Пьезоэлектрические материалы

Используемые в промышленности пьезоэлектрические материалы можно разделить на три группы:

1) Пьезоэлектрические кристаллы, обычно монокристаллы с совершенной структурой.

2) Материалы с поликристаллической структурой перовскитов, в которых пьезоэлектрические свойства появляются в результате поляризации (в сильном поле происходит упорядочивание сегнетоэлектрических доменов). Могут быть получены в виде пленок.

3) Пьезоэлектрические полярные полимеры, в которых необходимая анизотропия и формирование пьезоэлектрических свойств происходит при механическом вытягивании материала в присутствии сильного электрического поля.

Кварцевый кристалл – это диоксид кремния SiO₂, который может существовать в разных формах, в том числе монокристаллической (исторически - горный хрусталь). На практике используют так называемую α – модификацию кварца (при 573 ⁰С она переходит в β – модификацию, затем при 870 ⁰С образуется α – тридолит, а свыше 1470 ⁰С – α - кристобалит). При 1710 ⁰С кварц плавится.

Материал стоек к воде и многим кислотам, твердость порядка 7 (по Моосу), коэффициент теплового расширения (8-13,4)* 10^-6 1/К в зависимости от среза. Хорошо работает как при низких, так и высоких температурах (до 573 ⁰С).

В технике используется как природный, так и синтетический кварц. В природе встречаются кристаллы массой от долей грамма до нескольких тонн (используют в технике обычно кристаллы массой 200-300г). Идеальные кристаллы встречаются редко.

Синтетические кристаллы кварца выращивают гидротермальным методом из водного раствора при высоких давлениях и температурах. Это делается в стальных автоклавах, частично заполненных щелочными растворами (NaCO₃ или NaOH). В нижней части автоклава находится сырье кварца, которое растворяется в процессе роста кристаллов, а в верхнюю, более холодную часть, помещают затравки, на которую и высаживается избыточный диоксид кремния из пересыщенного раствора.

Температура внутри автоклава обычно 340-350 ⁰С, давление 100-130МПа, температурный градиент 5-30 Ксм^-1 .

Скорость роста очень мала – обычно несколько десятых мм/сутки, поэтому весь процесс длится от нескольких недель до года и более.

Затравка – пластины, толщиной 2-3 мм, иногда используют стержень.

Ниобат и танталат лития (LiNbO₃ и LiTaO₃). Это сегнетоэлектрики, а танталат лития проявляет также пироэлектрические свойства, оба кристалла используются в качестве электрооптических преобразователях на основе ПАВ. Точка плавления ниобата – 1260 ⁰С, танталата - 1560 ⁰С.

Монокристаллы этих материалов выращиваются из расплавов методом Чохральского. Выращивание идет в присутствии электрического поля.

Берлинит – (AlPO₄ – фосфат Al). Имеет такую же структуру, как и кварц, похож на кварц. В природе не встречается; выращивается гидротермальным способом. Кристаллическая структура аналогична кварцу. Работает до 581 ⁰С.

Отличия от кварца – сильнее выражены пьезоэлектрические свойства и большее значение коэффициента электромеханической связи (что важно).

Материалы (в основном, поликристаллические) типа А₂В₆, А₃В₅ (ZnS, CdS, ZnO, GAs) удачно сочетают ультразвуковые и полупроводниковые свойства. Наиболее интересный оксид цинка.

Их главная особенность – используются не столько объемные, сколько пленочные структуры, пригодные для возбуждения как объемных, так и поверхностных волн.

Монокристаллические слои ZnO можно вырастить эпитаксиальным способом на ориентирующей подложке из сапфира.

6. Тензорезисторы

Пьезорезистивный эффект и анизотропия пьезорезистивных коэффициентов

Для измерения деформации кристалла под действием каких либо сил (давления, инерции) необходимо установить связь межу изменением электрического сопротивления полупроводника и механическими напряжениями в нем или его деформациями. Рассмотрим феноменологическую картину этой связи на примере тензорезисторов, расположенных на круглой мембране (рис 19).

Рис. 19. Распределение механических напряжений в тензорезисторе, расположенном на круглой мембране.

Мембрана радиусом a и толщиной h жестко закреплена по контуру. На нее действует давление q. Тензорезистор расположен на расстоянии r от центра мембраны на обратной стороне по отношению к приложенному избыточному давлению. Для этого случая радиальные напряжение Тr и тангенциальное напряжение Tt в любой точке мембраны можно рассчитать по формулам:

где ν - коэффициент Пуассона.

Напомним, что коэффициент Пуассона представляет собой относительное изменение поперечного размера тела под нагрузкой, деленное на относительное изменение его длины, т.е.

Для кремния < 001> – ν = 0,28,

<011> – ν = 0,06,

< 010> – ν = 0,28,

поликремния – ν = 0,22.

Если материал мембраны изотропен, то напряжение зависит только от расстояния от центра мембраны r и не зависит от угла θ. Линейная зависимость T(q) наблюдается только при малых прогибах мембран меньших ее толщины h.

Если мембрана имеет анизотропные упругие свойства, то в общем виде её упругие свойства описываются тензором второго ранга, содержащим 9 компонент. Для инженерной практики использование такого сложного описания мало пригодно. Его упрощение возможно за счет использования связей между отдельными компонентами тензора и учета симметрии кристалла. В результате механические напряжения в кремниевой мембране удается выразить через три компоненты тензора механических напряжений, соответствующие продольной, поперечной и сдвиговой составляющей напряжения следующим образом:

,

,

,

где ψ = φ–θ.

Механические напряжения в кристалле приводят к изменениям в электропроводности. Эту связь можно представить, например, в такой форме:

,

где i,j,k,m,s = 1,2,3; ρ₀ – удельное сопротивление материала при механическом напряжении равном нулю; E_s - компонента вектора напряженности электрического поля;

ji – компоненты вектора плотности тока, π_i,j,k,m - тензор четвертого ранга, характеризующий пьезорезистивные коэффициенты. Таким образом, число независимых переменных чрезвычайно велико. Для кубических кристаллов симметрии, к которому принадлежит кремний, удается получить формулу, характеризующую относительное изменение сопротивления тензорезистора под нагрузкой в следующем виде

∆R/R=π′₁₁Τ′₁+π′₁₂Τ′₂+π′₁₆Τ′₆

и π и Τ зависят от положения резистора.

Т.о. для расчета необходимо знать значение π′₁₁, π′₁₂, π′₁₆ соответственно продольного,поперечного и сдвигового пьезорезисторных коэффициентов. Их величины могут зависеть от ориентации резистора на кристалле и могут быть выражены в приемлемой для расчетов форме в частности:

В плоскости (001)

π′₁₁=π₁₁-(π_А/4)(1-cos 4φ),

π′₁₂=π₁₂+(π_А/4)(1-cos 4φ),

π′₁₆= - (π_А/2)sin 4φ.

В плоскости (011)

π′₁₁=π₁₁-(π_А/16)(4-4cos 2φ-3cos4φ),

π′₁₂=π₁₂-(3π_А/16)(1-cos4φ),

π′₁₆= -(π_А/8)(2sin 2φ+3sin4φ).

В плоскости (111)

π′₁₁=π₁₁-π_А/2,

π′₁₂=π₁₂-π_А/6,

π′₁₆= 0.

Где π_А=π₁₁-π₁₂- π₄₄; π₁₂ – не главный, а π₁₁ и π₄₄ - главные пьезорезистивные коэффициенты. Их значения зависят также от легирования кристалла и температуры. В частности для равномерно легированного сравнительно высокоомного кремния значения главных пьезорезистивных коэффициентов приведены в таблице:

Тип проводимости	Уд. сопротивле-ние,Ом см	Конц. прим., м^-3	π11, 10^-11м^2/н	π12, 10^-11м^2/н	π44, 10^-11м^2/н
n	11,7		-102,2	53,4	-13,6
p	7,8		6,6	-1,1	138,1

Таким образом, все необходимые исходные данные для расчета зависимости сопротивлений тензорезисторов от давления на мембрану могут быть установлены.

Кроме того в практике проектирования тензорезисторов могут учитывать ряд других факторов, например, нелинейность сопротивления при больших деформациях мембраны. В частности, известно, что резисторы на основе p-кремния линейны в более широком интервале давлений, чем резисторы на кремнии n-типа, в тоже время резисторы, сформированные из донорного полупроводника, имеют более высокую температурную стабильность по сравнению с резисторами на основе акцепторных материалов. Для всестороннего учета множества факторов для полного расчета тензорезистивных датчиков справочных данных, как правило, недостаточно, их проектирование связано с проведением значительного объема исследовательских работ и обычно опирается на экспериментальные результаты. Результаты этой работы обобщаются в виде зависимости

∆R/R=εK или ∆R/R=Mq,

где K- коэффициент тензочувствительности (K=(∆R/R)/(∆l/l)),

относительная деформация ε=∆l/l.

Для полупроводников значение К обычно составляет 50–200.

Конструкции тензорезисторов

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

Рис.20. Однополосковые структуры интегральных тензорезисторов:

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

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

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

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

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

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

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

7. Микросистемные датчики давления

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

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

Рис.25. Варианты чувствительных элементов датчиков давления:

а) несимметричная мембрана; б) симметричная мембрана;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис 26. Структура чувствительного элемента датчика:

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

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

Рис. 27. Конструкция поверхностного микромеханического преобразователя давления

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

Рис. 28. Схема объединения резисторов преобразователя

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

,

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

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

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

Рис. 29. Фрагмент скола преобразователя

Дата добавления: 2014-01-05