автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка теоретических основ проектирования сенсоров давления с тензочувствительными элементами специальной формы

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГРИДЧИН Александр Викторович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕНСОРОВ ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника,

микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук, профессор Панов В.И.

Новосибирск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

Содержание................................................................................................................................................................2

Введение..........................................................................................................................................................................5

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР................................................................................................11

1.1. Текущее состояние вопросов проектирования квазихолловских ТЧЭ.... 11

1.2. Физические эффекты, возникающие в квазихолловском ТЧЭ............................16

1.2.1. Изменение электропроводности кремния под воздействием анизотропной деформации....................................................................................................................................16

1.2.2. Сдвиговый тензорезистивный эффект.......................................................21

1.2.3. Влияние температуры на параметры квазихолловского ТЧЭ....................25

1.2.4. Нелинейность, ее причины и метод учета..................................................................28

1.3 Технические характеристики сенсоров типа Х-ёисег..................................................30

1.4 Выводы. Постановка задачи диссертации..............................................................................32

Глава 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТАХ........................................................................................................................................................................................35

2.1 Введение................................................................................................................................................................35

2.2 Линейная модель механических напряжений и деформаций в УЭ..................38

2.3 Сравнение распределений прогибов и механических напряжений в УЭ.. 45

2.4 Характер механических напряжений вблизи края жестко защемленной мембраны..................................................................................................................54

2.5. Нелинейность в упругих элементах............................................................................................57

2.6. Выводы..................................................................................................................................................................60

Глава 3. ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С КВАЗИХОЛЛОВСКОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ....................................................................................................................................................................62

3.1 Введение.....................................................................................62

3.2 Линейная модель квазихолловского ТЧЭ..............................................................................67

3.3 Расчет сдвиговой компоненты тензора относительной электропроводности......................................................................................................................................................78

3.4. Применение конформных отображений к расчету ТЧЭ............................................85

3.4.1 Общая идея метода............................................................................................................................86

3.4.2. Расчет геометрического фактора (поправочной функции) для различных ТЧЭ специальной формы......................................................................................................89

3.4.3. Расчет коэффициента формы для различных ТЧЭ..............................................96

3.5. Греческий крест, как элемент электрической схемы сенсора механических величин................................................................................................................................................................103

3.5.1. Расчет поверхностного сопротивления с учетом анизотропии механических свойств кремния..................................................................................................................104

3.5.2. Расчет входного сопротивления структуры Греческий крест 1................107

3.5.3 Расчет компонент гп и г22 ТЧЭ с осью симметрии второго порядка......................................................................................................................................................................................111

3.5.4. Расчет компоненты Х\2 квазихолловского ТЧЭ....................................................114

3.6 Сравнение чувствительности квазихолловских ТЧЭ и мостовых схем... 119

3.7. Нелинейность квазихолловского ТЧЭ......................................................................................125

3.8 Выводы..................................................................................................................................................................128

Глава 4. ТРЕХКОНТАКТНЫЕ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ....................................130

4.1 Введение................................................................................................................................................................130

4.2 Теория трехконтактного ТЧЭ............................................................................................................130

4.3 Оценка выходного сигнала трехконтактного ТЧЭ...................................138

4.4 Линейная модель трехконтактного ТЧЭ..................................................................................141

4.5 Оценка чувствительности трехконтактного ТЧЭ............................................................144

4.6 Перспективы развития..............................................................................................................................148

4.7 Выводы..................................................................................................................................................................148

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕНЗОПРЕОБРА-

ЗОВАТЕЛЕЙ С ОДНОСВЯЗНОЙ ОРТ........................................................................................150

5.1 Введение................................................................................................................................................................150

5.2 Топология и проектирование ТЧЭ................................................................................................151

5.3 Технология изготовления..................................................................................................................156

5.4. Экспериментальное оборудование............................................................................................157

5.5. Методика экспериментов....................................................................................................................160

5.6. Результаты и их обсуждение............................................................................................................173

5.7. Выводы..................................................................................................................................................................185

Заключение....................................................................................................................................................................187

Список литературы................................................................................................................................................188

ВВЕДЕНИЕ.

За последние 20 лет сенсоры механических величин стали успешно и широко применяться в различных областях науки и техники. Сенсоры механических величин, предназначенные для измерения различных статических и динамических величин, таких как давление, ускорение, силы, потоки и т.д., имеют большое практическое значение. Общим принципом измерения для них является преобразование механической величины в электрический сигнал и дальнейшая обработка этого сигнала.

Среди твердотельных сенсоров для измерения механических величин значительное место отведено сенсорам, использующим для измерения механической величины тензорезистивный эффект, хотя в настоящее время реализованы и успешно применяются в измерительной технике сенсоры, использующие для измерения механической величины пьезоэлектрический эффект и эффект изменения емкости [14]. Общепринятой электрической тензочувствительной схемой является мостовая схема Уитстона, состоящая из четырех тензорезисторов, расположенных в различных точках упругого элемента. Однако, можно предложить и другие варианты тензочувствительных элементов (ТЧЭ), использующих сдвиговый тензорезистивный эффект и имеющих квазихолловскую топологию. Особенностью таких ТЧЭ является наличие вместо четырех тензорезисторов одного ТЧЭ с четырьмя контактами. Такие сенсоры в настоящее время изготавливаются и реализуются фирмой Motorola [5,21]. На настоящий момент разработаны различные технологии производства сенсоров давления, позволяющие существенно улучшить их технические характеристики: SIMOX (создание изолирующего слоя методом ионной имплантации кислорода) [1], FIPOS (создание изолирующего слоя методом прокисления пористого кремния) [2], и другие [3]. Развитие современных технологий производства сенсоров механических величин позволяет успешно интегрировать в едином технологическом процессе изготовление ТЧЭ и схемы, обрабатывающей выходной сигнал, а также схемы температурной компенсации ("smart sensors") [5]. При этом общая тенденция к уменьшению размеров сенсо-

ров, наблюдающаяся в последние несколько лет, сохраняется. Таким образом, важной проблемой, возникающей при проектировании сенсоров механических величин, является поиск новых конструктивных решений, обеспечивающих перспективу микроминиатюризации. Одновременно, с уменьшением размеров сенсора, происходит уменьшение его толщины, и переход при изготовлении упругого элемента - носителя ТЧЭ - к тонкопленочной технологии. Тем самым возникает проблема уменьшения толщины тензорезистивного слоя.

В настоящее время, общая тенденция а развитии твердотельной микроэлектроники в сторону микроминиатюризации изготавливаемых приборов привела к тому, что и самая мостовая схема Уитстона оказывается неудовлетворительной, так как площадь упругого элемента, занимаемая ей, оказывается слишком велика. Помимо этого, наличие четырех тензочувствительных элементов создает определенные трудности при их изготовлении, так как из-за технологических ошибок невозможно сделать четыре тензочувствительных элемента с полностью идентичными технологическими характеристиками. Квазихолловские ТЧЭ являются перспективным конструктивным вариантом ТЧЭ. Расширяющийся рынок сбыта микроминиатюрных сенсоров давления дает толчок к дальнейшей разработке этих тензопреобразователей, поиску новых конструктивных решений и сравнению их с общепринятыми. Применение сенсоров давления, изготовленных на основе ква-зихолловских ТЧЭ, является наиболее перспективным в медицинской технике в качестве катетеров - измерителей давления в полых органах [6], а также искусственных клапанов, регулирующих сердечную деятельность [7,8]. Однако, подобные сенсоры давления могут применяться для контроля расхода жидкости (воды, топлива) и газа [9]; в метеорологии - для измерения давления и скорости ветра; в альтиметрах, измерителях уровня, микрофонах [10,11] благодаря своим хорошей чувствительности, высокой стабильности, линейности преобразовательной характеристики и отсутствию гистерезиса. Массовое применение сенсоров давления является, таким образом, одним из условий создания экономичных, экологически чистых и безопасных для человека условий его существования. Однако, широкому распространению сенсоров на сдвиговом эффекте препятствуют недостаточ-

ный уровень теории их технических характеристик и недостаточное количество информации об экспериментальных исследованиях. Исходя из вышесказанного, сформулирована цель работы:

• Построение теории тензопреобразователей на сдвиговом тензорезистив-ном эффекте в аналитической форме;

• Исследование влияния формы области растекания тока квазихолловского ТЧЭ и геометрии его токовых и потенциальных контактов на технические характеристики сенсора давления;

• Выбор наиболее простой и технологически воспроизводимой геометрии; разработка общих рекомендаций для изготовления сенсоров давления на основе квазихолловских ТЧЭ;

• поиск и разработка новых форм квазихолловских ТЧЭ;

• экспериментальное исследование тестовых структур квазихолловских ТЧЭ и сравнение полученных данных с данными, полученными в тех же условиях от общепринятых сенсоров давления.

В результате выполнения работы получены новые научные результаты:

1. Проведено сравнение результатов расчетов механических напряжений, полученных для квадратных и прямоугольных УЭ методами конечных элементов и вариационным, на основании которого подобраны аналитические выражения для механических напряжений, наиболее точно соответствующие действительности.

2. Исследован характер механических напряжений вблизи края жесткого защемления, определена нелинейность преобразования давления в механическое напряжение УЭ.

3. Построена теория ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте, с областью растекания тока (ОРТ), имеющей четыре контакта, с учетом длины потенциальных и токовых контактов для случая ОРТ с четвертым порядком симметрии, исследовано влияние формы ОРТ квазихолловского ТЧЭ и геометрии его токовых и потенциальных контактов на чувствительность, выходное напряжение, входное и выходное сопротивление.

4. Определена нелинейность ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте.

5. Построена теория ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте, с ОРТ, имеющей три контакта, исследовано влияние внешнего сопротивления нагрузки и размеров ОРТ квазихолловского ТЧЭ на его чувствительность и выходное напряжение в линейном приближении.

Практическая ценность работы:

1. Разработана практическая методика расчета параметров сопротивления

ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте, с четырьмя контактами и различной формой ОРТ;

2. Разработана линейная модель трехконтактного ТЧЭ, удобная для проведения практических расчетов чувствительности и выходного сигнала;

3. Предложена для применения перспективная форма ТЧЭ на сдвиговом эффекте, обеспечивающая малую мощность, рассеиваемую вблизи контактов, и имеющая большие возможности для микроминиатюризации (Греческий крест);

4. Предложены простые и удобные для расчетов схемы температурной компенсации квазихолловского ТЧЭ типа Греческий крест, предложена методика их расчета;

5. Определена оптимальная степень вытянутости (отношение длины к ширине) для УЭ мембранного типа, при которой механические напряжения, возникающие в УЭ, начинают достигать своего насыщения.

6. Впервые проведено экспериментальное исследование и сравнительный анализ различных ТЧЭ, помещенных в идентичные условия механического на-гружения, на основании которого установлены количественные соотношения по чувствительности между квазихолловскими ТЧЭ различной формы, и тензорези-стивным мостом.

7. Спроектирован и изготовлен практический вариант ТЧЭ на сдвиговом эффекте с УЭ в виде квадратной мембраны.

Результаты исследований, выполненных в рамках данной работы, могут быть использованы и уже частично используются предприятиями электронной промышленности.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Результаты сравнительного анализа различных методов расчета механических напряжений в УЭ прямоугольной формы, с различным отношением длины к ширине.

2. Вариант упрощенного описания полей механических напряжений вблизи края жесткого защемления.

3. Теория четырехконтактного ТЧЭ на сдвиговом эффекте, построенная с учетом влияния формы ОРТ и геометрии токовых и потенциальных контактов.

4. Аналитическое представление матрицы сопротивлений ТЧЭ с односвязной ОРТ с осью симметрии 4-го порядка.

5. Теория трехконтактного ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте и ее упрощенный вариант в линейном по деформации приближении.

6. Результаты экспериментального исследования характеристик сенсора давления мембранного типа, содержащего четырехконтактный ТЧЭ на сдвиговом эффекте с ОРТ прямоугольной формы и тензопреобразователь на основе мостовой схемы Уитстона.

7. Результаты экспериментального исследования характеристик сенсора давления балочного типа, содержащего четырехконтактный квазихолловский ТЧЭ с ОРТ типа Греческий крест и трехконтактный ТЧЭ.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Второй международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94" (г.Новосибирск, 1994)

2. Третьей международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (г.Новосибирск, 1996)

3. Четвертой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98" (г.Новосибирск, 1998)

4. 4th International Workshop Measurement'95 (Smolenice, Slovakia, 1995)

5. VIII научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик-96) (г.Гурзуф, 1996)

6. Международной научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникации" (г.Новосибирск, 1998).

7. Международном Корейско - Российском Симпозиуме KORUS'98 (г.Томск, 1998).

Диссертационная работа удостоена стипендии Президента России. Основное содержание работы изложено в 15 печатных работах, в числе которых 1 Патент России.

Глава 1

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Текущее состояние вопросов проектирования квазихолловских ТЧЭ

В настоящее время имеется два основных направления построения тензоре-зистивных сенсоров механических величин:

• На основе продольного и поперечного тензорезистивного эффекта

• На основе сдвигового тензорезистивного эффекта.

В первом случае информация об измеряемой механической величине получается из изменения продольной компоненты тензора удельного сопротивления (вдоль длинной оси тензорезистора):

V Т , Т р

где ж1,7тпТ1,Т1 - продольные и поперечные компоненты тензоров пьезосопротив-ления и механического напряжения относительно тензорезистора.

В этом случае ток и электрическое поле в тензорезисторе имеет одинаковое направление. Во втором случае информация об измеряемой ве�