ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЙ

Евдокимов С.П.

Соискатель, Пензенский государственный университет

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЙ

Аннотация

В статье описано применение поликристаллического алмаза для создания высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления. Приведены результаты исследования температурной зависимости тензочувствительности пленок поликристаллического алмаза.

Ключевые слова: Пленки поликристаллического алмаза, чувствительный элемент, высокотемпературный датчик давления.

Evdokimov S. P.

Applicant, Penza State University

APPLICATION OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND FOR HIGH-TEMPERATURE SEMICONDUCTOR STRAIN GAGE PRESSURE SENSORS

Abstract

The article describes application of for high-temperature semiconductor pressure sensors are described. Results of gage factor temperature dependence investigations for polycrystalline diamond films are demonstrated.

Keywords: Polycrystalline diamond film, sensing element, high-temperature pressure sensor.

Для реализации задач измерения давлений в условиях воздействия внешних влияющих факторов (температуры, ионизирующего излучения и т.д.) при эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники требуется создание широкой номенклатуры измерительной аппаратуры с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками [1 - 4].

Одним из наиболее перспективных вариантов реализации таких требований при разработке и создании микроэлектронных датчиков давлений для особо жестких условий эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники является использование широкозонных полупроводниковых материалов, обладающих уникальными физико-химическими и механическими характеристиками.

Из всех широкозонных полупроводников у алмаза наилучшее для твердотельных приборов сочетание основных электрофизических параметров. При легировании алмаза его удельное сопротивление может изменяться в широком интервале что превращает его в широкозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 5,4 эВ. Это делает его перспективным материалом для изделий, работающих в экстремальных условиях, в том числе микроэлектронных датчиков давлений [6].

Новые перспективы применения алмаза появились в результате разработки технологии его синтеза при низких давлениях [5]. Важнейшими достоинствами газофазного поликристаллического алмаза являются большие размеры пластин, высокая воспроизводимость физических параметров, возможность выращивания пленок заданной формы на профилированных подложках, возможность нанесения алмазных слоев на поверхности различных материалов.

Вследствие этого представляет значительный интерес возможность замены традиционно используемого кремния поликристаллическим алмазом для изготовления чувствительных элементов датчиков давлений, использующих тензорезистивный эффект в полупроводниках. Известно, что коэффициент тензочувствительности поликристаллического алмаза может изменяться в широких приделах в зависимости от состава газов и электрофизических характеристик алмазной пленки [5, 6].

Вследствие того, что легированный алмаз, являясь полупроводником, характеризуется существенной температурной зависимостью электрофизических характеристик, использование поликристаллического алмаза для изготовления чувствительных элементов тензорезистивных датчиков для эксплуатации в условиях высоких температур требует изучения температурной зависимости тензочувствительности с целью разработки конструктивных и технологических методов температурной компенсации[7].

В работе [6] исследована зависимость коэффициента тензочувствительности от температуры для поликристаллических алмазных пленок.

Зависимость коэффициентов тензочувствительности пленки в диапазоне температур от 25 до 500 °С представлена на рисунке 1.

Рис. 1 – Зависимость тензочувствительности алмазной пленки от температуры [6]

K1 – для образца 1 с сопротивлением пленки 1720 Ом, K2 – для образца 2 с сопротивлением пленки 5270 Ом, K3 – для образца 3 с сопротивлением пленки 75,2 кОм [6]

Из анализа рисунка 1 видно, что образец 3 характеризуется высоким коэффициентом тензочувствительности при нормальных условиях (более 130), тогда как образцы 1 и 2 характеризуются значением коэффициента тензочувствительности порядка 10, что близко к тензочувствительности поликремния. Однако при увеличение температуры до 300°С тензочувствительность образца 3 резко уменьшается и переходит в область отрицательных значений.

Следовательно, для изготовления датчиков давлений, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур, целесообразно использовать пленки поликристаллического алмаза, соответствующие по своим электрофизическим характеристикам образцу 1, так как его тензочувствительность практически не зависит от температуры в диапазоне до 350 °С, что упрощает схему построения температурной компенсации, а в диапазоне до 500 °С зависимость тензочувствительности от температуры может быть представлена в виде полиномиальной или кусочно-линейной зависимости.

Еще одним преимуществом поликристаллического алмаза как основы для изготовления датчиков давлений для особо жестких условий эксплуатации является температурная стабильность характеристик. ТКЛР алмаза при комнатной температуре приблизительно равен 1·10^-6 °С^-1, что более чем в два раза ниже, чем ТКЛР кремния. Модуль Юнга для пленок поликристаллического алмаза характеризуется значением, близким к модулю Юнга монокристаллического алмаза (1143 ГПа), при этом он стабилен в диапазоне температур до 750°С [5].

Таким образом, использование поликристаллического алмаза для изготовления чувствительных элементов позволит повысить стабильность характеристик и надежность датчиков для особо жестких условий эксплуатации.

Литература

1. Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.−2008.− № 11. − С. 8-14.
2. Баринов И.Н. Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения.−2006.−№ 4. − С. 28-33.
3. Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.−2009.−№4.−С. 47-51.
4. Баринов И.Н., Волков В.С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.–2010.–№3. – С. 9-15.
5. CVD Diamond for Electronic Devices and Sensors / Wiley Series in Materials for Electronic & Optoelectronic Applications (Vol. 26) [Edited by Ricardo S. Sussmann]. John Wiley & Sons, Ltd. 2009. - 596 p.
6. Yamamoto A. Evaluation of diamond gauge factor up to 500 °C / Yamamoto A., Norio N., Tsutsumoto T. // Diamond and Related Materials - 2007. Vol. 16, Issue 8. - p. 1670-1675
7. Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления / Баринов И.Н., Волков В.С. // Приборы.–2011.–№ 7. – С. 50-54.