Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ ИЗ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ

Научная статья
Волков В.С.
Выпуск: № 7 (38), 2015
Опубликована:
2015/08/15
PDF

Волков В.С.

Доцент, кандидат технических наук, Пензенский государственный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ ИЗ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ

Аннотация

Показаны причины возникновения временной нестабильности в чувствительных элементах датчиков давлений и предложены методы по ее уменьшению. Проанализированы результаты моделирования чувствительного элемента на основе КДК-структуры со схемой температурной компенсации на основе высокоомного терморезистор.

Ключевые слова: высокотемпературный датчик давления, дефекты полупроводника, КДК-структура, высокоомный кремний.

Volkov V.S.

associate professor, PhD in technical sciences, Penza State University

CHARACTERISTICS ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SENSOR WITH HIGH-RESISTANCE SILICON STRAIN GAGES

Abstract

The causes of pressure sensor elements long-term unstability are showed. The results of simulation the SOI-sensor including temperature compensation circuit based on a high resistance thermistor are analyzed.

Keywords: high temperature pressure sensor, semiconductor defects, SOI-structure, high-resistance silicon.

Эксплуатация современных датчиков давлений в особо жестких условиях постоянно повышает требования к точностным и эксплуатационным характеристикам высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений (ПДД) [1 - 4].

Наибольшую сложность представляет компенсация нестабильности метрологических характеристик, вызванной прогрессирующими погрешностями – медленно изменяющимися во времени по случайному закону погрешностями (дрейфом) [5 - 7]. В чувствительных элементах (ЧЭ) ПДД основным источником дрейфовых погрешностей являются легированные участки кремния в виде различных слоев (тензорезисторы, терморезисторы и др.), полученные диффузией и ионным легированием. Внутренняя структура легированных участков содержит значительное количество дефектов, наличие которых вызывает деградацию характеристик кремния, а значит и ЧЭ в целом, вследствие процессов, вызванных объемной диффузией, особенно при эксплуатации в широком диапазоне температур [5 - 7].

Еще одной причиной долговременных дрейфовых погрешностей ЧЭ ПДД является наличие p - n перехода между резисторами и подложкой (поверхностью ЧЭ), что вызывает возникновение механических напряжений, релаксирующих как во времени, так и при изменении температуры. Кроме того, наличие p-n перехода ограничивает функционирование кремниевого ЧЭ при температуре свыше 120 °С вследствие наступлении при данной температуре теплового пробоя.

Исключить p - n переход позволяет конструкция, использующая структуру «кремний-диэлектрик-кремний» (КДК), обладающая существенными преимуществами по сравнению с традиционными конструкциями кремниевых ЧЭ ПДД [5 - 7].

В такой конструкции мембрана ЧЭ покрыта изолятором (слоем SiO2), а на поверхности изолятора расположены тензорезисторы меза-типа из монокристаллического кремния, обладающего удельным сопротивлением не менее 20 Ом∙см, что соответствует концентрации бора не более 1015 см-3. Это позволяет значительно уменьшить количество дефектов в кремнии, а значит и долговременную дрейфовую погрешность [5, 6]. Исключение p-n позволяет расширить температурный диапазон эксплуатации ПДД до 300°С [5 - 7].

Тензорезисторы располагаются на поверхности ЧЭ и объединяются в измерительный мост Уитстона. Параметры тензорезисторов следующие: номинальное сопротивление не менее 1 МОм, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) тензорезисторов порядка 0,8 %/°С, температурный коэффициент тензочувствительности (ТКЧ) порядка 0,4 %/°С, коэффициент тензочувствительности при нормальной температуре k = 150, деформация, соответствующая максимальному давлению ε = 0,0005 [5 - 8].

Сопротивления тензорезистора как функция деформации, прямо пропорциональной измеряемому давлению, и температуры представлена выражением [5]:

03-08-2015 12-05-01               (1)

где R0 – номинальное сопротивление при температуре 25 °С, α1 - ТКС [1/°С], k0 - коэффициент при температуре 25 °С, ε - относительная деформация тензорезистора, γ - ТКЧ [1/°С], ΔT – диапазон изменения рабочей температуры ПДД.

Выходной сигнал измерительного моста Уитстона равен (2):

03-08-2015 12-05-39               (2)

Выходное напряжение измерительного моста Уитстона исследовалось при помощи моделирования в программе MathCad [9 - 11].

На рисунке 1 показан выходной сигнал измерительного моста Уитстона при максимальном входном давлении на ПДД в программной среде MathCad при напряжении питания 1 В в диапазоне температур ΔT = 300 °С.

Анализ данных на рисунке 1 показывает, что выходное напряжение при максимальной деформации ЧЭ равно 75 мВ и в диапазоне температур до 300 °С линейно возрастает до 165 мВ, т.е., увеличивается более чем в 2 раза. Такая температурная погрешность обусловлена высокими значением ТКЧ тензорезисторов, что является наиболее существенным недостатком использования нелегированного кремния для изготовления ЧЭ.

03-08-2015 12-05-52

Рис. 1 – Выходной сигнал мостовой схемы при максимальном давлении в заданном диапазоне температур ПДД

Простейшим способом компенсации температурной погрешности тензочувствительности является подключение к выходу моста Уитстона делителя напряжения, состоящего из терморезистора Rt и постоянного подстроечного резистора Rд. В этом случае выходное напряжение будет описываться формулой

03-08-2015 12-06-20               (3)

где 03-08-2015 12-06-44. Для снижения дрейфовой погрешности ЧЭ терморезистор также должен изготавливаться из нелегированного монокристаллического кремния, тогда его номинал и ТКС будут такие же, как у тензорезисторов.

Значение построечного сопротивления Rд определяется из условия нечувствительности измерительного моста Уитстона к изменению температуры путем дифференцирования выражения (3) по температуре и приравнивания к 0. Тогда Rд будет равен

03-08-2015 12-06-58               (4)

Для заданных значений моделируемого измерительного моста Уитстона значение построечного сопротивления Rд равно 3·106 Ом. Выходное напряжение моста при использовании схемы температурной компенсации показано на рисунке 2.

03-08-2015 12-07-13

Рис. 2 – Выходное напряжение мостовой схемы после температурной компенсации.

Значение выходного сигнала составляет 56 мВ во всем диапазоне температур Снижение выходного сигнала является единственным недостатком такой схемы температурной компенсации, но в данном случае оно составляет не более 25 %.

Литература

  1. Баринов И.Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии.−2010.−№8.−С. 64-71.
  2. Баринов И.Н., Цыпин Б.В. Состояние разработок и тенденции развития высокотемпературных тензорезистивных датчиков давлений на основе карбида кремния // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.−2010.− №11.−С. 50-60.
  3. Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.−2008.− №11.− С. 8-13.
  4. Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.–2012.–№7.–С. 9-13.
  5. Баринов И.Н., Волков В.С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.- 2010. -  № 3. - с. 9 – 16.
  6. Баринов И.Н., Волков В.С. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2011. - № 8. – с. 51 – 55.
  7. Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. - № 9. - с. 29 – 35.
  8. Баринов И. Н., Волков В. С., Евдокимов С. П., Кудрявцева Д. А. Использование высокоомных кремниевых тензорезисторов для повышения временной стабильности датчиков давления в системах управления и контроля // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 1 (7). - с. 65 - 74.
  9. Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2009. - № 12. - с. 20 – 26.
  10. Волков В.С., Фандеев В.П., Баринов И.Н. Использование информационных технологий для разработки диагностического обеспечения электронных устройств // Технологии приборостроения. - 2006. - № 4. – с. 21 – 23.
  11. Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50 – 55.

References

  1. Баринов И.Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии.−2010.−№8.−С. 64-71.
  2. Баринов И.Н., Цыпин Б.В. Состояние разработок и тенденции развития высокотемпературных тензорезистивных датчиков давлений на основе карбида кремния // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.−2010.− №11.−С. 50-60.
  3. Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.−2008.− №11.− С. 8-13.
  4. Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.–2012.–№7.–С. 9-13.
  5. Баринов И.Н., Волков В.С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.- 2010. -  № 3. - с. 9 – 16.
  6. Баринов И.Н., Волков В.С. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2011. - № 8. – с. 51 – 55.
  7. Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. - № 9. - с. 29 – 35.
  8. Баринов И. Н., Волков В. С., Евдокимов С. П., Кудрявцева Д. А. Использование высокоомных кремниевых тензорезисторов для повышения временной стабильности датчиков давления в системах управления и контроля // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 1 (7). - с. 65 - 74.
  9. Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2009. - № 12. - с. 20 – 26.
  10. Волков В.С., Фандеев В.П., Баринов И.Н. Использование информационных технологий для разработки диагностического обеспечения электронных устройств // Технологии приборостроения. - 2006. - № 4. – с. 21 – 23.
  11. Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50 – 55.