Конструкции тензорезисторов

В тензодатчиках используются все известные конструкции интегральных полупроводниковых резисторов, чаще имеющих простую полосковую структуру, но иногда и в виде меандра. На рис. 20 приведены однополосковые структуры интегральных тензорезисторов .

Рис.20. Однополосковые структуры интегральных тензорезисторов:

а — равномерно легированный эпитаксиальный тензорезистор с мезаструктурой; б—равномерно легированный тензорезистор с окисной изоляцией; в—диффузионный тензорезистор; г — ионно-имплантированный тензорезистор; 1 — тензорезистор; 2 — защитное покрытие; 3 — металлизированные токоведущие дорожки; 4 — подложка — упругий элемент преобразователя; 5 — сильнолегированная подконтактная область

Их расположение на диафрагме или балке, находящейся под механической нагрузкой может быть весьма разнообразным, что связано с разными задачами, которые они решают. Во- первых, ориентация резисторов существенно влияет на чувствительность – изменчивость сопротивления от нагрузки сильно зависит от его углового положения. Во- вторых, тензорезисторы обычно используются не поодиночке, а группами, чаще всего в составе мостовых схем. Чувствительность схем уравновешивания, и мостов в частности, можно существенно повысить, если знаки изменения сопротивления в смежных плечах моста противоположны.

Для примера на рис. 21–24 приведены возможные варианты расположения тензорезисторов на диафрагмах, выполненных на кремнии с разной кристаллической ориентацией.

Рис. 21. Расположение однополосковых тензорезисторов р-типа с положительной и отрицательной чувствительностью на мембране (001).

Рис. 22. Расположение однополосковых тензорезисторов n-типа с положительной и отрицательной чувствительностью на мембране (001)

Рис. 23. Расположение однополосковых тензорезнсторов р-типа с положительной и отрицательной чувствительностью на мембране (011)

Рис. 24. Расположение однополосковых тензорезисторов р- и п-типов с положительной и отрицательной чувствительностью на мембране (111)

7. Микросистемные датчики давления

Отмечалось, что измерение давления – одна из самых распространенных задач в технике. Мы уже рассматривали как пример элементов МСТ датчики давления на кремниевых мембранах, получаемых анизотропным травлением кремния. Они могут использовать тензорезисторные преобразователи напряжений в электрический сигнал, несущий информацию о давлении или емкостные преобразователи перемещений мембраны.

Наиболее распространенные конструкции чувствительных элементов таких датчиков, использующих мембраны, приведены на рисунке 25.

Рис.25. Варианты чувствительных элементов датчиков давления:

а) несимметричная мембрана; б) симметричная мембрана;

в), г) мембраны с жестким центром; д) двойная мембрана с жестким кольцом;

1- корпусная пластина; 2 - мембрана с жёсткой заделкой по контуру;

3 - подмембранная камера; 4 - каналы подвода давлений; 5 - проводящая дорожка; 6- интегральный тензорезистор; 7- контактная площадка; 8 - жесткий центр; 9 - жесткое кольцо.

Вариант а: Несимметричная мембрана (с одной стороны кристалла); обычно на n-кремнии плоскости(100); прямоугольная. На обратной по отношению к подаваемому давлению (газ; жидкость) сформированы диффузионные имплантированные, реже – эпитаксиальные тензорезисторы, чаще – p-типа. Они могут формироваться с одинаковыми или противоположными по знаку законами изменения сопротивления от деформации, обычно включаются по мостовой схеме непосредственно на кристалле.

Если датчик оформляется как самостоятельное устройство, с корпусом чувствительный элемент датчика соединяется посредствам промежуточных

пластин диффузионной сваркой в электрическом поле. В корпусе же могут располагаться операционные усилители и другие элементы.

Точность измерения давления – на уровне 1%, верхний предел измеряемых давлений порядка 250 МПа.

Вариант б: отличается симметричным расположением мембраны. Это удобно при использовании дифференциально-емкостного датчика измерений. В перспективе такой вариант допускает использование противодавления, управляемого через следящую систему, так что датчик будет работать вблизи нуля деформаций, обеспечивая максимум чувствительности, линейности и безопасности при перегрузках.

Варианты в и г используют мембраны с жестким центром. У них повышается концентрация напряжений в перемычке между жестким центром и краем мембраны, что увеличивает линейность и чувствительность датчика. Перемычки очень тонкие. Недостатком этих датчиков является чувствительность их к линейным и угловым ускорениям (ниже мы рассмотрим использование этого явления). Для компенсации этого эффекта на одной пластине делают два одинаковых датчика, причем на второй давление не подано, а используют его как опорный датчик ускорений для компенсации влияния этих в ускорений в первом.

Вариант д использует жесткое кольцо, разделяющее диафрагму на две части- внешнюю (по отношению к кольцу) и внутреннюю. Возможно двоякое использование такой структуры. Первое (основное) - исключение температурных напряжений, возникающих в месте соединения внешней оправы с металлической корпусной деталью.

Тонкая перемычка между массивной частью кристалла и внутренним кольцом гасит температурные напряжения. Рабочей частью мембраны является внутренняя часть, окруженная кольцом; там и располагаются тензорезисторы.

Другой вариант применения такой мембраны – создание двупредельных чувствительных элементов. При этом тензорезисторы располагаются и на внешней и на внутренней мембранах.

Конструктивных вариантов использования подобных чувствительных элементов в собственно датчиках очень много. Чаще всего это гибридные конструкции.

Интерес представляют комбинированные варианты, например, датчика давления и температуры.

Это сделать не очень просто. Например, требования к тензо- и термо- резисторам противоречивы: тензорезистор должен быть термостабилен, а терморезистор - наоборот, должен чувствовать изменение температуры. Поэтому идут другим путем. Например, на чипе, где находится диафрагма датчика давления (иногда прямо на диафрагме) формируют биполярный транзистор, переход эмиттер-база который используется как чувствительный элемент датчика температуры. Такие транзисторы используют иногда для других целей, например, как источник тепла в системах, где организуется термостабилизация датчика давления.

Рассмотрим далее чувствительный датчик давления, использующий технологию поверхностной микрообработки. Возможна также пара таких датчиков, из которых один открыт, а второй защищен от воздействия давления и используется как элемент сравнения (рис. 26).

Рис 26 . Структура чувствительного элемента датчика:

I- Si подложка п-типа; 2 -п⁺электрод; 3 - полость; 4 - диэлект­рик; 5 - мембрана; 6 - оксид кремния.

Технология поверхностной микромеханики свободна от многих недостатков объемной микро­механики и позволяет изготавливать подвижные структуры размером до нескольких микрометров. Основой преобразователя является поликремниевая мембрана, сформированная с помощью технологии поверхностной микромеханики (рис. 27).

Рис. 27. Конструкция поверхностного микромеханического преобразователя давления

По периметру мембраны нанесены слои диэлектрика, повышающие жесткость крепления мембраны. На противоположных краях мембраны размещены два легированных бором поликремниевых резистора. Пьезорезисторы соединены с двумя поли­кремниевыми резисторами той же топологии в мост с двумя активными плечами (рис. 28).

Рис. 28. Схема объединения резисторов преобразователя

Для уменьшения начального разбаланса моста резисто­ры придвинуты к мембране на минимальное воз­можное расстояние. Для устранения вклада в раз­баланс моста сопротивления металлизации шины, идущие к контактным площадкам, подсоединены к серединам шин, соединяющих пьезорезисторы и резисторы. Выходной сигнал преобразователя оп­ределяется соотношением

,

где R_o — сопротивление резистора; R — сопро­тивление пьезорезистора; U_пит — напряжение питания.

В силу того, что остаточное давление в "вакуум­ной" полости составляет 10–30Па, преобразова­тель можно считать преобразователем абсолютного давления.

Технология изготовления преобразователя основана на базе процессов стандартной КМОП-технологии. Изготовление преобразовате­ля начинается с формирования в монокристалли­ческом кремнии опорного слоя оксида (формиро­вание происходит с помощью термического окис­ления под давлением с использованием маски из слоя нитрида кремния – LOCOS-процесс). Далее на пластину осаждается слой поликристаллическо­го кремния, из которого формируется мембрана, и в нем с помощью плазмохимического травления вскрывается окно в слое тонкого оксида, служа­щее каналом ("капилляром") для доступа травителя к жертвенному слою. Жидкостным травлением жертвенный слой удаляется из-под мембраны и, путем осаждения слоя окисла кремния, проводится "за­печатывание" мембраны. Затем осуществляются осаждение и легирование поликристаллического кремния, из которого формируются пьезорезисторы. После осаждения слоя нитрида кремния происходят формирование контактных окон к ре­зисторам и металлизация. Далее проводится осаж­дение защитного слоя фосфоросиликатного стекла и вскрытие мембраны. На рис. 29 приведена микрофотография фрагмента тестового кристал­ла преобразователей давления.

Рис. 29. Фрагмент скола преобразователя