. Выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов. Схема питается от общего источника постоянного напряжения.
На рисунке 1 представлен результат моделирования разработанной ММС (1) и обычного моста Уитстона (2) при нулевом давлении в диапазоне температур до 300°С.
На рисунке 2 представлен результат моделирования разработанной ММС (1) и обычного моста Уитстона (2) при максимальном давлении в диапазоне температур до 300°С.
Анализ рисунков 1 и 2 показывает, что применение разработанной ММС существенно снижает начальный разбаланс и чувствительность к изменению температуры измерительной схемы.
Температурная зависимость выходного сигнала определяется посредством коэффициентов функции влияния температуры а (температурный коэффициент ухода чувствительности) и в (температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала) [4,5]. По мере увеличения количества элементов в многоэлементной мостовой схеме происходит уменьшение среднего квадратичного отклонения о, характеризующего влияние разброса параметров на величину начального выходного сигнала схемы [2].
При максимальном разбросе номиналов тензорезисторов равном 10%, и значениях ТКС тензорези-сторов, изменяющихся в диапазоне 0,05 - 0,07 %/°С в результате схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap были получены следующие значения : а = -0,01656%/°С, в = -0,01709%/°С.
Для схемы полного моста Уитстона, характеризующейся аналогичным разбросом параметров, по результатам схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: а = 1,317265%/°С, в = 0,132127 %/°С.
Для схемы полного моста Уитстона с заданным разбросом параметров при питании постоянным напряжением 6 В чувствительность составила 4,6 мВ/В, а для разработанной ММС 22,9 мВ/В. Увеличение чувствительности преобразования обусловлено возрастанием полного тока и перераспределением тока внутри ММС [3].
Применение разработанной ММС позволяет повысить чувствительность по сравнению с обычным мостом Уитстона, снизить начальный разбаланс измерительной схемы и температурный коэффициент чувствительности, что позволяет использовать данную ММС для ПТВДД с улучшенными метрологическими характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.-2008.- №11.- С. 8-13.
2. Драгунов В.П. Анализ характеристик многоэлементных тензопреобразователей // Электронное приборостроение. Новосибирск, НЭТИ. - 1992. - с. 131 - 139.
3. Кобзев Ю.В. Полупроводниковый тензопреобразователь давления, содержащий многократную мостовую схему // Датчики на основе технологии микроэлектроники. Материалы семинара М., 1983. -
с. 168 - 169.
4. ОСТ 92-4279-80. Преобразователи измерительные. Методы определения метрологических характеристик.
5. Баринов И.Н., Федулов А.В., Волков В.С. Высокотемпературные датчики абсолютного давления на структуре "поликремний-диэлектрик" с улучшенными метрологическими характеристиками // Датчики и системы.-2012.-№10.-С. 2-6.
6. Баринов И.Н. Цыпин Б.В. Состояние разработок и тенденции развития высокотемпературных тензорезистивных датчиков давлений на основе карбида кремния // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2010.- №11.-С. 50-60.
7. Юрков, Н.К. Концепция синтеза сложных наукоемких изделий/Н.К. Юрков// Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос.
ун-та, 2012. Том 1, С. 3-6
8. С.И. Торгашин, А.Г. Дмитриенко, И.И. Кочегаров «Информационная модель интеллектуального
датчика» Труды международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» Выпуск 14, Пенза, Изд. ПГТА, 2011 С.77-83
