CC BY
106
Юрков Н.К., Ползунов И.В., Москалев С.А.
Пензенский государственный университет
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Давление является одним из важнейших параметров, контролируемых в современнойтехнике. Рост потребности в датчиках давления происходит сейчас опережающими темпами по сравнению с общим ростом отраслей промышленности. Это связано с тем, что помимо создания новых производственных мощностей идет активная модернизация оборудования, установленного еще 20 или 30 лет назад и уже давно не отвечающего современным требованиям [0] . Данные предпосылки потребовали развития функциональных возможностей датчиков давленияи, прежде всего повышения таких параметров как уменьшение массогабаритных размеров, малое энергопотребление, высокая точность и стабильность измерения, широкий температурный интервал измерения. Это достигается применением новых конструкций измерительных преобразователей, схемотехнических решений, а также средств современной цифровой электроники и алгоритмических методов коррекции погрешностей. Вопросы повышения точности измерений, повышения долговременной стабильности метрологических характеристик, расширения функциональных возможностей преобразователей и снижения себестоимости являются закономерными в постоянном эволюционном процессе развития и совершенствования средств измерений.
Перспективными и востребованными датчиками давления, которые в большей степени удовлетворяют вышеперечисленным требованиям, являются датчики, чувствительный элемент которых выполнен из полупроводникового материала (полупроводниковые пьезорезистивные датчики давления). Однако у них также имеются ограничения по применению, связанные с возрастанием электропроводности с ростом температуры [0].
Наиболее распространенный способ изготовленияполупроводниковых чувствительных элементов (ПЧЭ) датчиков давления - это применение монокристаллического кремния в качестве воспринимающей давление мембраны,в которой методом диффузии формируется электрическая схема(рисунок 1).
Основным преимуществом такого ПЧЭ является устойчивость к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.Температурная компенсация изменений чувствительности осуществляется, как правило, за счет легирования диффузионных слоев до уровня Ns = 3-1019 см-3 [0] . Это связано с тем, что при этой концентрации достигается минимальное значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) и близкое к нему значение температурного коэффициента чувствительности. В этом случае при питании датчика от источника с высоким внутренним сопротивлением (источника тока) достигается температурная компенсация без применения каких-либо подстроечных элементов. Однако, наличие p-n-переходов позволяет функционировать средствам измерений в температурном диапазоне от минус 120 до 120 °С и иметь стабильные параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорези-сторов и т. д.).
Рисунок 1 - Структура ПЧЭ на основе объемного кремния: 1 - кремниевая подложка; 2 - двуокись кремния; 3 - диффузионные тензорезисторы; 4 - металлизация; 5 - диффузионный терморезистор
Расширениетемпературного диапазона измерения полупроводниковых датчиков давления можнореализо-вать использованиемвысокотемпературной изоляции приборного слоя («кремний на диэлектрике», «кремний на сапфире») и применением поликристаллического кремния или его химических соединений в качестве приборного слоя («поликремний на диэлектрике», «карбид кремния на диэлектрике» и т.д.) (рисунок 2) .
Структура «кремний на диэлектрике» (КНД) имеет несовершенную структуру имплантированного слоя двуокиси кремния, низкую технологичность, вызванную большими затратами времени на обработку одной пластины и тепловыми потерями, низкую временную стабильность из-за наличия дислокаций и диффузии загрязняющих примесей (рекристаллизации поликремния), обусловленную применением сложного оборудования и длительной обработки (SIMOX, Smart-Cut SOT), и, как следствие, низкая надежность при температурах выше 150 °С.
1
Рисунок 2- Структура ПЧЭ: 1 - кремниевая подложка; 2 - изоляция приборного слоя;
3 - приборный слой; 4 - металлизация
Датчики давления с тензопреобразователями на основе структуры «поликремний на диэлектрике» (ПКНД) имеют малую нелинейность выходного сигнала, линейные температурные зависимости выходного сигнала сенсора и высокую стабильность характеристик [0] . В качестве изолирующего слоя между поликристаллическим кремнием и подложкой используются или нитрид кремния, или, в основном, SiO2. Стабильность метрологических параметров структуры ПКНД сохраняется до температуры 250 °С.
Еще одним направлением для создания ПЧЭ является использование в качестве приборного слояширо-козонного полупроводникового материалакарбида кремния.
Карбид кремния как материал для элементов электронной техники был известен более 50 лет назад, однако уровень технологии формирования структур на основе карбида кремния не позволил его широкому распространению в полупроводниковых приборах. Лишь в конце прошлого столетия был проведен большой объем работ по созданию элементов на основе карбида кремния и исследованию его свойств.
Использование карбида кремния для ПЧЭ датчиков давления, обуславливается рядом его уникальных свойств. Большая, по сравнению с кремнием, ширина запрещенной зоны, означает большой диапазон рабочих температур (теоретически до ~1000°С). Благодаря большему на порядок значению поля пробоя карбида кремния, по сравнению с кремнием, при одном и том же значении напряжения пробоя, уровень легирования карбид-кремниевых тензорезисторов может быть на два порядка выше, чем кремниевых. А следовательно, их последовательное сопротивление будет меньше и в итоге удельная мощность - больше. В этом же причина высокой радиационной стойкости датчиков давления на основе карбида кремния, когда увеличение концентрации основных носителей и уменьшение концентрации неосновных приводит к меньшему влиянию дефектов на работу структуры.
Еще одно преимущество карбида кремния - высокая температура Дебая, определяющая температуру, при которой возникают упругие колебания кристаллической решетки (фононы) с максимальной для данного материала частотой. Температуру Дебая можно рассматривать как параметр, характеризующий термическую стабильность полупроводника. При превышении этой температуры колебания могут стать неупругими и привести к разрушению материала. Наличие собственного окисла (SiO2) (карбид кремния
единственный широкозонный полупроводник, природным оксидом для которого является SiO2) , позволяет изготавливать на его основе любые типы полупроводниковых чувствительных элементов. Наконец, карбид кремния химически инертен, чрезвычайно устойчив к жесткой радиации, поэтому ее воздействие не приводит к деградации электронных свойств ПЧЭ датчика давления.
На рисунке 3 представлена гистограмма верхних температурных пределов измерений для каждой из описанной структуры.
Заключение
В современных условиях развития техники и ее жестких требованиях к метрологии, в частности к измерению давления в различных отраслях промышленности, необходимо совершенствовать существующие и создавать новые датчики давления. Основным направлением совершенствования, как уже было определено, является расширение диапазона температур измерения до значений порядка 1000 °С.Применение в качестве приборного слоя широкозонного полупроводникового материала карбида кремния - является наиболее перспективным методомповышения эффективности работы полупроводниковых датчиков давления в условиях воздействия повышенной температуры с сохранением стабильных метрологических характеристик.
2
ЛИТЕРАТУРА
1. Журав А.А. Российский рынок промышленных датчиков// Web-сайт ОАО "Техноком-Ост". - 2005.
2. Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я. «Датчики. Справочник»//Львов, Каменяр, 1995. - 312 с.
3. Ваганов В. И. Интегральные тензопреобразователи / Энергоатомиздат - Москва, 1983 - 136 с.
4. Стучебников В.М. Тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» // Измерения, контроль, автоматизация / Н.-т. сборник, 1982, №4 (44), с.15-26 .
5. В.А. Гридчин, В.М. Любимский. Нелинейность пьезорезистивного эффекта в пленках поликристаллического кремния // ФТП, 38 (2004) 179- 185.
3
