Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность разработки кремниевых чувствительных элементов давления,с повышенной стойкостью к перегрузкам 14
1.1 Способы-преобразования сигнала 14
1.1.1 Преобразование сигнала изменением ёмкости 14
1.1.2 Вибрационно-частотный способ преобразования 16
1.1.3 Преобразование сигнала изменением сопротивления 18
1.2 Конструкции и технологические методы изготовления ЧЭ 20
1.3 Способы выполнения защиты первичных преобразователей от разрушения при перегрузках 23
1.4 Конструктивно-технологические решения датчиков для измерения малых давлений 27
1.5 Способы математического описания погрешности нелинейности выходного сигнала тензопреобразователей 29
1.6 Методы микрообработки кремния 30
1.6.1 Жидкостное анизотропное травление 31
1.6.2 Качество вытравливаемого рельефа 34
1.6.3 Электромеханический ограничитель травления 35
1.7 Компенсация растравливания выпуклых углов 36
1.8 Выводы к первой главе 40
Глава 2. Разработка конструкции и технологии изготовления чувствительного элемента давления со встроенной защитой от перегрузок 42
2.1 Введение 42
2.2 Исследование нагрузочной способности макета тензомодуля 42
2.3 Разработка чувствительного элемента с защитой от перегрузок 45
2.4 Технология формирования стопорного углубления 48
2.4.1 Формирование стопорного углубления за счёт стеклянного основания 48
2.4.2 Формирование стопорного углубления за счёт кремниевого кристалла 51
2.4.3 Технологические приёмы для устранения взаимодействия поверхностей жёсткого центра и основания в процессе электростатического соединения 56
2.5 Исследование характеристик тензомодулей с защитой от перегрузок 60
2.5.1 Методика проведения экспериментов 60
2.5.2 Исследование тензомодулей при комнатной температуре 63
2.5.3 Исследование работоспособности тензомодулей
при повышенных и пониженных температурах 68
2.6 Моделирование нагрузочной способности чувствительных элементов 72
2.6.1 Методы моделирования 72
2.6.2 Результаты моделирования нагрузочной способности ЧЭ 73
2.7 Методика расчёта величины стопорного углубления 76
2.8 Анализ возможных технологических отказов в работе ЧЭ с защитой
от перегрузок и способы устранения вызывающих их причин 81
2.9 Выводы ко второй главе 86
Глава 3. Исследование причин возникновения нелинейности преобразовательной характеристики чувствительного элемента 87
3.1 Оценка чувствительности первичного тензопреобразователя 87
3.2 Теоретический расчёт нелинейности преобразовательной характеристики ЧЭ 90
3.3 Исследование линейности преобразовательных характеристик опытных образцов ЧЭ 93
3.4 Моделирование преобразовательной характеристики ЧЭ 96
3.5 Исследование возможности создания ЧЭ для измерения давлений, существенно превышающих номинальное 99
3.6 Выводы к третьей главе 101
Глава 4. Разработка чувствительного элемента для измерения малых давлений (менее 6,3 кПа) 103
4.1 Введение 103
4.2 Разработка ЧЭ для измерения малых давлений 104
4.3 Исследование характеристик ЧЭ на малые давления 108
4.4 Исследование точностных характеристик датчиков на малые давления 111
4.5 Выводы к четвёртой главе 115
Глава 5. Разработка методики выбора формы и назначения размеров фигур компенсации при анизотропном травлении кремния 116
5.1 Введение 116
5.2 Методика проведения эксперимента и обработки результатов 117
5.3 Результаты экспериментов 121
5.4 Квадратный компенсатор 125
5.5 Диагональный компенсатор 129
5.6 Компенсатор в форме полоски 135
5.7 Комбинированный компенсатор 140
5.8 Назначение размеров мембраны 144
5.9 Выводы к пятой главе 146
Общие выводы по работе 147
Список литературы
- Вибрационно-частотный способ преобразования
- Разработка чувствительного элемента с защитой от перегрузок
- Теоретический расчёт нелинейности преобразовательной характеристики ЧЭ
- Исследование характеристик ЧЭ на малые давления
Вибрационно-частотный способ преобразования
Приборы, основанные на данном способе преобразования, хорошо себя зарекомендовали, однако не получили дальнейшего развития из-за чувствительности к ударам и вибрациям и низкой технологичности производства [2, 5, 12]. Технологии выращивания кристаллических структур позволили японской компании Yokogawa реализовать принципиально новый частотно-резонансный сенсор Н-образной формы (рис. 1.2) - две балки размерами несколько десятков микрон, соединённые перемычкой и выполненные в виде единого монокристалла кремния. Одна из балок служит для возбуждения колебаний, передаваемых через перемычку на вторую балку, на выходе которой-возникает электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС усиливается и возвращается обратно на вход схемы, что приводит к саморезонансу (автоколебаниям) системы. Для возбуждения колебаний применяется ряд способов: электромагнитный, электростатический, пьезоэлектрический, термический и др. Поскольку балки связаны только механически, возбуждающая компонента тока не накладывается на ЭДС индукции. Этим достигается высокое отношение сигнал/шум [9, 10, 12].
Для повышения добротности колебаний и увеличения уровня выходного сигнала балка помещена в вакуумированную полость [9, 10, 12]. В случае кремниевого резонатора собственная частота колебаний балки обычно составляет около 90 кГц и определяется её массой, геометрическими размерами и формой. Масса резонатора измениться не может, а его размеры и форма жёстко зафиксированы кристаллической решеткой — самой стабильной и упругой структурой. Всё это в совокупности позволяет гарантировать стабильность характеристик во всём диапазоне рабочих условий.
Преимуществами вибрационно-частотных преобразователей давления являются повышенные точность (0,01 %, включая влияние нелинейности, повторяемости, гистерезиса) и стабильность (0,1 % в течение 10 лет), высокая разрешающая способность выходного сигнала, который может быть считан непосредственно микропроцессорным устройством (при этом исключается часть погрешности, приходящейся на аналогово-цифровое преобразование); одновременное измерение дифференциального и статического давления за счёт размещения на одном кристалле двух резонаторов [9, 10, 12]. Недостатком является сложная технология изготовления.
По способу крепления к упругому чувствительному элементу различают наклеиваемые и ненаклеиваемые тензорезисторы [2, 13]. Технология изготовления наклеиваемых полупроводниковых тензорезисторов включает в себя ориентацию слитка заготовки по заданным кристаллографическим направлениям, разрезку на пластины, их шлифовку до требуемых толщин и чистоты поверхности, изготовление невыпрямляющих контактов, приварку выводных проводов, приклейку к упругому элементу. Простые в эксплуатации наклеенные тензодатчики имеют ограниченный ресурс из-за старения и текучести клеёв, невозможности получать безгистерезисные соединения. Поэтому класс приборов, изготавливаемых на основе такой технологии, невысокий [2, 3, 13-15].
Тонкоплёночные тензорезисторы благодаря атомарной связи с подложкой лишены недостатков, присущих наклеиваемым [2, 3, 13, 16]. В металлических тензорезисторах сопротивление изменяется за счёт деформации поперечного сечения. В полупроводниковых пьезорезисторах чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, занимающее очень широкий диапазон значений от 10"5 до 104 Ом-м и существенно зависящее от содержания в них примесей. Кремниевые пьезорезисторы по коэффициенту чувствительности (=125...135 прир-проводимости и к= -(100... 130) при «-проводимости) на два порядка превосходят металлические тензорезисторы (&=2), что позволяет существенно упростить аппаратуру для усиления выходного сигнала [3, 13]. По сравнению с резисторами «-типа пьезорезистив-ный эффект более линеен в резисторах /?-типа, поэтому они получили большее распространение. Довольно часто применительно к пьезорезисторам употребляется термин тензорезисторы. Строго говоря, тензо- и пьезорезистивный эффекты - это не одно и тоже [13], но для простоты изложения материала можно допустить такое упрощение в терминологии.
Разработка чувствительного элемента с защитой от перегрузок
Известно, что создание концентраторов механических напряжений на мембране в местах расположения тензорезисторов позволяет повысить чувствительность при сохранении собственной резонансной частоты, либо увеличить резонансную частоту при сохранении чувствительности; значительно увеличить прочность мембраны и улучшить ряд других характеристик ЧЭ. С этой целью можно создавать не плоские, а профилированные мембраны, например с одним или несколькими центральными выступами (жёсткими центрами). Помимо указанных преимуществ преобразователи с концентраторами напряжений обладают лучшей линейностью и сущест венно большим диапазоном линейного преобразования по сравнению с преобразователями на основе плоских мембран. Использование только поперечного пьезоэффекта во всех плечах моста позволяет взаимно скомпенсировать нелинейности зависимостей относительного изменения сопротивлений тензорезисторов от давления или деформации [13].
Основания чувствительных элементов, являющихся предметом настоящего исследования, выполнены из стекла марки ЛК-5 (ЛК-7), имеющего температурный коэффициент линейного расширения 3,3...4,4-10-6 1/С, близкий к кремнию (ТКЛР кремния 2,7-10"6 1/С). Это позволяет минимизировать температурные погрешности чувствительного элемента. Кроме того, стекло обеспечивает высокие пробивные напряжения между электрическими цепями кристалла и корпусом датчика, благодаря чему не требуются- дополнительные детали (изоляторы) для гальванической развязки чувствительного элемента с корпусом. Соединение кристаллов.с основаниями осуществлялось путём электростатического соединения (анодной посадки), которое за счёт устойчивого спая обеспечивает хорошую временную стабильность [44]. В-случае применения кремниевого основания возможна сборка ЧЭ посредством эвтектики, легкоплавкого стекла или электростатического соединения через тонкую плёнку напылённого стекла "Пирекс", [44, 91]. В корпусе тен-зомодуля (рис. 2.3, а) узел ЧЭ-стекло закреплялся с помощью клея [92, 93].
Размер углубления определяется величиной прогиба мембраны при приложении к ней номинального давления, который составляет несколько микрон. При групповом методе изготовления чувствительных элементов всегда существует разброс номинальных размеров по толщине пластины. Для исключения срабатывания защиты до достижения номинального давле- ния величина зазора между поверхностями жёсткого центра и стопорного углубления должна превышать номинальный прогиб мембраны. При сборке опытных образцов ЧЭ использовались основания с углублением 10...14 мкм. В основании для подвода давления к мембране (в ДРД) или сообщения мембраны с окружающей средой (в ДИД) предусмотрено отверстие. Поскольку отверстие имеет размер (00,8...1,2 мм), сопоставимый с размером жёсткого центра, оно было смещено к периферии кристалла для исключения провали-вания и заклинивания жёсткого центра в нём и обеспечения непрерывного подвода давления к обратной стороне мембраны. При подаче на мембрану давления, превышающего номинальное, поверхность жёсткого центра упрётся в поверхность основания, и дальнейшее перемещение мембраны станет невозможным, что предотвратит её разрушение (рис. 2.3, б).
Кристаллы ЧЭ изготовлены по биполярной технологии без слоя разделительной диффузии. На кристалле методом диффузии или ионной имплантации сформированы четыре тензорезистора, объединённые в мостовую схему. Вне зоны деформации мембраны размещён терморезистор, выполняющий функции датчика температуры для регулировки температурного изменения нулевого сигнала и чувствительности в схеме обработки сигнала. Кроме того, для температурной компенсации дрейфа чувствительности на периферии кристалла предусмотрена транзисторная схема. Мембрана чувствительного элемента с ЖЦ сформирована посредством анизотропного травления в 33 %-ном водном растворе едкого кали.
Разработчикам чувствительных элементов можно дать следующую методическую рекомендацию при проектировании топологии ЧЭ. Для вывода контактных площадок от тензорезисторов за пределы области деформации мембраны обычно используется слой /?+-типа проводимости с поверхностным сопротивлением 10...20 Ом/п. Из-за того, что элементы данного слоя вносят определённый вклад в сопротивление тензорезисторов, р+ области необходимо распределять на топологии ЧЭ таким образом, чтобы они давали одинаковое приращение сопротивления каждого из четырёх тензорезисторов. В противном случае велика вероятность получения кристаллов с большим смещением (разбалансом) начального выходного сигнала. Кроме того, в р+ областях, хоть и в меньшей степени, но всё же присутствует тензоэффект, который может сказаться на ухудшении линейности преобразовательной характеристики. Поэтому их по возможности следует размещать так, чтобы они помимо равного вклада в начальное сопротивление резисторов, давали одинаковое приращение их сопротивлений при1 приложении к мембране давления.
Теоретический расчёт нелинейности преобразовательной характеристики ЧЭ
С помощью программных продуктов SolidWorks и COSMOSWorks была создана модель кристалла чувствительного элемента давления и рассчитаны возникающие в нём под воздействием приложенной нагрузки механические напряжения, деформации и перемещения. В 1.1.3 показано, что в пьезорезисторах преобразование измеряемой деформации в изменение электрического сопротивления происходит вследствие пьезорезистивного эффекта - свойства изменять электрическое сопротивление при деформировании. Для.перехода от деформаций к изменению сопротивления пьезорези-сторов существуют известные зависимости [13, 11-114]. Пьезорезистор характеризуется коэффициентом пьезочувствительности S, который равен относительному изменению сопротивления AR/R, приходящемуся на единицу деформации . S- R. (3.1) є-R Изменение сопротивления пьезорезистора при деформации AR R = (і + 2 + тгЕ)є, (3.2) где іл — коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга; it - пьезорезистивный коэффициент.
В выражении (3.2) первый член характеризует изменение сопротивления за счёт изменения длины пьезорезистора, второй - за счёт изменения площади его сечения, а третий - за счёт изменения удельного сопротивления. Полупроводники имеют большие значения пьезокоэффициентов, поэтому этот фактор вносит наибольший вклад в изменение AR/R. Кроме того, зависимость между деформациями єн напряжениями т в твёрдом теле описывается законом Гука: Е = — . (3.3) С учётом формулы (3.3) уравнение (3.2) можно записать в виде AR R Є ЕЖ - G7Z . (3.4)
В рассматриваемом чувствительном элементе применены четыре диффузионных резистора (рис. 3.1, а), соединённых в мостовую схему Уитстона. Рис. 3.1. Электрическая схема ЧЭ (а) и иллюстрация отклонения его действительной характеристики преобразования от линейной зависимости (б) П Токи, идущие через резисторы Rh i?4 и Ri, Кз, рассчитываются по формулам W4 Rx+R, h =h = П R2 +R3 (3.5) (3.6) Падения напряжения на резисторах R$ и R3 определяются выражениями D um = Л 4 = un D ,4D ; Ч "4 з R.+R, К, + к. UB2 - J2R2 = Un (3.7) (3.8) Выходной сигнал моста AUB при напряжении питания Un можно описать следующим образом = / шв = иВ2-ит=ип R, R, R2 + л3 Ry + i?4 1 3 2 4 n(Rl+R4){R2 + R3) (3.9)
Значения сопротивлений резисторов Ri...R4, как правило, выбираются равными. Поэтому выходной сигнал чувствительного элемента, к которому не приложено давление, должен быть равен нулю. Приложение давления к ЧЭ приводит к появлению напряжений, изменяющих сопротивления резисторов Ri и Ri на величину AR+, а резисторов R2 и R4 - на (-ARJ). С учётом приращений сопротивлений резисторов сопротивление тензомоста, а, следовательно, и выходной сигнал, становятся отличными от нуля:
Чувствительные элементы с жёстким центром имеют линейную преобразовательную характеристику. Сжимающие и растягивающие напряжения в местах размещения тензорезисторов практически равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Поэтому можно принять ЛД+«ДЯ_ = ЛЯ. (3.11) С учётом (3.11) выражение (3.10) принимает вид = и АГТ тт AR + AR тт 2AR „ AR п AUR = Un = Un Я в n2Rn+AR-AR п 2R (3.12) Подставив выражение (3.4) в формулу (3.12), получим: AUB=Un j7r. (3.13)
Таким образом, с учётом допущения (3.11) для мембраны с жёстким центром получаем прямую зависимость выходного сигнала от напряжений, возникающих в тензорезисторе. Уравнения (3.12) и (3.13) можно использовать для оценки чувствительности кристалла с жёстким центром заданной конфигурации.
Теоретический расчёт нелинейности преобразовательной характеристики ЧЭ
Результаты исследования чувствительных элементов с различной конфигурацией мембраны показывают, что нелинейность зависимости сопротивления тензорезисторов от величины приложенного к мембране давления составляет не более 0,1...0,15% в диапазоне преобразования О..Л,5р1ЮМ и не превышает 0,2...0,3% в диапазоне давлений О...3р„ом. Поэтому для дальнейших рассуждений можно принять линейную зависимость сопротивления тензорезисторов от давления, прикладываемого к мембране [53] AR+=krp, (3.14) AR_=k2-p, (3.15) где к], к2 - коэффициенты пропорциональности (постоянные). Тогда с учётом (3.14) и (3.15) получим следующее выражение для выходного сигнала, описываемого формулой (3.10), Разложим AUв в ряд Тейлора М, ч (ЗЛ7) +... М.(Р-АГ+...
Ограничившись первыми тремя членами ряда, после вычисления производных, подстановки их в выражение (3.17) и упрощения получим формулу для расчёта действительной характеристики преобразования (чувствительности тензопреобразователя) ШЬ= Ік к Р + ІкІ-к")-Р2- (3-18) Теоретическая (идеальная) характеристика преобразования (см. рис. 3.1, б) определяется выражением д А Ои .р=Ыл.. +кг)+Лл.. _ .р JJW (319) ГНОМ о о
Как показано в разделе 1.5 погрешность нелинейности определяют по значению наибольшего отклонения средних значений выходного сигнала от линейной зависимости между входным и выходным сигналами, при котором минимизируется значение этого отклонения в заданном диапазоне измерения [50-51]. Средние значения выходного сигнала определяют по результатам многократных, следующих одно за другим измерениях от меньших значений к большим и от больших к меньшим в пределах установленного диапазона измерения. Таким образом, нелинейность преобразовательной характеристики ЧЭ при давлении/? определяется выражением:
Исследование характеристик ЧЭ на малые давления
Для настройки датчика давления необходимо, чтобы чувствительность кристалла при номинальном давлении составляла не менее Ю...15мВ (2...3 мВ/В). Теоретически сигнал, снимаемый с мостовой схемы, может иметь гораздо меньший уровень, поскольку путём подбора коэффициента усиления его можно довести до значения, принимаемого электронной схемой датчика. Однако при этом существенно возрастут погрешности, обусловленные наличием различных шумов, помех и наводок, а также температурным гистерезисом нулевого сигнала и чувствительности. Очень низкий полезный сигнал становится сопоставимым по величине с указанными составляющими погрешности [117], которые приводятся к чувствительности при номинальном давлении.
КНК тензомодули, применяемые в датчиках давления, как правило, имеют несколько типоразмеров кристалла ЧЭ. Например, в датчиках разности давлений ТЖИУ406 для измерения давлений 40 кПа и более используются чувствительные элементы с размерами кристалла 4x4 мм", а для давлений 6,3...25 кПа — ЧЭ размером 6,2x6,2 мм2. Типовая чувствительность КНК тен-зомодулей придавлений 6,3 кПа лежит в диапазоне 25...40 мВ (4...6 мВ/кПа). Толщина мембраны ЧЭ при этом составляет 22...25 мкм. Такие кристаллы не могут быть использованы для создания датчиков с верхним пределом измерения менее 2,5 кПа. В разделе 1.4 показано, что существующие на сегодняшний момент конструктивно-технологические решения в области измерения малых давлений, базирующиеся на мембранно-рычажных преобразователях силы и КНС-структурах, обладают существенными недостатками, в частности низким быстродействием, большими габаритами и сложной технологией изготовления измерительного узла. Поэтому создание КНК-тензопреобразователей сВПИ 0,1...6,3 кПа, позволит существенно упростить конструкцию и технологию изготовления, уменьшить габариты датчика, а благодаря большой собственной частоте добиться требуемого уровня его быстродействия.
Повысить чувствительность можно путём увеличения размеров мембраны, снижения её толщины, а также введением дополнительных концентраторов напряжений [13, 118]. Увеличение размеров мембраны приведёт к возрастанию габаритов всего кристалла, что вызовет необходимость переработки существующей конструкции гидроблока датчика. Можно уменьшить толщину мембраны до 15..17 мкм, однако и в этом случае с трудом удастся получить необходимую чувствительность — утонение мембраны на 6 мкм увеличивает чувствительность примерно в 1,4 раза (см. 2.7).
В работе [119] показано, что расширить нижнюю границу диапазона измеряемых давлений можно посредством структурирования (локального утонения) мембраны со стороны тензосхемы. Такая конструкция ЧЭ основана на "планарной" концентрации напряжений. Для выявления потенциальных возможностей данного решения была разработана топология и изготовлены чувствительные элементы с плоской и плоской поверхностно-структурированной мембранами (рис. 4.1), которые в обоих случаях формировались анизотропным травлением в 33 %-ном водном растворе едкого кали. Толщина мембран составила 20 мкм. Локальное удаление материала для создания мезаструктур на планарной стороне кристалла осуществлялось методом плазмохимического травления кремния на глубину 5 мкм (см. 2.4.2).
Исследования чувствительных элементов с плоской поверхностно-структурированной мембраной показали, что их чувствительность при давлении 6,3 кПа и напряжении питания мостовой схемы 5 В составляет 40...50 мВ (6,5...8 мВ/кПа), что примерно в 1,5 раза превышает чувствительность кристаллов с плоской мембраной тех же размеров без мезаструктур (рис. 4.1, в). Тем не менее, такие кристаллы не пригодны для создания датчиков давления с верхним пределом измерений 0,1...1 кПа.
Мембраны с жёстким центром обладают большей чувствительностью по сравнению с плоскими тех же габаритов. Если в конструкцию кристалла с жёстким центром ввести дополнительно мезаструктуры с планарной стороны и одновременно уменьшить толщину мембраны, то возможно добиться требуемого уровня чувствительности. При этом кристалл с жёстким центром и ограничителем хода мембраны, рассчитанный на номинальное давление 5...6кПа будет выдерживать перегрузку со стороны тензосхемы до0,5...1 МПа. Исходя из ранее полученных результатов, разработана конструкция и технология изготовления чувствительного элемента с жёстким центром, поверхностно-структурированной мембраной и встроенной защитой от перегрузок (рис. 4.2).
На рис. 4.3 представлены эпюры напряжений в мембранах ЧЭ с жёстким центром различной конфигурации при приложении нагрузки 6,3 кПа, полученные с помощью программного продукта COSMOSWorks. Варианту кристалла, представленному на рисунке 4.3, д, соответствует поверхностно-структурированная мембрана толщиной 15 мкм и мезаструкту-рой глубиной 5...8 мкм. Напряжения в местах расположения тензорезисторов у края мембраны и жёсткого центра составляют 39;88 и -29,43 МПа соответственно. В пересчёте на выходной сигнал при давлении 6,3 кПа получаем чувствительность 75...85 мВ (11,9...13,5 мВ/кПа). Исходя из минимального значения чувствительности 10...15 мВ/кПа, необходимой для настройки датчика, такой кристалл может быть применён для датчиков с ВПИ 1 кПа и более.
На основе результатов моделирования изготовлена опытная партия кристаллов ЧЭ с поверхностно-структурированной мембраной и жёстким центром. В технологический процесс были заложены номинальные значения толщины мембраны 15 мкм и глубины мезаструктуры 6 мкм. Практически получены мембраны толщиной 13...17 мкм и мезаструктуры глубиной примерно 6 мкм.
В таблице 11 представлены номинальные параметры ЧЭ, заданные требованиями конструкторской документации на датчики, и значения, полученные при- исследовании опытных образцов таких тензомодулей. Значения погрешностей приведены к чувствительности при давлении 1 кПа. Температурный гистерезис начального выходного сигнала (далее гистерезис нуля) и температурный гистерезис чувствительности рассчитывались отдельно для пониженных и повышенных температур. Давление на кристаллы подавалось с помощью задатчика "Воздух-1600". Для исследований применялись приборы, оборудование и оснастка, описанные в разделе 2.5.1.
