УДК 681.586'33.72
О ПОВЫШЕНИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КРЕМНИЕВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ
Е. В. Игнатьева, Ю. А. Михайлов, В. В. Панков
Рассмотрена новая конструкция мембраны, позволившая достичь чувствительности более 7 мВ/(В-кПа) при одновременном уменьшении нелинейности преобразовательной характеристики. Номинальное давление преобразователя снижено до 1 кПа.
Ключевые слова: кремниевый интегральный преобразователь давления, нелинейность преобразовательной характеристики, показатель чувствительности конструкции.
Основными тенденциями развития кремниевых интегральных преобразователей давления (ИПД) сегодня являются улучшение метрологических характеристик и смещение верхнего предела (номинала) измеряемого давления рн в область малых давлений. В работах [1, 2] приведены характеристики кристаллов ИПД 9 (4 х 4 мм) и ИПД 4М (6,2 х 6,2 мм), разработанных НПК "Технологический центр" МИЭТ. Использование в этих кристаллах мембраны с жестким центром (ЖЦ) позволило снизить номинальное давление до 25 и 10 кПа соответственно при существенном уменьшении нелинейности преобразовательной характеристики в сравнении с плоской мембраной. В такой конструкции четыре тензорезистора мостовой измерительной схемы параллельны друг другу и размещены попарно на краях двух прямолинейных участков тонкой части мембраны шириной в несколько сот микрометров.
Зависимость между удельной чувствительностью ^уд упругого элемента и его геометрическими размерами для ИПД, имеющего квадратную мембрану с квадратным ЖЦ, выглядит следующим образом [3]:
^уд = 2 ,2
= 0,128лл-йм х~
где Л44 — главный пьезорезис-тивный коэффициент для тен-зорезисторов р-типа проводимости в кремнии ориентации (001); ц — коэффициент Пуассона; йм — толщина мембраны, мкм; ам — расстояние между парой тензорезисторов по краям мембраны, мкм; = ам/ац, ац — расстояние между парой тензо-резисторов по краям ЖЦ, мкм.
22 Выражение (к1 — 1)/к1 = 1 —
22
— (ац/ам) характеризует долю
площади, занятой тонкой частью квадратной мембраны с квадратным ЖЦ. С учетом этого выражения формулу (1) можно представить в виде:
^уд = -Кч / Лм ,
(2)
1
п44
(1 - ц), (1)
где Пкч — константа для конкретного кристалла ИПД, названная расчетным показателем чувствительности конструкции [4]:
—Кч = 0,128П44( аМ - а^) х
х (1 - ц). (3)
Диапазон изменения выходного напряжения с учетом формулы (2) определяется из выражения:
—*
Аивых = %д Рим = -К2 Р^
лМ
м
где р — давление, кПа; им — напряжение на входе тензомосто-вой схемы, В (для ИПД из работ [1, 2] им = 2,5—2,7 В).
Значение главного пьезоре-зистивного коэффициента Л44
для диффузионного слоя кремния р-типа проводимости ориентации (001) зависит от температуры и поверхностной концентрации примеси. При температуре 20 °С и поверхностной концентрации 5*1018 см-3 значение п44 = 105-10-11 м2/Н =
= 1,05-10-3 мВ/(В • кПа); коэффициент Пуассона для плоскости ориентации (001) равен 0,184 [5].
Чтобы измерять пониженное номинальное давление рн с приемлемым значением выходного сигнала Аивых, необходимо увеличивать удельную чувствительность, которая, как видно из формул (2) и (3), прямо пропорциональна площади тонкой части мембраны и обратно пропорциональна квадрату ее толщины. Для конкретного типа ИПД давление рн снижают путем уменьшения толщины йм тонкой части мембраны при сохранении прочих конструктивных параметров. Однако при этом увеличивается значение нелинейности 2Кн преобразовательной характеристики [1, 2], что иллюстрируется рис. 1 и табл. 1.
Другим конструктивным вариантом увеличения удельной чувствительности ИПД является увеличение размера стороны квадратной мембраны Ьм при том же соотношении размеров ЖЦ и мембраны.
к
1
Рис. 1. Зависимость нелинейности 2Кн преобразовательной характеристики от диапазона изменения выходного напряжения ДЦцих (кривые 1—6 [1, 2], кривая 7 [7])
2Кн, 1,00 0,63 0,40 0,25 0,16 0,10 0,06 0 %
* V
ч \
/1
1 2
,60 0,65 0,70 0,75 0,80 V
Рис. 2. График зависимости нелинейности выходной характеристики от отношения V = ац/ам в логарифмических координатах при давлении:
1 - 0,1 МПа; 2 - 0,06 МПа
В данном случае, как следует из формул (1) и (3), возрастает показатель чувствительности конструкции ИПД вследствие увеличения площади тонкой части мембраны. Однако при этом, как и в предыдущем случае, увеличивается нелинейность преобразовательной характеристики, что иллюстрируется сравнением ИПД 9 и ИПД 4М при одинаковой толщине мембраны 24 мкм (см. рис. 1 и табл. 1); эти ИПД предназначены для номинальных давлений 40 и 16 кПа соответственно [1, 2].
Еще одним конструктивным вариантом увеличения чувствительности ИПД является уменьшение размера квадратного ЖЦ при неизменном размере квад-
ратной мембраны. Как и в предыдущем случае, при этом, согласно формуле (3), возрастает показатель чувствительности конструкции ИПД из-за увеличения площади тонкой части мембраны. Однако и в этом случае, как следует из экспериментальных данных работы [6], представленных на рис. 2, уменьшение отношения расстояний между двумя парами тензорезисто-ров по краям ЖЦ и мембраны V = ац/ам при постоянной толщине мембраны 23 мкм приводит к увеличению нелинейности преобразовательной характеристики ИПД 9 при некотором росте Пм и, соответственно, удельной чувствительности.
Таким образом, все три представленных выше конструктивных варианта увеличения удельной чувствительности ИПД сопровождаются ухудшением важного метрологического параметра — нелинейности преобразовательной характеристики, которая должна быть не более заданной величины (потребители ИПД обычно называют значение 0,15—0,2 %). Это обстоятельство ограничивает возможности снижения номинального давления, вынуждает идти на уменьшение границ допуска по величине выходного сигнала Аивьк [1, 2].
В работе [7] исследовались метрологические характеристики тензопреобразователя давления ИПД 5.2, имеющего мемб-
рану с ЖЦ, рассредоточенным между четырьмя тензорезисто-рами. В такой конструкции каждый тензорезистор мостовой измерительной схемы размещен на прямолинейном тонком участке мембраны шириной в несколько десятков микрометров.
При одинаковой толщине мембраны 24 мкм нелинейность преобразовательной характеристики тензопреобразо-вателя ИПД 5.2 возрастает с увеличением выходного напряжения значительно медленнее, чем у ИПД 4М (см. рис. 1, кривые 7 и 5 соответственно). В отличие от трех описанных выше конструктивных вариантов повышения удельной чувствительности ИПД мембрана с рассредоточенным ЖЦ позволила получить существенное увеличение показателя чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности преобразовательной характеристики (см. табл. 1) в сравнении с ИПД 4М при одинаковых размерах мембраны и кристалла. Использование ИПД 5.2 позволило уменьшить верхний предел (номинал) измеряемого давления до 2,5 кПа при удельной чувствительности 3,8...4 мВ/(В-кПа). В работе [8] показано, что ИПД с удельной чувствительностью 3...4 мВ/(В-кПа) пригодны для создания датчиков с верхним пределом измерений рн = 0,1... 0,25 кПа.
В работе исследовались возможности увеличения показате-
Параметры кристаллов ИПД
Таблица 1
№ кривой на рис. 1 Тип ИПД Рн> кПа мкм 1м, мм Пкч ^уд, мВ/В-кПа 2Кн, % при дивых = 100 мВ
1 ИПД 9 100 36 □ 2,20 326 0,25 0,13
2 ИПД 9 63 29 □ 2,20 326 0,39 0,17
3 ИПД 9 40 24 □ 2,20 326 0,57 0,26
4 ИПД 9 25 20 □ 2,20 326 0,81 0,43
5 ИПД 4М 16 24 □ 3,39 626 1,09 0,56
6 ИПД 4М 10 20 □ 3,39 626 1,56 >0,70
7 ИПД 5.2 6,3 24 □ 3,39 1550 2,69 0,20
- ИПД 5.5 2,5 24 □ 4,24 3040 5,28 0,20
- ИПД 5.5 1 20 □ 4,24 3040 7,60 0,26
18
вепвогв & Эувгетв • № 6.2010
0,5 ¿а
м
0,5 А^
т
[ 0,5 А5х | 0,5 £а! 0,5 А£2|
Б
1905
1208 Е
740 515
Рис. 3. Фрагменты вариантов мембраны кристаллов ИПД 5.2 с рассредоточенным ЖЦ
ля чувствительности кристалла ИПД 5.2. С этой целью были спроектированы пять вариантов (А, В, С, Б, Е) топологии мембраны с различной площадью тонкой части при неизменных габаритах кристалла 6,2 х 6,2 мм. Остальные фотошаблоны комплекта, используемые для формирования слоев кристалла на лицевой стороне кремниевой пластины, были одинаковыми для всех вариантов. На рис. 3 представлены фрагменты четырех сравниваемых вариантов мембран кристалла в виде фото и эскиза и показано взаимное расположение участков тонкой части мембраны. Вариант С получен из варианта А увеличением размера мембраны, а варианты Б и Е — из варианта С путем уменьшения размера ЖЦ, параллельного тензорезисторам. Аналогичным образом из варианта А был получен вариант В, не представленный на рис. 3. Параметры вариантов кристалла ИПД 5.2 приведены в табл. 2.
Эмпирический показатель чувствительности конструкции Пм определялся по результатам измерений параметров преобра-
зовательной характеристики тен-зомодулей с опытными образцами кристаллов ИПД 5.2 различных вариантов, изготовленных в двух технологических партиях. Расчетный показатель чувствительности Пкч кристалла, аналогичного ИПД 4М и имеющего мембрану с сосредоточенным ЖЦ квадратной (для вариантов А и С) и прямоугольной (для вариантов Б и Е) формы при площади тонкой части, одинаковой с вариантами кристалла
ИПД 5.2, вычислялся по формуле: ПК, = 0,128*44(1 - ц) 4 (1 -- V аЦ/ам), где V = аЦ /ам = 72 /2; аЦ — размер ЖЦ, параллельный тензорезисторам; аЦ — размер ЖЦ, перпендикулярный тензо-резисторам.
Введем понятие — удельный показатель чувствительности
конструкции: пК, = П^/^, где ^ — площадь тонкой части мембраны, мм2. Из формулы (3) следует, что для кристаллов ИПД, имеющих плоскую мембрану или мембрану с сосредоточенным ЖЦ, этот параметр — величина постоянная, равная пК, =
= 0,128п44(1 - ц)-10б = 110 мм-2 для конкретных условий легирования тензорезисторов ИПД; она не зависит от размеров мембраны и ЖЦ.
На основе представленных в табл. 2 эмпирических значений Пм кристалла ИПД 5.2 с рассредоточенным ЖЦ был вычислен удельный показатель чувствительности для четырех участков тонкой части мембраны толщиной 24 и 30 мкм, располагающихся на различном расстоянии
Таблица 2
Параметры вариантов криста
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.