Пьезорезистивные датчики

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мем­брана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорцио­нален приложенной силе F (уравнение (10.1)). Оба эти элемента могут быть из­готовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистив-ных преобразователей в виде резисторов [5]. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком дат­чике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэф­фициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника [6]. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение та­ких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их вы­ходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обла­дают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи темпера­турной компенсации.

Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается меха­ническое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину DR[7]:

(10.10)

где p_t и p_t — пьзорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направ­лениях, а s_l и s_t — напряжения в продольном и поперечном направлениях. Пьезо-резистивные коэффициенты определяются ориентацией кремниевого кристалла. Для дифузионного резистора p-типа, имеющего ориентацию <110>, а также для кремниевой квадратной диафрагмы n-типа с ориентацией поверхности <100>, показанных на рис. 10.4, эти коэффициенты можно найти из аппроксимацион-ного соотношения [7]:

(10.11)

Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому на­пряжению, и, следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагают­ся на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензо-чувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений ре­зисторов также будут иметь разные знаки:

(10.12)

При включении резисторов в полумостовую схему и при подаче на нее напряже­ния возбуждения Е, выходной сигнал будет равен выражению:

(10.13)

Взяв частные производные от V_out, можно найти чувствительность датчика к давлению а_p и его температурный коэффициент b_T:

(10.14)

(10.15)

Поскольку коэффициент дp44/дТ имеет отрицательное значение, температурная чувствительность также будет отрицательной, что означает, что при увеличении температуры чувствительность падает.

Существует несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов [8] используется подложка из кремния n-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются

пьезорезисторы с поверхностной концентраци­ей примесей, равной 3x10¹⁸ в одном кубическом сантиметре. Один из них (R₁) параллелен, а дру­гой (R₂)перпендикулярен ориентации диафраг­мы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие ком­поненты схемы датчика: резисторы и р-n пере­ходы, используемые в цепях компенсации тем­пературы, располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагиру­ют на давление, действующее на диафрагму.

На рис. 10.5 показана схема еще одного мо­нолитного микродатчика давления, выпускае­мого фирмой Motorola. В этом датчике пьезо-резистивный элемент, представляющий собой тензодатчик, формируется методом ионной им­плантации на кремниевой диафрагме. К выво­дам резистора 1 и 3 подводится напряжение воз­буждения. Под прямым углом к направлению тока возбуждения прикладывается давление, вызывающее механическое напряжение диаф­рагмы, которое, в свою очередь, формирует в ре­зисторе поперечное электрическое поле, сни­маемое в виде напряжения с выводов 2 и 4. Та­кой тензодатчик является механическим анало­гом датчика Холла, рассмотренного в разделе 3.8 главы 3. Использование одного тензоэлемента устраняет необходимость точного согласования четырех тензо- и температурно- чувствительных резисторов, формирующих мост Уитстона, как это было в предыдущей конструкции. Одновременно с этим здесь существенно упро­щены дополнительные цепи, необходи­мые для проведения калибровки и тем­пературной компенсации. Тем не менее схема одноэлементного тензодатчика яв­ляется электрическим аналогом мосто­вой структуры. Балансировка этой схе­мы определяется не точным подбором резисторов, как это было в обычной мо­стовой схеме, а тем, насколько хорошо отрегулировано расположение выход­ных выводов.

Для формирования тонкой диаф­рагмы площадью 1 мм² используются традиционные травильные реагенты (например, анизотропый раствор гид­разина в воде: N₂H₄ • Н₂0). В качестве

маскирующих слоев применяется Si0₂, для формирования защитного слоя с ниж­ней стороны подложки —Si₃N₄. Скорость травления при 90°С составляет 1.7 мкм/ мин. Конечная толщина диафрагмы равняется приблизительно 30 мкм.

Другой способ изготовления диафрагм основан на методе сплавления крем­ния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллическо­го кремния без применения промежуточных слоев [9]. Этот способ дает возмож­ность формирования микродатчиков (более чем в восемь раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменного типа), которые могут исполь­зоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских ис­следований. Такой микродатчик состоит из двух частей: верхней и нижней под­ложек (рис. 10.6А). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней под­ложки составляет 0.5 мм, а требуемая длина диафрагмы — 250 мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глу­биной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавле­ния нижней подложки с верхней, состоящей из кремния р-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем л-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует за­данной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует ди­афрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисто­ры, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой тол­щины устройства — порядка 140 мкм. Несмотря на то, что размеры такого дат­чика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразовате­ля давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис. 10.6Б показано сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, получен­ное методом сплавления почти на 50% меньше.

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной ка­мере, которая может быть как встроенной (рис. 10.7А), так и внешней. Диффе­ренциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расхо­домерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафраг­мы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонно­го значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиков используются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчи-ков, но все они имеют разные корпуса. Например, при изготовлении дифферен­циального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 10.7Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внут­ренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует по­верхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздейство­вать на диафрагму. Корпуса дифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис. 10.8). В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозион­ными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устрой­ства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов. Для того чтобы не ухудша­лись частотные характеристики системы, воздушная полость датчика почти все­гда заполняется силиконовой мазкой типа Dow Corning DS200.

Для всех кремниевых датчиков характерна зависимость их характеристик от температуры. Коэффициент температурной чувствительности таких датчиков, определяемый выражением (10.15), обычно отрицательный, и для получения точ­ных результатов его необходимо компенсировать. В разделе 5.7.3 главы 5 описаны основные методы температурной компенсации мостовых схем. Без осуществле­ния температурной компенсации передаточная функция датчика будет выглядеть, как показано на рис. 10.9А.

На практике часто достаточно бывает простой температурной компенсации, выполняемой при помощи подключения к датчику последовательного или па­раллельного резистора. Подбирая соответствующее значение резистора, настра­ивают рабочий диапазон выходного напряжения датчика (рис. 10.9Б). Однако для осуществления более надежной температурной коррекции в широком диапазоне температур необходимо применение более сложных компенсационных цепей, в которых часто используются детекторы температуры. Альтернативой аппаратной коррекции температуры выступает программная. Для этого используется встро­енный детектор температуры, измеряющий температуру датчика давления. Дан­ные обоих датчиков поступают в процессорную систему, где проводится их соот­ветствующая цифровая корректировка.

Емкостные датчики

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меня­ет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих харак­теристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оциф­ровки результатов измерений (см. раздел 5.5 главы 5). В то время как для диафрагм,

используемых в пьезорезитивных датчи­ках, необходимо обеспечивать макси­мальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных дат­чиках существенным является переме­щение их центральной части. Диафраг­мы в емкостных датчиках могут быть за­щищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для диф­ференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за не­больших перемещений такой способ за­щиты, к сожалению, работает недоста­точно эффективно, поэтому для них оп­ределяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает мак­симальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова­телей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это осо­бенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески вы­сокого давления.

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, что­бы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда пе­ремещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улуч­шения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовлен­ных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и тол­щины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к суще­ственному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 10.10).

Поиск по сайту: