Пьезорезистивные датчики

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

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

где p₁ и p₂ — пьзорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направлениях, а σ₁ и σ₂ — напряжения в продольном и поперечном направлениях.

Пьезорезистивные коэффициенты определяются ориентацией кремниевого кристалла. Для дифузионного резистора р-типа, имеющего ориентацию <110>, а также для кремниевой квадратной диафрагмы n-типа с ориентацией поверхности <100>, показанных на рис. 10.4, эти коэффициенты можно найти из аппроксимационного соотношения [7]:

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

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

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

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

Существует несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов [8] используется подложка из кремния «-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются пьезорезисторы с поверхностной концентрацией примесей, равной 3х10¹⁸ в одном кубическом сантиметре. Один из них (R₁) параллелен, а другой (R₂) перпендикулярен ориентации диафрагмы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие компоненты схемы датчика: резисторы и р-n переходы, используемые в цепях компенсации температуры, располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагируют на давление, действующее на диафрагму

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

Для формирования тонкой диафрагмы площадью 1 мм² используются традиционные травильные реагенты (например, анизотропый раствор гидразина в воде: N₂H₄•Н₂O). В качестве маскирующих слоев применяется SiO₂, для формирования защитного слоя с нижней стороны подложки —Si₃N₄. Скорость травления при 90°С составляет 1.7 мкм/ мин. Конечная толщина диафрагмы равняется приблизительно 30 мкм.

Другой способ изготовления диафрагм основан на методе сплавления кремния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллического кремния без применения промежуточных слоев [9]. Этот способ дает возможность формирования микродатчиков (более чем в восемь раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменного типа), которые могут использоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских исследований. Такой микродатчик состоит из двух частей: верхней и нижней подложек (рис. 10.6А).

В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней подложки составляет 0.5 мм, а требуемая длина диафрагмы — 250 мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глубиной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавления нижней подложки с верхней, состоящей из кремния р-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем /z-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует заданной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует диафрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисторы, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой толщины устройства - порядка 140 мкм. Несмотря на то, что размеры такого датчика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразователя давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис. 10.6Б показано сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, полученное методом сплавления почти на 50% меньше.

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

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

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

Дата добавления: 2014-01-20