научная статья по теме КОНСТРУКЦИИ МЕМБРАНЫ НА ПАРАМЕТРЫ ВЫХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВОГО ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «КОНСТРУКЦИИ МЕМБРАНЫ НА ПАРАМЕТРЫ ВЫХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВОГО ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ»

определяется подложкой КДБ-0,1 и располагается, как и у предыдущей структуры, на длине волны 600 нм.

На рис. 4 приведены значения внутреннего квантового выхода полученных структур. Как видно, в коротковолновой части спектра 250...600 нм квантовый выход у всех фотодиодов достаточно высокий (от 90 до 100 %).

Были измерены барьерные емкости полученных фотодиодов при смещении —1 В, которые для подложек КДБ-10, 1КДБ-10/КДБ-0,1 и КДБ-0,1 составили 660; 690 и 1700 пФ соответственно при площади р-п-перехода 7,3 мм2. Фотоприемник, изготовленный на основе эпитаксиальной структуры, имел смещенную в коротковолновую область спектральную характеристику и выгодно отличался меньшим значением барьерной емкости, что должно сказываться на повышении быстродействия прибора.

Таким образом, использование субмикронных легированных слоев обеспечивает кремниевым фотоприемникам высокий квантовый выход в ультрафиолетовой области. Увеличение исходной концентрации примеси в подложке (с 1015 до 1017 см-3) заметно снижает чувствительность кремниевых фотодиодов в длинноволновой области и сдвигает максимум чувствительности в область коротких длин волн (от традиционного значения 0,95 до 0,6 мкм). Применение тонкого высокоомного

эпитаксиального слоя на низкоомной подложке (до 0,1 Ом • см) позволяет значительно снизить чувствительность кремниевого фотодиода в ИК и видимой областях спектра, сохранив при этом высокие значения чувствительности в УФ-диапазо-не и малые значения барьерной емкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 2. — М., Мир, 1984.

2. Korde R., Geist J. Stable, High Quantum Efficiency UV-En-hanced Silicon Photodiodes by Arsenic Diffusion, solid-state Electron., 30 (1987), 89—92.

3. Popovic R. S., Solt K., Falk U, Stoessel Z. A Silicon Ultraviolet Detector // Sensors and Actuator, A21-A23 (1990), 553—558.

4. Васильев А. М., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. — М., Советское радио, 1971.

Валерий Владимирович Гаврушко — зав. кафедрой общей и экспериментальной физики Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого (НГУ);

Я 8 (8162) 62-75-52

i 8 (8162) 62-41-10

E-mail: Gawrushko@mail.natm.ru

Александр Сергеевич Ионов — начальник отдела ОАО "ОКБ-Планета";

Я/i (8162) 69-30-92 http://www.okbplaneta.ru

Валентин Александрович Ласткин — аспирант кафедры Общей и экспериментальной физики НГУ.

E-mail: lastkinva@mail.ru □

УДК 681.586'33.72

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ МЕМБРАНЫ НА ПАРАМЕТРЫ ВЫХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВОГО ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ

Е. В. Игнатьева, Ю. А. Михайлов, В. В. Панков

Показано, что мембрана с рассредоточенным жестким центром обеспечивает значительное увеличение показателя чувствительности конструкции кристалла ИПД 5.2 при одновременном уменьшении нелинейности и температурного гистерезиса выходной характеристики. Достигнуто снижение верхнего предела измеряемого давления с 10 до 2,5 кПа.

Ключевые слова: кремниевый тензопреобразователь давления, мембрана с рассредоточенным жестким центром, метрологические характеристики

Для давлений менее 100 кПа уменьшение нелинейности выходной характеристики кремниевых тензопреобразователей достигается за счет использования мембраны с жестким центром. В такой конструкции четыре тензорезистора мостовой схемы параллельны друг другу и размещены попарно на краях двух прямолинейных тонких учас-

тков мембраны шириной несколько сот микрон. Разработанные НПК "Технологический центр" МИЭТ и освоенные в производстве кристаллы интегральных преобразователей давления (рис. 1) ИПД 9 (4 х 4 мм) и ИПД 4М (6,2 х 6,2 мм) позволили снизить верхний предел (номинал) измеряемого давления рн до 25 и 10 кПа соответствен-

Рис. 1. Диаграмма номиналов давления (а) и ИК-фотографии кристаллов ИПД 5.2 (б) и ИПД 4М (в):

1 — жесткий центр; 2 — тонкий участок мембраны; 3 — тен-зорезистор

пряжение на входе мостовой схемы. Для кристаллов ИПД 9 и ИПД 4М расчетная величина Пкч, хорошо согласующаяся с эмпирическими данными, составляет 326 и 674 соответственно.

В настоящей работе исследовались выходные характеристики интегрального преобразователя давления ИПД 5.2, имеющего мембрану с рассредоточенным жестким центром. В такой конструкции каждый тензорезистор мостовой схемы размещен на прямолинейном тонком участке мембраны шириной несколько десятков микрон. Представленные ниже результаты исследования базируются на измерениях параметров почти ста тензомодулей с кристаллами ИПД 5.2, изготовленными в двух технологических партиях и выборочно отобранными с 13 пластин.

Тензопреобразователь ИПД 5.2 имеет эмпирический показатель чувствительности конструкции в 2,0—2,3 раза больший, чем ИПД 4М при одинаковых габаритах мембраны (3,4 х 3,4 мм2) и кристалла. Величина Пкч кристалла ИПД 5.2 уменьшается по вогнутой кривой с 1550 до 1270 при увеличении ширины участков мембраны Ьм под тензорезисторами с 20 до 80 мкм (рис. 2). Высокий показатель чувствительности конструкции ИПД 5.2 позволил уменьшить номинальное давление до 2,5 кПа (см. рис.1).

При сравнении нелинейности выходных характеристик ИПД, однотипных по конструкции мембраны, следует выделить два различных способа изменения деформации тензорезисторов: во-первых, путем изменения давления при постоянной толщине мембраны и, во-вторых, путем изменения толщины мембраны при постоянном давлении. Второй вариант особенно четко реализуется для тензомодулей с кристаллами ИПД, взятыми с одной и той же пластины, поскольку в этом случае прочие условия, влияющие на нели-

Рис. 2. Зависимость показателя чувствительности конструкции от ширины участков мембраны под тензорезистороми кристалла ИПД 5.2

но [1]. Различные типономиналы давления реализуются путем изменения толщины мембраны при сохранении неизменными остальных конструктивных параметров кристаллов ИПД.

Сопоставление различных конструкций тен-зопреобразователей по эффективности преобразования давления в выходное напряжение удобно осуществлять с помощью показателя чувствитель-

кч = ^уд ^м , где ^уд

ности конструкции [2]: Пкч = удельная чувствительность, мВ/В-кПа; йм — толщина мембраны, мкм. Выходное напряжение тен-зомодулей (за вычетом начального разбаланса) с кристаллами ИПД при номинальном давлении

Сх = ^удЦмРн, мВ, где Цм = 2,6 ± 0,1 В — на-

0,9 0,8 0,7 0,6 * 0,5 ^ 0,4 0,3 0,2 0,1 0

У1 /2 *3

/

/ г

) >4

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Uвых, мВ

Рис. 3. Зависимость нелинейности выходной характеристики от выходного напряжения:

1 и 2 — ИПД 4М (ём = 20 и 25 мкм [1]); 3 и 4 — ИПД 5.2, (¿м = 20 и 25 мкм)

52 _ввпвогв & Буагетв • № 6.2009

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 5, мВ/В

Рис. 4. Зависимость нелинейности выходной характеристики от чувствительности для кристаллов ИПД 5.2 с различной шириной Ьм при рн = 10 кПа:

1 — Ьм = 21 мкм; 2 — Ьм = 34 мкм; 3 — Ьм = 53 мкм; 4 —

Рис. 5. Зависимость нелинейности выходной характеристики от ширины участков мембраны под тензорезисторами кристаллов ИПД 5.2 при рн = 10 кПа:

1 и 2 — dM = 22 и 26 мкм, doc = 1,6 мкм; 3 — dM = 22 мкм, doc = 0,3 мкм

нейность, оказываются одинаковыми. ИПД, разнотипные по конструкции мембраны и имеющие соответственно различные показатели чувствительности Пкч, целесообразно сравнивать по нелинейности выходной характеристики при одинаковой удельной чувствительности 5уд = Пкч/ ,

т. е. когда сравниваемые ИПД при одинаковом номинальном давлении имеют одинаковое выходное напряжение.

При одинаковой толщине мембраны нелинейность выходной характеристики 2Кн тензопреоб-разователя ИПД 5.2 возрастает с увеличением выходного напряжения, прямо пропорционального

давлению, существенно медленнее, чем у ИПД 4М (рис. 3). При йм = 20 мкм нелинейность 0,4 % достигается при значении ивых, равном 107 и 72 мВ соответственно. Данное обстоятельство позволяет использовать один и тот же датчик с кристаллом ИПД 5.2 на несколько диапазонов давления. При одинаковом давлении кристалл ИПД 5.2 позволяет получать одинаковое с ИПД 4М выходное напряжение при большей в 1,5 раза толщине мембраны и, как следствие, меньшей в несколько раз нелинейности. При постоянном давлении увеличение чувствительности кристаллов ИПД, в том числе и ИПД 5.2, обусловлено уменьшением толщины мембраны (рис. 4), причем нелинейность выходной характеристики растет значительно быстрее, чем чувствительность (см. таблицу).

Для сравнения были взяты по две точки в начале и конце на четырех кривых (см. рис. 4). Из таблицы видно, что при уменьшении толщины мембраны для кривой 1 чувствительность возрастает в два раза, а нелинейность — в 4,2 раза. Неоднородность толщины мембраны по пластине сильнее сказывается для кристаллов, у которых больше ширина Ьм (кривые 3 и 4, таблица). Отметим, что кривая 1 на рис. 4 построена по результатам измерений 30 тензомодулей с кристаллами ИПД 5.2, взятыми с четырех пластин, имеющих одинаковую ширину Ьм. Представленная в таблице взаимосвязь параметров йм, 2Кн является основным препятствием для снижения номинального давления путем уменьшения толщины мембраны кристалла.

У кристаллов ИПД 5.2 нелинейность возрастает при увеличении ширины участков мембраны под тензорезисторами. Эта зависимость сильнее проявляется при меньшей толщине мембраны (рис. 5, кривые 1 и 2 при йм = 22 и 26 мкм и одинаковой типовой толщине защитного окисного слоя на лицевой стороне кремниевой мембраны йос = 1,6 мкм). Зависимость 2Кн = /(Ьм) построена

Параметры*

1 2 3 4

Чувствительность ^ в первой 18 17 24 18,5

точке на кривой, мВ/В

Нелинейность 2Кн1 в первой 0,06 0,10 0,32 0,24

точке на кривой, %

Чувствительность во второй 36 28 37 29

точке на кривой, мВ/В

Нелинейность 2КН2 во второй 0,25 0,25 1,08 0,90

точке на кривой, %

ад 2,00 1,65 1,54 1,57

2Кн2/2КН1 4,17 2,50 3,38 3,75

Номер кривой на рис. 4

* Значения параметров указаны при номинальном давлении рн = 10 кПа

Ьы = 78 мкм

2 гр. 1 гр.

0,12 % 0,18 %

1 1 1 1 1

1 1 1

0

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Г™, %

0,35

Рис. 6. Диаграммы рассеяния температурного гистерезиса чувствительности Г

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»