Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния чувствительных элементов датчиков давления на основе структур «кремний на сапфире». 11
1.1. Обзор конструкции чувствительных элементов датчиков давления на основе КНС. 11
1.2. Технология формирования структур КНС 19
1.3. Лазерные технологии в производстве чувствительных элементов датчиков давления
1.3.1. Лазерный отжиг 25
1.3.2. Лазерная резка
1.4. Экспериментальные методы, используемые для исследования свойств структуры КНС 39
1.5. Анализ моделей технологических процессов лазерной обработки структур КНС. 43
1.6. Выводы по главе 1. 47
ГЛАВА 2. Моделирование процессов лазерной обработки структур кнс для изготовления чувствительных элементов датчиков давления . 49
2.1. Моделирование лазерного отжига структуры КНС для изготовления чувствительных элементов датчиков давления. 52
2.2. Моделирование лазерного управляемого термораскалывания пластин сапфира для изготовления чувствительных элементов датчиков давления 61
2.3. Выводы по главе 2. 66
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процессов лазерной обработки структур КНС 67
3.1. Влияние оптических и теплофизических свойств сапфира на выбор параметров технологического процесса лазерной обработке. 67
3.2. Исследование температурных полей пластин диэлектрика при лазерной обработки. 3.2.1. Исследование процесса лазерной обработки структуры КНС. 70
3.2.2. Исследование температурных полей и внутренних напряжений в пластине сапфира при лазерной обработке
3.3. Влияние лазерной обработки на свойства пленок аморфного кремния 77
3.4. Морфология поверхности и электропроводность пленки кремния после лазерной обработки. 80
3.5. Исследование лазерного термораскалывания пластин сапфира 84
3.6. Выводы по главе 3. 88
ГЛАВА 4. Разработка и исследование чувствительных элементов датчиков давления на основе структур КНС 89
4.1. Разработка конструкции мембраны датчика давления 89
4.2. Разработка конструкции датчика давления на основе КНС. 97
4.3. Разработка технологического маршрута изготовления чувствительных элементов датчиков давления на основе КНС . 98
4.4. Расчет чувствительности датчика давления на основе КНС 100
4.5. Сравнительный анализ полученного датчика давления с его аналогами 104
4.6. Выводы по главе 4 108
Заключение 109
Список использованных источников
- Лазерные технологии в производстве чувствительных элементов датчиков давления
- Моделирование лазерного управляемого термораскалывания пластин сапфира для изготовления чувствительных элементов датчиков давления
- Исследование температурных полей и внутренних напряжений в пластине сапфира при лазерной обработке
- Разработка технологического маршрута изготовления чувствительных элементов датчиков давления на основе КНС
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Стремительное развитие современной электроники, атомной промышленности, военной и космической техники предъявляет высокие требования к свойствам электронных приборов и устройств, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях (повышенные температуры, высокий уровень радиации и химически агрессивные среды). Датчики давления на основе кремния не способны удовлетворить комплексу всех этих требований. Для решения данных задач исследователи и технологи все больше применяют широкозонный материал — кремнии на сапфире (КНС).
Датчики давления на основе структуры «кремний на сапфире» обладают рядом преимуществ перед традиционными кремниевыми благодаря уникальным свойствам КНС.
В полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) на основе КНС p-n перехода нет, что позволяет в разы увеличить пробивное электрическое напряжение датчиков и также в разы повысить рабочую температуру полупроводниковых чувствительных элементов. Однородное легирование кремниевого слоя позволит более эффективно управлять параметрами ПЧЭ приборов и систем на их основе. Присутствие прочной изолирующей подложки в большей степени расширяет возможности улучшения тензочувствительной схемы и параметров тензорезисторных преобразователей (ТП). Также, структуры кремния на сапфире обладают высокой радиационной стойкостью.
Наиболее важными технологическими операциями при изготовлении чувствительных элементов датчиков давления являются процессы формирования структуры КНС и разделения пластины на кристаллы. Лазерные технологии применяют для отжига и резки структуры КНС, потому что имеют много преимуществ по сравнению с традиционными методами, такими как: высокая скорость обработки, высокая плотность мощности при фокусировке луча на обрабатываемую поверхность, возможность автоматизации процесса на высоких уровнях.
Поэтому разработка и исследование чувствительных элементов датчиков давления на основе структур КНС с использованием лазерных технологий, является актуальной и перспективной.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы являются разработка и исследование чувствительных элементов датчиков давления на основе структур КНС с использованием лазерных технологий. Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить ряд задач:
-
Обобщение и проведение анализа современных конструкций чувствительных элементов датчиков давления на основе структур КНС и определение направления совершенствования конструкции;
-
Создание численной модели процессов лазерной обработки структур КНС для изготовления чувствительных элементов датчиков давления;
-
Экспериментальные исследования процессов лазерной обработки структур КНС;
-
Разработка технологического маршрута изготовления чувствительных элементов датчиков давления на основе КНС с использованием лазерных технологий;
-
Разработка и исследование макетов конструкций датчиков давления с ПЧЭ на основе структуры КНС.
Научная новизна работы:
-
Разработана численная модель лазерного отжига структуры КНС для изготовления чувствительных элементов датчиков давления.
-
Разработана численная модель распределения напряжений и деформаций структуры КНС при лазерной обработке.
-
Экспериментально установлены закономерности влияния режимов лазерного излучения на получение кремниевой пленки на сапфире при лазерном отжиге.
Практическая значимость:
-
Определена зависимость градиента температуры в структуре КНС от времени и скорости сканирования лазерного луча. Показано, что температура на поверхности структуры КНС составляет порядка 500-600C при средней мощности лазерного излучения 70-90 Вт и скорости лазерного сканирования 5-10 мм/с.
-
Разработан технологический маршрут изготовления чувствительных элементов датчиков давления на основе структур КНС с использованием лазерных технологий, включающий использование лазерного отжига структуры КНС с длиной волны лазерного луча 532 нм и лазерного термораскалывания пластин сапфира лазерным излучением c длиной волны 1064 нм.
-
Экспериментально установлено, что мощность лазерного излучения в диапазоне от 60 до 73 Вт (Nd:YAG лазер с длиной волны 532 нм (LIMO 100-532/1064), длительностью импульса 55 нс и частотой следования импульсов 10 кГц) является оптимальной для получения наилучшего качества кремниевой пленки на сапфире.
-
Разработан макет конструкции датчиков давления на основе структур КНС с диапазоном измерения 0…200 МПа, уровнем выходного сигнала 10-15 мВ/В и диапазоном температур от -60 до 350 С.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработана модель процесса лазерного отжига структуры КНС для изготовления чувствительных элементов датчика давления.
-
Выявлено влияние температурных полей в структуре КНС при лазерной обработке с учетом плотности мощности лазерного луча и скорости сканирования. Технологические параметры отжига структур КНС с использованием лазерного отжига длинной волны 532 нм.
-
Технологический маршрут изготовления макета конструкции чувствительных элементов датчиков давления на основе КНС с использованием лазерных технологий с диапазоном измерения 0…200 МПа, уровнем выходного сигнала 10-15 мВ/В и диапазоном температур от -60 до 350 С.
Реализация результатов работы: Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры КЭС ИНЭП ЮФУ. Работа выполнена в рамках ФЦП Россия № 14.587.21.0025 по теме «Разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для оптимизации производства изделий из сапфира с микро- и наноэлектронике». Уникальный идентификатор проекта RFMEFI58716X0025.
Результаты диссертационной работы внедрены на промышленных предприятиях ООО «Центр нанотехнологий» (г. Таганрог), ООО «Завод Кристалл» (г. Таганрог), OАО «ТНИИС» (г. Таганрог) и в учебный процесс кафедры КЭС ИНЭП ЮФУ.
Апробация работы:
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научно-технических конференциях, и семинарах, в частности:
III всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов - «Проблемы автоматизации, региональное управление, связь и автоматика (ПАРУСА-2014)», Издательство ЮФУ, Геленджик – 2014;
12-я курчатовская молодёжная научная школа - НИЦ «Курчатовский институт», Москва – 2014;
XXII научная конференция «Современные информационные технологии:
тенденции и перспективы развития (СИТО 2015)», ЮФУ, Ростов на Дону – 2015;
International Conference on "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" (PHENMA 2015) devoted to 100-year Anniversary of the Southern Federal University, Azov – 2015;
Международная научно-методическая конференция «Инновационные технологии в науке и образовании (ИТНО-2015)», Зерноград - 2015.
Международная научно-практическая конференция молодых ученых стран БРИКС, Ростов-на-Дону - 2015 г.
XI школу-семинар «Математическое моделирование и биомеханика в современном университете», пос. Дивноморское - 2016.
XXIII научная конференция «Современные информационные технологии:
тенденции и перспективы развития (СИТО 2016)», Ростов на Дону – 2016.
Публикации:
По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 1 статья в журнале, индексируемом Scopus, 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса.
Структура и объем диссертации:
Лазерные технологии в производстве чувствительных элементов датчиков давления
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии
Один из методов получения структуры КНС – молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Эпитаксия из пучков молекул в вакуум считается процессом прямого переноса веществ [28, 29]. Вещество - это источник (монокристаллический кремний) в высоком вакууме быстро испаряется и образует поток молекул и частиц, которые достигают подложки сапфира без вступление во взаимодействие. Попавшие на поверхность подложки частицы Si под влиянием сил молекулярного взаимодействия формируют структуру, которая определяется структурой кристалла Si Рост эпитаксиального слоя проистекает вдоль поверхности, и слой кремния растет повторяя структуру подложки сапфира [30, 31]. Рисунок 1.9 – Схематическое описание ростовой камеры для молекулярно-лучевой эпитаксии
В результате проведенной работы [32] рассогласования кристаллических решеток Si и сапфира, а также из-за различий их коэффициентов теплового расширения около гетерограницы Si и сапфира наблюдается огромное количество дефектов: микродвойников, дефектов упаковки и дислокаций.
По результатам данной работы [33] показано в гетероэпитаксиальных слоях Si на сапфире, осажденных при пониженной температуре (600 С), более чем 50% объема материала в толщине слоя порядка 100 150 нм вблизи гетерограницы оказывается занято гексагональной модификацией.
Метод лучевой эпитаксии обладает многими достоинствами: относительная легкость изготовления слоёв из многих компонентов, возможность эпитаксиального роста при малых температурах (500 - 800 C), возможность получения однородного профиля легирования, высокая чистота конечных материалов. Главным недостатком метода лучевой эпитаксии в сравнении с методом газо-фазной эпитаксии является большая стоимость оборудования и значительная длительность откачки вакуума непосредственно перед процессом роста. Также, однородные по толщине слои получаются только на областях с маленькой площадью.
Технология структур ультратонкого кремния на сапфире (UltraCMOS) В 2002 г. компания Peregrine Semiconductor из США совместно с японской фирмой AKM (Asahi Kasei Microsystems Corp.) разработала новую технологию UltraCMOS, позволяющая существенно повысить качество слоев кремния на сапфировой основе и уменьшить их толщину до 100 нм и менее [34].
Суть этой технологии, которая включает три основных этапа, поясняется на рисунке 1.10. а. Сначала проводится традиционная эпитаксия кремния на сапфире, при которой на гетерогранице неизбежно возникает переходной слой с очень высокой плотностью микродвойников и прочих дефектов. При дальнейшем росте, как отмечалось выше, число этих дефектов уменьшается и для пленок достаточной толщины (около 600 нм) на поверхности формируется монокристаллическая пленка кремния, практически не содержащая дефектов. б. Полученная структура облучается ионами кремния так, чтобы они попали в каналы между параллельными рядами атомов верхнего слоя и прошли сквозь него, почти не теряя энергию и не создавая радиационных дефектов. В переходном слое эти каналы разрушены и движущиеся в нем ионы испытывают многочисленные столкновения с атомами кристалла, выбивая их из узлов. Выбитые атомы, как правило, имеют энергию, достаточную для того, чтобы и самим участвовать в подобном процессе. В результате вдоль траектории каждого иона возникают каскады столкновений, приводящие к появлению большого числа подвижных точечных дефектов (вакансий и междоузельных атомов). Взаимодействие этих дефектов между собой (и с уже имеющимися дефектами) приводит к образованию устойчивых нарушений кристаллической структуры вплоть до полной ее аморфизации.
Моделирование лазерного управляемого термораскалывания пластин сапфира для изготовления чувствительных элементов датчиков давления
МКЭ на данный момент времени является общепризнанным основным методом структурного анализа в целом ряде областей науки и техники. Созданные на его основе комплексы программ для мощных ЭВМ широко используются в строительстве, кораблестроении, аэрокосмической и автомобильной промышленности, акустике, оптике, медико-биологических исследованиях, разведке полезных ископаемых, при решении краевых задач механики сплошных сред и электромагнетизма [88].
Широкое использование этого метода в значительной мере объясняется простой физической интерпретацией основных его вычислительных операций, большой геометрической гибкостью и возможность применения к большому классу уравнений в частных производных. Он позволяет достаточно точно описать криволинейные границы области определения решения и краевые условия. В отличие от метода конечных разностей МКЭ дает единственность приближенного решения дифференциальных уравнений во всех точках наблюдаемой зоны и считается значительно эффективнее на практике.
В настоящий момент время широкую популярность получили методы компьютерного анализа и моделирования с использованием современных программных средств, базирующихся на МКЭ. К данным программным продуктам относят SIMULIA ABAQUS Software [89], ANSYS [90], MSC Nastran [91] и ряд других.
ANSYS является универсальной программной системой конечно-элементного анализа для решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твердого тела и механики конструкций, задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей [88]. Следовательно, при выполнении конечно элементного анализа процесса лазерной обработки необходимо решать две задачи: термическую – задачу и задачу определения напряженно-деформированного в пластине образца, реализованным программой ANSYS/Workbench [92].
Применение лазеров в промышленном производстве достаточно описано и отработаны. Базовые технологические операции содержат сварку, резку, пробивку отверстий, маркировку, гравировку и термоупрочнение [7]. Эти операции основаны на тепловом воздействии мощного лазера на обрабатываемые материалы.
При воздействии мощного лазера с веществом наблюдается целый ряд теплофизических процессов: поглощение и повышение температуры, плавление, испарение. Результат этих процессов, а, следовательно, и характер этого взаимодействия в большой степени зависит от коэффициента поглощения материала на длине волны лазерного излучения, его пиковой мощности и длительности воздействия на материал [7]. Излучение лазера, попадающее на обрабатываемую поверхность, поглощается в соответствии с экспоненциальным законом Бугера - Ламберта: 1(х) = /0ехр( ах), (2.1) где I(x) - интенсивность излучения лазера, проникающего в материал на глубину x; I0 - интенсивность падающего на объект излучения лазера (для простоты вклад отражения не учитывается).
Выделяющаяся тепловая энергия распределяется по материалу путем теплопроводности. Из этого следует, что построение каждого технологического процесса, осуществляемого с помощью лазера, следует учитывать теплофизику лазерного нагревания. Температура поверхности T находится в зависимости от мощности излучения лазера P (Вт), поглощаемой единичной площадью S (площадь лазерного пятна): 1 = !р (2.2) где I - плотность мощности лазера (Вт/см2). Для импульсного лазерного излучения величина P будет соответствовать пиковой мощности Pпик (т.е. мощности лазерного импульса) и определяется как: Рпик=7 (2.3) где E - энергия импульса лазера (Дж); - длительность импульса лазера. Кроме пиковой мощности импульсное лазерное излучение характеризуется также таким параметром, как средняя мощность, соответствующая усреднённой мощности по одному полному периоду между импульсами и определяется по формуле: Рсред = Е f , (2.4) где f - частота следования импульсов (Гц).
Исследование температурных полей и внутренних напряжений в пластине сапфира при лазерной обработке
Возрастание удельной электропроводности пленки кремния с увеличением размера кристаллов может быть связано с уменьшением количества границ между кристаллами вследствие их спекания, поскольку границы между кристаллами представляют собой области с высокой плотностью дефектов и примесей, сегрегированных в процессе осаждения пленки, и являющиеся энергетическими потенциальными барьерами. Также вероятнее всего происходит изменение механизма проводимости, т.е. с туннелирования через потенциальные барьеры на зонный перенос электронов вследствие процессов спекания и плавления, что способствует значительному увеличению удельной электропроводности.
На основе экспериментальных исследований лазерного отжига определены зависимости размера нанокристаллов и удельной электропроводности пленок кремния от мощности излучения лазерного отжига. Показано, что мощность лазерного излучения в диапазоне от 60 до 70 Вт является оптимальной для получения наилучших электрофизических параметров кремниевой пленки. Таким образом, лазерный отжиг позволяет значительно изменять размер нанокристаллов и удельную электропроводность полупроводниковых структур, что делает его важной технологической операцией при изготовлении высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов.
В настоящий момент времени во многих областях науки и техники широкое распространение получили лазерные технологические операции, в частности бурное развитие получил метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) широкого класса хрупких неметаллических материалов, впервые разработанный и запатентованный в СССР, а затем за рубежом.
Монокристаллы сапфира имеют ряд определенных физических свойств (высокая температура плавления, химическая и радиационная стойкость, высокая твердость и прозрачность), из-за чего они находят широкое применение в микроэлектронике, квантовой электронике, оптике высокого разрешения и нанотехнологиях. Доля использования таких материалов быстро возрастает практически во всех областях производства.
Существующие методы резки и обработки поверхности практически исчерпали свои возможности. По сравнению с традиционными механическими способами обработки хрупких неметаллических материалов (резки) лазерное термораскалывание имеет ряд преимуществ, основными из которых являются: - более экономичное использование материала и уменьшение количества отходов; - отсутствие механического воздействия на материал; - исключение операций шлифования и полирования края; - повышение прочности краев в результате их получения без сколов и поперечных трещин; - увеличение точности и воспроизводимости размеров вырезаемых изделий; - высокая скорость резки; - возможность выполнения резки по сложной траектории. На рисунке 3.17 приведена схема установки лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин. Устройство для осуществления резки сапфировых пластин содержит лазерную систему 1, оптико-механическую систему направления и фокусировки излучения 2, механизм перемещения фокального пятна лазера по поверхности образца 3, компьютер и контроллер для управления всеми электронными системами установки 4 и видеокамеру для контроля за процессом 5.
На рисунке 3.18 показана фокусирующая система установки лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин. Фокусирующая система состоит из гомогенизатора 1, оптической линзы 2, системы подвижных оптических элементов 3 (гальванометров), фокусирующего объектива Fheta 4 и сапфировой пластины 5. С помощью Fheta объектива достигается прямая пропорциональность между углом сканирования и расстоянием до рабочего поля, а также фокус лазерного луча всегда находится на плоской поверхности. Гомогенизатор позволяет получить однородное распределение интенсивности по сечению лазерного луча (П-образное распределение интенсивности). Рисунок 3.18 – Фокусирующая система установки ЛУТ
Предложенный метод ЛУТ пластин сапфира заключается в исследование прецизионного и безотходного разделения (термораскалывания) сапфира лазерным излучением с длиной волны 1064 нм. На начальном этапе на сапфировые пластины толщиной 2000 – 2400 мкм наносились слои графита толщиной 5 – 15 мкм, обозначающие направление реза. Пластина с нанесенными слоями графита обрабатывалась инфракрасным излучением твердотельного Nd:YAG лазера со скоростью перемещения лазерного луча 1 – 10 мм/с по поверхности слоя графита. Средняя мощность лазерного излучения составляла 80 – 100 Вт, а время воздействия – порядка 300 – 350 с.
Суть метода ЛУТ заключается в следующем: при повышении темпратуры поверхности материала пучком лазера, фокусируемым линзой сканирующей системы, в зоне нагрева в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия. Для управления параметрами процесса необходимо учитывать основные факторы, оказывающие влияние на ЛУТ, а именно: свойства материала, параметры лазерного излучения и ряд других.
В ходе выполнения экспериментальных работ проведены исследования по оптимизации технологического процесса лазерного термораскалывания сапфировых подложек. Резка сапфировой пластины осуществлялась следующим образом. На начальном этапе на пластину наносился слой графита, обозначающий направление реза. Слой графита поглощает значительную часть лазерного излучения (порядка 50 %), вызывая локальный нагрев поверхности сапфировой подложки, что обеспечивает зарождение и продвижение разделяющих трещин методом ЛУТ. Пластина с нанесенным слоем графита обрабатывалась излучением Nd:YAG лазера со скоростью перемещения лазерного луча 1 мм/с по слою графита, средней мощностью лазера 90 Вт и временем воздействия порядка 300 – 350 с.
На рисунке 3.19 представлена фотография линии реза сапфировой пластины вдоль графитового слоя инфракрасным лазерным излучением.
Данный способ резки не требует нанесения предварительных надрезов а также позволит повышать эффективность способа резки за счет обеспечения возможности сквозной резки, не требующей дополнительных операций разламывания, расширять возможности эффективной резки кристаллов практически любых размеров, а также повышать производительность и качество резки.
Разработка технологического маршрута изготовления чувствительных элементов датчиков давления на основе КНС
Проведенный анализ современных полупроводниковых датчиков давления показал, что наиболее широко используемой конструкцией датчика, как в РФ, так и за рубежом остается применение объемного Si. Широкая распространенность полупроводниковых датчиков давления на базе структуры объёмного кремния объясняется обработанностью данной технологии. Данные датчики давления отличают высокая точность измерения (около 0,2 %) и высокий уровень выходного сигнала (около 10-15 мВ/В), однако, их использование ограничивает температура измеряемой среды (до 120 С). Применение в полупроводниковых датчиках давления структур КНД, КНС позволило увеличить интервал рабочих температур до 300 С, вместе с тем, в данных структурах возникает погрешность нелинейности, что ведёт к увеличению относительной погрешности, которая в среднем достигает 1 %. Наибольшее распространение в настоящее время получили датчики на основе структур КНС. Применение поликремния в качестве приборного слоя позволяет изготовителям датчиков производить технологичные полупроводниковые конструкции с выходным сигналом на уровне объемного Si (7-10 мВ/В), низкой погрешностью нелинейности, а также погрешностью измерения около 0,5 % в интеграле рабочих температур - 60 … 200 С.
По результатам сравнения основных характеристик датчиков (таб. 4.2) сделаем вывод о том, что на данный момент времени считается оптимальным датчик давления с характеристиками: диапазон измерения от 0 до 250 МПа, основная погрешность 0,2-0,05 %, интервал рабочих температур от -80 до 400 С; и выходной сигнал от 10 до 40 мВ/В. Это тот предел характеристик датчиков давления который востребован и к которому стремятся проектировщики.
Разработанная конструкция датчика давления на основе структуры «поликремний на сапфире» с использованием импульсного лазерного отжига показала интервал измерения 0…200 МПа с выходным сигналом около 10-15 мВ/В, а также погрешность измерения на уровне 0,1-0,05 % в диапазоне температур от -60 до 350 С. Улучшение основных параметров, в частности повышение чувствительности и снижение погрешности, достигается благодаря использованию импульсного лазерного отжига (рекристаллизации) терморезистивных аморфных кремниевых слоев на поверхности диэлектрической сапфировой пластины (упругий элемент).
Процесс импульсного лазерного отжига состоит в чрезвычайно быстром (обычно в течение нескольких десятков наносекунд) восстановлении кристаллической структуры разупорядоченного или полностью аморфизованного слоя полупроводникового материала при воздействии на него достаточно мощного лазерного импульса с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника. В данном случае метод рекристаллизации аморфных кремниевых слоев использовался для получения поликристаллических пленочных слоев, так как стандартные методы выращивания таких слоев требуют высоких температур и сверхвысокого вакуума, что существенно усложняет технологический процесс изготовления. Так при обычном способе отжига структура сначала медленного нагрева в печи (до 900-1200 С) и столь же медленного охлаждения, что приводит образованию структурных несовершенств и дефектов. Кроме того, благодаря использованию импульсного лазера процесс рекристаллизации может происходить на воздухе в силу краткости облучения (использовался твердотельный Nd:YAG лазер с длиной волны 532 нм (LIMO 100-532/1064), длительностью импульса 55 нс и частотой следования импульсов 10 кГц).
Применение упругого элемента на основе сапфира позволяет расширить область измеряемых давлений (0…200 МПа), избежать явления гистерезиса и усталостных явлений, поскольку сапфир является “жестче” и может работать с большим уровнем деформаций. Использование упругого диэлектрического элемента позволяет практически исключить токи утечки и принятия дополнительных мер изоляции, что позволяют расширить температурный диапазон работы датчиков. Кроме того, сапфир химически и радиационно стоек, поэтому датчики на основе структуры «поликремний на сапфире» могут работать в условиях высокой радиации.
Таким образом, на основе разработанных и полученных образцов показана возможность повышения чувствительности датчика и снижения погрешности при расширении его функциональных возможностей, упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления. Датчик давления на основе структуры КНС обладает высокой чувствительностью, стабильностью, практически не имеет механического гистерезиса, может работать в широком диапазоне температур от -60 до +350 С и при воздействии радиации. Существенным достоинством данного датчика является относительная простота изготовления чувствительного элемента.
Основными результатами по данной главе являются следующее:
1. Разработана методика проектирования чувствительного элемента датчика давления, которая позволяет рассчитать требуемые геометрические размеры упругого элемента в зависимости от предела измеряемых давлений до 1 МПа.
2. Определены оптимальные расположения тензорезисторов на поверхности упругого элемента, находящихся в центрах граней пластины с размерами 600x600x10 мкм.
3. Численная модель чувствительного элемента датчика давления с использованием программы ANSYS дает результаты по распределению деформаций-напряжения на поверхности упругого элемента совпадают с полученными аналитически. Высокие значения собственных частот тензопреобразователя давления являются гарантией отсутствия резонансных эффектов при внешних воздействиях (с частотами до 44 КГц).
4. В работе разработана конструкция чувствительного элемента датчика давления на основе технологии КНС. Разработанный датчик давления позволяет работать с большим уровнем деформаций (0,0025625 м/м при давлении 1 МПа), чем в других интегральных полупроводниковых чувствительных элементах, а также обеспечивает работу в условиях высокой радиации.
5. Сравнение оптимизированного датчика давления на основе КНС с лучшими зарубежными аналогами показал, что датчик давления на основе структуры КНС обладает высокой чувствительностью, стабильностью, практически не имеет механического гистерезиса, может работать в широком диапазоне температур от -60 до +350 С и при воздействии радиации.