CC BY
74
УДК 621.315.592:546.28 Баринов И.Н.
ОАО НИИ физических измерений, г. Пенза
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ»
В статье описан высокотемпературный полупроводниковый чувствительный элемент на КНД-структуре. Показаны преимущества использования КНД-структуры для создания датчиков давления.
Ключевые слова: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, "КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ", ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ
Стремительное развитие технологии микроэлектроники открывает широкие возможности оснащения современных изделий ракетно-космической техники новыми датчиками давлений, являющимися основными элементами систем управления работой двигательных установок и систем контроля их технического состояния на различных этапах эксплуатации, отличающихся воздействием температур от криогенных значений до (500-600) °С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех.
Используемые в настоящее время системы измерения давления базируются в основном на устаревших конструктивно-технологических решениях: потенциометрических, металлопленочных и фольговых тен-
зорезисторах, не удовлетворяющих в настоящее время возросшие требования РКТ. Поэтому имеют место тенденции замены устаревших средств измерения давления новыми, основанными на полупроводниковой электронике, в частности, применение структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД), обеспечивающей работоспособность средств измерений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение и т. п.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.
В полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие p-n-переходов не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 100 °С и иметь стабильные параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочув-ствительности поликремния средства измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-сапфире» (КНС) недостатками являются трудность профилирования сапфира, различие кристаллических решеток кремния и сапфира, невозможность применения групповой технологии изготовления ПЧЭ, высокая стоимость сапфира.
Указанные недостатки снижают метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков давлений, используемых в РКТ. В тоже время применение в ПЧЭ КНД-структуры обеспечивает работоспособность средств измерений давлений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение, электромагнитные поля и токи источников естественного и искусственного происхождения и т.д.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.
Общая конструкция ПЧЭ на КНД-структуре представлена на рисунке 1 [1].
1 - слой алюминиевой металлизации; 2 - тензорезисторы из монокристаллического кремния; 3 -слой двуокиси кремния; 4 - кремниевая подложка Рисунок 1 - Структура ПЧЭ на КНД-структуре
На основе данной структуры возможно создание датчиков давлений со следующими обобщенными характеристиками:
диапазон измерений - от 0,01 до 100,0 МПа;
выходной сигнал при максимальном давлении - от 50 до 100 мВ; погрешность линейности, вариации - не более i 0,1 % от Рмакс;
температурное смещение нуля и изменение чувствительности - не более 0,02 %/0С; сопротивление изоляции всех элементов схемы от корпуса - 10 ГОм при напряжении 100 В; рабочий диапазон температур - от минус 100 до 300 0С; диаметр - не более 20 мм; масса не - более 50 г.
Одним из возможных вариантов построения ПЧЭ таких датчиков является конструкция и топология ПЧЭ, а также конструкция профилированной мембраны, представленные на рисунках 2,3 соответственно [2,3] .
< (У / />
жений
Рисунок 3 - Внешний вид профилированной мембраны
концентраторы механических напря-
ПЧЭ содержит монокремниевые тензорезисторы R1-R4, расположенные на мембране 1 в областях наибольших поверхностных механических напряжений, которые с помощью коммутационных дорожек из алюминия объединены в измерительную схему, образуя мост Уитстона. На концах коммутационных дорожек сформированы контактные площадки, позволяющие разваривать металлические (золотые) проводники для подачи питания и съема выходного сигнала. Поверхность тензорезисторов покрыта защитным слоем двуокиси кремния толщиной 0,4 мкм. За счет наличия данного защитного покрытия, препятствующего проникновению и абсорбции на поверхности тензорезисторов нежелательных примесей и влаги, содержащихся во внешней среде, повышается временная и температурная стабильности их характеристик и уменьшается уровень погрешностей измерений.
Слой нелегированного поликристаллического кремния на поверхности мембраны со стороны тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, позволяет, во-первых, повысить прочность мембраны за счет наличия добавочного слоя, обладающего сходными с высоколегированным слоем кремния (то есть мембраной) коэффициентом термического расширения и другими физическими свойствами, что одновременно не будет являться источником механических напряжений, что приведет к повышению надежности преобразователя. Во-вторых, наличие вокруг тензорезисторов слоя из нелегированного
поликремния позволит снизить эффект уменьшения тензочувствительности тензорезисторов меза-типа из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезистору, то есть повысить чувствительность преобразователя, когда деформация от мембраны будет полностью передаваться тензорезисторам через слой поликристаллического кремния. Кроме того, нелегированный поликристаллический кремний, являясь материалом с высоким электрическим сопротивлением, не будет являться причиной неудовлетворительной изоляции между тензорезисторами и подложкой.
На основании полученных предварительных результатов можно сделать вывод, что разработанное технологическое решение формирования ПЧЭ позволяет изготавливать датчики давления нового поколения с ожидаемыми параметрами, не уступающими параметрам приборов таких известных фирм как "Kulite" и "Endevco".
ЛИТЕРАТУРА
1. Microengineering aerospace systems / Henry Helvajian, editor. - El Segundo, California: The Aerospace Press, 1999;
2. Патент РФ №2284613 / Баринов И.Н., Козин С.А.
3 Баринов И.Н., Волков В.С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.-2010.-№3.-С. 9-15.
4. С.И.Торгашин, А.Г.Дмитриенко, И.И.Кочегаров «Информационная модель интеллектуального датчика» Труды международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» Выпуск 14, Пенза, Изд. ПГТА, 2011 С.77-83
