Содержание к диссертации
Введение
1. Информационный обзор и анализ проблемы определения механических напряжений и деформаций тензочувствительными элементами 11
1.1 Общая характеристика проблемы определения механических напряжений и деформаций
1.2 Краткий анализ тензорезисторных средств контроля, применяемых для определения механических напряжений и деформаций 26
1.3 Постановка задачи исследования влияния деформации на параметры полупроводниковых структур и пути ее решения 39
1.4 Выводы 42
2. Исследование и анализ влияния деформации на основные электрофизические параметры полупроводникового тензочувствительного элемента на основе МДП-структуры 44
2.1 Влияние деформации на изменение концентрации носителей заряда 45
2.2 Формирование области пространственного заряда 50
2.3 Деформационная зависимость подвижности носителей заряда с учетом полевого эффекта 56
2.4 Выводы 59
3. Математическая модель физических процессов, происходящих в тензочувствительном элементе на основе мдп-структуры при одноосной упругой деформации 60
3.1 Разработка математической модели 60
3.2 Влияние электрофизических параметров на выходной сигнал тензочувствительного элемента 63
3.3 Влияние топологических и электрических параметров на выходной сигнал тензочувствительного элемента 65
3.4 Методика разработки тензочувствительных элементов с заданными метрологическими характеристиками 69
3.5 Выводы 74
4. Разработка конструкций интегральных тензопреобразователей и микропроцессорной системы неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния материалов 76
4.1 Основные технологические этапы изготовления тензочувствительного элемента 76
4.2 Влияние технологических операций на метрологические характеристики тензочувствительного элемента 88
4.3 Метрологический анализ разработанного тензочувствительного элемента
4.4 Разработка конструкций интегральных тензопреобразователей 104
4.5 Структурная схема и принцип работы микропроцессорной системы неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния материалов
4.6 Выводы
Заключение 109
Список используемой литературы 111
Приложения 121
- Краткий анализ тензорезисторных средств контроля, применяемых для определения механических напряжений и деформаций
- Формирование области пространственного заряда
- Влияние электрофизических параметров на выходной сигнал тензочувствительного элемента
- Влияние технологических операций на метрологические характеристики тензочувствительного элемента
Введение к работе
В процессе эксплуатации машины, аппараты, конструкции и сооружения подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов, приводящих к нарушениям целостности и разрушениям изделий. Это могут быть статические и динамические деформации, вибрации, удары, воздействие давления и усталостное напряжение. Влияние данных факторов и неконтролируемое протекание деформационных процессов в материалах приводят к возникновению аварийных ситуаций. Поэтому в настоящее время большое распространение получают методы и средства неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния материалов, используемые в машиностроении, авиационной и военной технике, теплоэнергетическом комплексе, автомобилестроении, железнодорожном транспорте, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.
Актуальность работы. Разрушения изделий, аппаратов, конструкций, связанные с нарушением прочности материалов, приводят к серьезным последствиям, а в некоторых отраслях и технологических процессах они просто недопустимы. Следовательно, при эксплуатации таких изделий, особенно в условиях интенсивных термосиловых воздействий, необходимо обеспечить периодический или непрерывный контроль состояния применяемых материалов. Важность контроля деформаций обусловлена тем, что данный фактор является источником возникновения механических напряжений в материалах. Инерционные силы, возникающие при этом, могут превышать пределы прочности конструкций, а их длительное воздействие приводит к усталостным разрушениям материалов.
В этой связи широкое распространение получают методы и средства неразрушающего контроля (НК) напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов и изделий, применяемых в различных отраслях народного хозяйства. Однако используемые в них в качестве первичных измерительных преобразователей неэлектрических величин (механического напряжения, де 6
формации, перемещения и т.д.) тензочувствительные элементы (ТЧЭ) и тен-зопреобразователи далеко не всегда удовлетворяют современным требованиям. К их недостаткам, прежде всего, стоит отнести низкую чувствительность и точность, сложность настройки и балансировки при изготовлении, нестабильные выходные характеристики.
Поэтому широко развивается направление в области разработки и создания тензочувствительных элементов и тензопреобразователей на основе полупроводниковых структур и материалов, выпускаемых по высокопроизводительной микроэлектронной технологии. Применение ТЧЭ и тензопреобразователей, созданных на основе новых полупроводниковых материалов и структур, благодаря высокой чувствительности полупроводников к механическим воздействиям позволит улучшить ряд параметров существующих измерительных устройств: повысит чувствительность и точность измерений, расширит рабочий диапазон, позволит упростить аппаратуру и легче совместить ее с современными средствами вычислительной техники.
Таким образом, задача разработки ПИП с улучшенными метрологическими характеристиками для систем НК НДС материалов на основе новых полупроводниковых тензочувствительных элементов является весьма актуальной.
Цель работы: исследование физических процессов, возникающих в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структурах) при деформации, и разработка на их основе ТЧЭ и тензопреобразователей с улучшенными метрологическими характеристиками для систем НК НДС материалов и изделий.
Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— провести информационный обзор и сравнительный анализ существующих ТЧЭ и тензопреобразователей, применяемых в измерительных устройствах и системах НК НДС материалов и изделий; - провести исследование влияния деформации на электрофизические параметры МДП-структур на основе монокристаллических полупроводников для выявления возможности их использования в качестве ТЧЭ;
- разработать математическую модель физических процессов, происходящих в ТЧЭ на основе МДП-структуры при одноосной упругой деформации;
- провести исследование математической модели для оценки влияния основных параметров МДП-структуры на выходную характеристику ТЧЭ;
- по результатам исследования математической модели создать методику разработки ТЧЭ на основе МДП-структуры с заданными метрологическими характеристиками;
- провести разработку, экспериментальные исследования ТЧЭ на основе МДП-структуры и анализ погрешностей измерений;
- разработать конструкции интегральных тензопреобразователей и микропроцессорную систему НК НДС материалов и изделий, в составе которых применяются ТЧЭ на основе МДП-структуры.
Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теоретических основах физики полупроводников, математическом моделировании, основах интегральных полупроводниковых технологий, физическом эксперименте с использованием опытных образцов, а также на экспериментальных исследованиях, проведенных на кафедре "Материалы и технология" ТГТУ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель физических процессов, происходящих при деформации в полупроводниковых ТЧЭ на основе МДП-структуры, учитывающая влияние основных топологических, электрических и электрофизических параметров, на основе которой создана методика разработки ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками;
- проведены экспериментальные исследования влияния деформации на параметры МДП-структур, подтвердившие возможность их использования в качестве ТЧЭ; - на основе созданной методики и проведенных исследований разработан новый полупроводниковый ТЧЭ, содержащий на поверхности монокристалла кремния «-типа проводимости диэлектрический слой двуокиси кремния, а также изолированный электрод, что позволяет повысить чувствительность и точность определения параметров НДС материалов и изделий;
- разработан интегральный тензопреобразователь, который, в отличие от известных тензорезисторных ПИП, является прибором с двойным управлением. Двойное управление выходным сигналом осуществляемое как за счет деформации полупроводникового кристалла, так и изменения потенциалов на изолированных электродах МДП-структуры позволяет повысить точность балансировки и упростить процедуру настройки тензопреобразователя;
- разработана микропроцессорная система НК НДС материалов и изделий, включающая в свой состав ТЧЭ на основе МДП-структуры, и позволяющая проводить компенсацию разбаланса тензосхем в автоматическом режиме.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе созданной методики и проведенных исследований разработаны конструкции интегральных тензопреобразователей и микропроцессорная система, применение которых позволяет повысить точность измерений и достоверность мониторинга прочностных характеристик изделий. Используемые при их создании оригинальные технические решения признаны изобретением, подтвержденным положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение. Результаты исследований могут быть рекомендованы для использования в научно-исследовательской деятельности, промышленности, других отраслях техники для повышения оперативности и точности контроля механических напряжений, деформаций, перемещений и целого ряда других механических величин.
Проведена реализация результатов теоретических и практических исследований автора, и они внедрены и приняты к использованию в ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор», ОАО «Тамбовский завод «Ревтруд». Также результаты работы используются в научно-исследовательской и учебной деятельности на кафедре «Материалы и технология» Тамбовского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на II, III, IV Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006-2007 гг.); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2007» (Пенза, 2007 г.); III Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2007 г.); III Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2007 г.); Шестой Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007 г.); II Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского» (Тамбов, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 15 печатных работ, из которых 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 1 положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были получены основные теоретические и экспериментальные результаты, предложена математическая модель процессов, происходящих в ТЧЭ на основе МДП-структуры при одноосной упругой деформации. Предложено алгоритмическое, технологическое и конструкторское обеспечение разработки и изготовления полупроводниковых ТЧЭ. Разработана структурная схема микропроцессорной системы.
Структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 131 странице машинописного текста, 38 рисунках, 8 таблицах. Список используемой литературы включает 98 наименований. На защиту выносятся.
1. Исследование влияния механического напряжения X на подвижность носителей заряда jun и величину пространственного заряда Qs в проводящем канале ТЧЭ на основе МДП-структуры.
2. Математическая модель физических процессов, протекающих в ТЧЭ при деформации и устанавливающая взаимосвязь основных топологических, электрических и электрофизических параметров МДП-структуры с выходной характеристикой.
3. Созданная на основе исследования математической модели методика разработки полупроводниковых ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.
4. Экспериментальная проверка адекватности разработанной математической модели и анализ погрешностей измерений. ,
5. Разработанный на основе созданной методики и проведенных исследований полупроводниковый ТЧЭ, содержащий на поверхности монокристалла кремния и-типа проводимости диэлектрический слой двуокиси кремния, а также изолированный электрод, что позволяет повысить чувствительность и точность определения параметров НДС материалов и изделий.
6. Разработанная конструкция интегрального тензопреобразователя, отличающегося от аналогов, наличием полупроводниковых ТЧЭ, управляемых потенциалами на изолированных электродах и позволяющих повысить точность балансировки мостовой тензосхемы.
7. Разработанная микропроцессорная система НК НДС материалов, в которой в качестве ПИП используются ТЧЭ на основе МДП-структуры, и позволяющая проводить компенсацию разбаланса тензосхем в автоматическом режиме.
Краткий анализ тензорезисторных средств контроля, применяемых для определения механических напряжений и деформаций
Рассмотрим измерительные преобразователи и устройства, широко применяемые в измерительной технике для определения деформаций, механических напряжений, перемещений, давления, силы.
При измерениях давления, силы распространена конструкция полупроводникового тензопреобразователя [28] (рис. 1.5), предложенная авторами Белоглазовым А.В., Бейденом В.Е., Иорданом Г.Г. и др., содержащая цилиндрический корпус 1, с одной стороны которого прикладывается измеряемая величина, а с другой пайкой закрепляется чувствительный элемент 3. Чувствительный элемент 3 состоит из сапфировой подложки 4, выполненной в виде мембраны с утолщением по периметру, и эпитаксиальных кремниевых тензорезисторов 5, расположенных по краю мембраны попарно параллельно и перпендикулярно радиусу мембраны. Плоскость сапфировой мембраны имеет ориентацию (101), эпитаксиальные кремниевые тензорезисторы 5 расположены в плоскости (100) кремния вдоль направления (ОН) и соединены в мостовую схему с контактными площадками 6. Схема питается постоянным током или постоянным напряжением.
Полупроводниковый тензопреобразователь работает следующим образом. При подаче питания на мостовую схему и отсутствии давления мембрана не деформируется, сопротивление тензорезисторов не меняется и выход 27 ной сигнал сбалансированного моста равен нулю. При изменении температуры в пределах от - 200 до + 200 С начальный выходной сигнал сбалансированной мостовой схемы не изменяется, поскольку все тензорезисторы имеют одинаковые значения температурных коэффициентов сопротивления. При подаче давления сапфировая мембрана изгибается, деформируя кремниевые тензорезисторы.
Применение данного тензопреобразователя позволяет повысить точность преобразования, расширить рабочий температурный диапазон и упростить схемотехническую реализацию за счет того, что эпитаксиальные тензорезисторы изготавливаются из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3,5-Ю19 - 3-Ю20 см"3 (что соответствует удельному сопротивлению равному 0,0006 - 0,0045 Ом-см).
Однако такое конструктивное решение имеет существенный недостаток - большой разброс диапазона изменения выходного сигнала для различных образцов тензопреобразователей, вызванный разбросом геометрических размеров (прежде всего толщины) их упругих элементов.
В последнее время созданы полупроводниковые тензорезисторы [29] на основе германия и арсенида галлия позволяющие повысить точность измерения механических величин за счет исключения поперечной тензочувстви-тельности. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом тензорезисторе, выполненном в виде тензочувствительной пленки, снабженной контактными площадками с токовыводами, нанесенной на подложку в виде прямоугольной пластины из изолирующего материала, ширина а подложки и толщина Ъ связаны соотношением \ alb = 2.
Данные недостатки учтены в конструкции тензопреобразователя [31], широко используемого при измерении давления. Тензопреобразователь (рис. 1.7) содержит прямоугольную мембрану 9 с диэлектриком 2 и двумя поперечными 3 и двумя продольными 4 (относительно оси симметрии мембраны) тензорезисторами на ее наружной поверхности, выполненную из монокристаллического кремния, и опорное основание 7. На поверхности диэлектрика сформированы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала 1, в которых созданы тензорезисторы.
Конструкция тензопреобразователя: 1-островки нелегированного полупроводникового материала, 2-диэлектрик, 3-поперечные тензорезисторы, 4-продольные тензорезисторы, 5-алюминиевая разводка, 6-контактные окна к тензоре-зисторам, 7-опорное основание, 8-защитный окисел, 9-мембрана.
Однако данное конструктивное решение не позволяет осуществлять подстройку разбаланса моста, вызванного возможным разбросом значений сопротивлений тензорезисторов.
Известен также другой полупроводниковый тензопреобразователь [32], применяющийся для измерения механических величин, предложенный автором Сухановым В.И. Тензопреобразователь содержит измерительную мостовую тензосхему, к диагонали питания которой подключен шунтирующий резистор. Плечи мостовой тензосхемы и шунтирующий резистор содержат перемычки, разрывом которых обеспечивается настройка начального сигнала и диапазона изменения выходного сигнала тензопреобразователя. Все элементы тензосхемы сформированы методами фотолитографии на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок (3,5...9)-10 см" .
Предлагаемое техническое решение позволяет: - уменьшить погрешность измерений тензопреобразователей с унифицированной градуировочной характеристикой благодаря подключению к диагонали питания мостовой тензосхемы дополнительного шунтирующего резистора с подстраиваемым сопротивлением; - упростить процедуру настройки выходного сигнала тензопреобразователей благодаря возможности проведения раздельной настройки их начального сигнала и диапазона изменений выходного сигнала; ч - повысить надежность тензопреобразователей благодаря выносу за пределы упругого элемента перемычек, предназначенных для подстройки сопротивления шунтирующего резистора.
Формирование области пространственного заряда
Для исследования процесса образования пространственного заряда в структуре ТЧЭ необходимо рассмотреть зонную диаграмму МДП - структуры.
Диаграмма структуры при отсутствии напряжения на изолированном электроде (Ус — 0) представленная на рис. 2.4 характеризует состояние плоских зон при котором энергетические зоны МДП - структуры не изогнуты.
При подаче положительного потенциала на управляющий электрод, края зоны проводимости и валентной зоны изгибаются вниз. Из рисунка видно, что у поверхности полупроводника накапливаются электроны, и уменьшается количество дырок - режим аккумуляции основных носителей. ц/в — расстояние между уровнем Ферми и собственным уровнем, которое зависит от уровня легирования полупроводника. Величина ц/в рассчитывается по формуле [60].
С увеличением напряжения на изолированном электроде ц/3 и W растут, пока не наступит насыщение (ys « 2у/в), и рост y/s и W резко замедлится. При ц/g м 2ц/в заряд под затвором экранирует поле, созданное потенциалом на управляющем электроде. Поэтому глубина обогащенного слоя дальше не увеличивается.
Поверхностная плотность заряда под затвором Qs зависит от напряжения на затворе VG, напряжения на стоке VD, температуры Т и толщины под-затворного диэлектрика d. Температура оказывает существенное влияние на образование пространственного заряда. От температуры зависит скорость генерационно-рекомбинационных процессов. При температуре ниже 150 К скорость довольно маленькая, при температуре выше 150 К генерация и рекомбинация происходит очень быстро. Чем быстрее происходят генерационно-рекомбинационные процессы, тем быстрее стабилизируется пространственный заряд Qs [62].
Рассчитаем Qs в зависимости от напряжения на затворе VG при разных фиксированных значениях температуры и напряжениях на стоке VD. Однако при расчете надо учитывать, что при деформации полупроводника меняется и собственная концентрация носителей щ.
Из рис.2.7 видно, что при одном и том же фиксированном значении температуры и напряжении на стоке VD с увеличением напряжения на затворе VG пространственный заряд Qs увеличивается в отрицательную область. Объясняется это тем, что с увеличением положительного потенциала увеличивается поле положительного заряда через структуру металл - диэлектрик -полупроводник.
Зависимость пространственного заряда Qs от напряжения на затворе VQ при различных значениях температуры и напряжениях на стоке VD для концентрации примеси в подложке ND =1016 см 3: 1-FD=5B, Г=300К; 2 KD=3B, Г=300К; 3-РЪ=5В, Г=500К; 4-KD=3B, Г=500К. Следовательно, увеличение числа электронов в подзатворной области приводит к увеличению там отрицательного заряда. Увеличение напряжения на стоке VD уменьшает отрицательный заряд Qs под затвором - область значений Qs расширяется в положительной четверти. Значения напряжений VG при которых Qs положителен не допустимы для работы прибора. Увеличение напряжения на стоке VD, передвигает область используемых напряжений VG вправо (в сторону увеличения). Полученные результаты позволяют выбрать значения напряжения на стоке VD и напряжения на затворе VG.
Так как проектируемая структура ТЧЭ предназначена для определения деформаций, то необходимо определить зависимость изменения пространственного заряда Qs от механического напряжения. Для этого необходимо решить следующую систему уравнений.
Влияние электрофизических параметров на выходной сигнал тензочувствительного элемента
Для изготовления ТЧЭ можно использовать и собственный полупроводник, и легированный полупроводник с различным содержанием примесных атомов. Концентрация примесей в материале влияет на выходные параметры полупроводникового ТЧЭ. Влияние такого фактора на кремний с электронным типом проводимости изображено на рис.3.1.
Следует заметить, что эти результаты, представленные в графическом виде, соответствуют конкретным электрофизическим и топологическим параметрам: ширина канала Z = 1мкм, длина канала L0 - 0,5мкм, Vo = 9В, VG = 10В, толщина диэлектрика d — 0,03мкм. На рис. 3.1 из трех графиков наиболее сильно искривлена зависимость 1, которая соответствует случаю, когда тензочувствительный элемент сформирован в монокристалле собственного кремния (без примеси). С увеличением содержания примесных атомов в монокристалле уменьшается угол наклона графика зависимости выходного тока ТЧЭ от деформации (механического напряжения). Угол наклона линии зависимости определяет величину изменения выходного тока при изменении механического напряжения, что характеризует чувствительность ТЧЭ.
Анализируя графические данные, можно сделать вывод, что тензочув-ствительность предлагаемой структуры уменьшается с увеличением концентрации примеси в подложке для данных входных электрофизических и топологических параметров, однако при других условиях зависимости могут выглядеть по-другому. Уменьшение чувствительности связано с уменьшением подвижности основных носителей заряда. С ростом количества примесных атомов в монокристалле увеличивается вероятность столкновения электронов проводимости с этими атомами. Следовательно, увеличение рассеяния носителей на ионах примеси уменьшает подвижность основных носителей заряда. Из рис. 3.1 видно, что характер изменения выходного тока при деформационном воздействии на кремний и-типа для всех трех зависимостей остается одинаковым - монотонно возрастающим.
При увеличении концентрации донорной примеси увеличивается выходной ток полупроводникового ТЧЭ. Данный факт свидетельствует о том, что с ростом концентрации примесных атомов происходит увеличение пространственного заряда, и удельное сопротивление канала структуры уменьшается.
Анализ зависимостей показывает, что с уменьшением толщины диэлектрика растет уровень выходного сигнала тензочувствительного элемента. Уменьшение толщины диэлектрика под затвором приводит к увеличению величины электрического поля, создаваемого потенциалом на затворе, и проникающего через диэлектрик в подзатворную область полупроводниковой подложки. В результате увеличения электрического поля увеличивается количество основных носителей заряда. Это приводит к увеличению выходного тока ТЧЭ. Следовательно, диэлектрик является очень важной конструктивной составляющей разрабатываемого ТЧЭ. Чем тоньше диэлектрик, тем лучше следующие характеристики ТЧЭ, такие как уровень выходного тока, линейность, чувствительность. Но чем тоньше диэлектрик, тем более жесткие требования предъявляются к качеству диэлектрического слоя. Кроме этого, с уменьшением d уменьшается величина напряжения пробоя V„p, a Vnp не должно быть меньше напряжения на затворе VQ.
Проанализируем влияние длины канала L0 на выходную деформационную характеристику разрабатываемого полупроводникового тензочувстви-тельного элемента. нализируя графики, можно сделать вывод о влиянии изменения длины проводящего канала в структуре ТЧЭ на его характеристики. С уменьшением длины Ln при одной и той же концентрации легирующей примеси в подложке чувствительность возрастает. Вследствие уменьшения электрического сопротивления канала с уменьшением его длины, по закону Ома увеличивается электрический ток через канал, а значит, растет уровень выходного сигнала ТЧЭ.
Влияние технологических операций на метрологические характеристики тензочувствительного элемента
Точность выполнения полупроводникового ТЧЭ зависит от уровня технологии, от правильно выбранных технологических режимов и оборудования. Поэтому были проведены экспериментальные исследования технологии с целью выявления доминирующих этапов и определения путей повышения технологической точности. После проведенных исследований наиболее важными оказались такие технологические этапы, как фотолитография, диффузия и окисление. От точности выполнения этих операций зависит точность получения топологических размеров - длины, ширины канала и толщины диэлектрика под управляющим электродом. Как следует из анализа математической модели, топологические параметры являются одними из определяющих метрологические характеристики ТЧЭ.
Фотолитография. Фотолитография оказывает заметное влияние на точность выполнения полупроводникового ТЧЭ. Данная технологическая операция позволяет формировать длину и ширину канала. Эти величины существенно влияют на метрологические характеристики. Абсолютная погрешность при воспроизведении этих размеров составляет величину порядка 0,1 мкм. Ошибка в получении топологических размеров связана с преломлением световых лучей при засвечивании фоторезиста и с неровностью краев фотошаблона. Эти эффекты можно избежать, заменив фотолитографию электронно-лучевой или рентгеновской литографией.
Диффузия. При изготовлении полупроводникового ТЧЭ диффузия необходима для легирования подконтактных областей. Одновременно задается длина проводящего канала, который ограничен диффузионными областями (рис. 4.1). Как описано в предыдущем параграфе, диффузия протекает не только в глубь подложки, но и в стороны. Следовательно, боковая диффузия уменьшает длину канала, что, в свою очередь, изменяет метрологические характеристики полупроводникового ТЧЭ. Поэтому боковую диффузию необходимо прогнозировать и учитывать при проведении других термических операций, как предложено в предыдущем параграфе.
Другой метод регулирования боковой границы диффузионных областей, это замена термической диффузии ионной имплантацией. Суть метода заключается во введении примеси в виде ускоренных в магнитном поле ио нов. В этом случае траектория движения примеси направлена перпендикулярно поверхности полупроводниковой подложки за счет высокой энергии ионов. Но при таком методе введения примеси создаются радиационные дефекты. Поэтому после имплантации с обратной стороны подложки необходимо производить лазерный отжиг дефектов.
Окисление. Тонкий слой оксида кремния следует выращивать в сухом кислороде, что вызвано двумя причинами. Во-первых, очень жесткие требования предъявляются к качеству диэлектрика, которое можно достичь только в сухом кислороде. Во-вторых, при таком методе скорость роста слоя оксида очень маленькая и тем самым легче обеспечить точность в получении заданной толщины диэлектрика.
Адекватность математической модели физическим процессам, протекающим в ТЧЭ при о дно о сно-упругой деформации.
Экспериментальные исследования полупроводникового ТЧЭ и проверка работоспособности предлагаемой структуры проводилась при постоянной температуре по схеме представленной на рис. 4.6. Для исследования образцы полупроводниковых ТЧЭ закреплялись на консольной балке постоянного сечения выполненной из диэлектрического материала. Один конец балки был жестко закреплен, а к свободному концу балки прикладывалась нагрузка, определяющая деформацию ТЧЭ. Длинная сторона образцов ориентировалась вдоль оси балки. Изгиб в вертикальном направлении измерялся стрелочным индикатором перемещений типа ИЧ-50 с абсолютной погрешностью А/ = 0,01 мм. Погрешности измерения линейных размеров имели следующие значения: Act -Д/г = Ab = 0,1 мм. Так как механическое напряжение определяется в результате косвенных измерений необходимо оценить погрешности этих измерений.
Анализируя данные, представленные в таблице 4.1, можно сделать вывод о том, что при увеличении механического напряжения погрешность измерений несущественно уменьшается. Это связано с большим вертикальным изгибом / при нагружении. Более высокой точности при определении механического напряжения можно добиться путем измерения изгиба балки в вертикальном направлении оптическими методами.
После нормирования погрешностей входной величины (механического напряжения) проводилась проверка адекватности разработанной математической модели (3.10). Для этого экспериментально измерялось значение выходного тока ID тензочувствительного элемента, при заданном механическом напряжении, и сравнивалось со значением, рассчитанным по математической одели. При обработке результатов использовалась известная методика [81 83].
Адекватность модели (3.10) проверялась по критерию Фишера. Так как выходная функция нелинейная, то проверку надо делать на разных участках зависимости. Весь диапазон делим на интервалы, на которых зависимость можно считать линейной. Адекватность модели проверялась в диапазоне механических напряжений от 103 до 10 Па. На данном интервале было проведено по 20 измерений. Табличное значение квантиля критерия Фишера FT=2,41 при принятом уровне значимости а=0,05.
