МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
О Г Л А В Л Е Н И Е
Введение...................................................................................................................3
1. Физические эффекты как основа построения сенсоров..................................4
2. Кристаллическая решетка кремния..................................................................8
3. Индексы Миллера..............................................................................................10
5. Математическое описание упругих свойств кремния...................................15
5. Механические параметры кремния..................................................................19
6. Виды легирования тензорезисторов................................................................21
7. Тензорезистивный эффект и его математическое описание.........................24
8. Главные тензорезестивные тензоэффекта......................................................29
9. Факторы, определяющие величину главных тензорезистивных коэффициентов......................................................................................................33
10. Произвольная ориентация тензорезисторов.................................................35
11. Полупроводниковые тензорезисторы в мостовых схемах постоянного тока………..............................................................................................................39
12. Метрологические характеристики мостовых тензорезистивных преобразователей …………................................................................................. 43
13.Технологические процессы производства преобразователей.....................47
14. Чувствительные элементы интегральных измерительных ТП…………..58
15. Интегральный измерительный преобразователь давления (ИИПД)……..63
16. Измерительный преобразователь ускорения………………………………72
17. Конструирование интегральных измерительных преобразователей…….77
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчёт прогиба и механических напряжений для кремниевой мембраны круглой и эллиптической формы.................................88
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчёт прогиба и механических напряжений для кремниевой мембраны квадратной формы.........................................................91
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Конструирование интегральных тензорезисторов...........96
ВВЕДЕНИЕ
Сенсоризация производственной деятельности, т.е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции, вслед, за первыми двумя – машинно-энергетической и информационно-компьютерной.
По структурному построению автоматизированные устройства напоминают биологические системы человека. Аналогия между человеком и автоматом по способам получения сигналов, их обработки, накопления, а также по преобразованию сигналов представлена в табл. 1. Органам чувств человека соответствуют в автоматах (или роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга, как центрального устройства обработки сигналов, служит ЭВМ с её системой памяти. Заметим, что сочетание «датчик – ЭВМ – исполнительное устройство» представляет собой систему автоматического управления (информационную или информационно - управляющую систему).
Т а б л и ц а 1
Аналогия между процессами получения, обработки и
Преобразования сигналов в биологических и технических система
| Функция | Биологическая система | Техническая система |
| Чувства | Датчики | |
| Получение сигнала | Обоняние | Газоанализатор |
| Вкус | pH-метр | |
| Слух | Микрофон | |
| Осязание | Датчики температуры, перемещения, усилия, потока и т. д. | |
| Зрение | Телекамера, датчики положения, излучения и т.д. | |
| Обработка сигнала | Мозг | ЭВМ |
| Преобразование сигнала | Органы | Исполнительные устройства |
| Движения | Двигатель | |
| Речь | Динамик | |
| Жестикуляция | Индикация | |
| Письмо | Принтер |
ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫКАК ОСНОВА
ПОСТРОЕНИЯ СЕНСОРОВ
Практическая реализация робота связана с открытием (или отысканием) такого физического эффекта, конструктивного решения и технологии, при котором обеспечиваются требования по точности, надежности и стоимости. «Узким» местом было и в определённом смысле остается первое звено в цепи преобразований – это датчик.
Датчиком называют обычно дешевый, но надежный приёмник и преобразователь измеряемой величины, обладающий достаточной точностью и пригодный для серийного изготовления.
Техника конструирования и применения датчиков, или, как её можно кратко назвать сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники (ощутимо это стало проявляться примерно с 1970 года). С ростом автоматизации, к датчикам физических величин стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям: миниатюрность (возможность встраивания); дешевизна (серийное производство); механическая прочность.
В последнее время распространились такие понятия, как "эффекты твердого тела", "твердотельные датчики", "микромеханика", "интегральные датчики", "полупроводниковые датчики" и т.д. – всё это результат бурного прогресса в создании сенсоров на базе технологии производства электронных микросхем. Это технологическое направление в зарубежной технике получило название iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System). Такое устройство может состоять из механических микроструктур, микродатчиков, микроактюаторов и микроэлектроники, объединяемых на одном кремниевом чипе. Ассортимент видов преобразований энергии (следовательно, и видов преобразователей) оказывается достаточно широким (табл. 2)
Т а б л и ц а 2
Преобразователи различных видов энергии
| Вид входной энергии | Микроэлектронные преобразователи |
| Механическая | Тензорезисторы, тензодиоды, тензотранзисторы, диоды Ганна, микроэлектронные параметрические преобразователи (R, L, C, резонансные, струнные, ПАВ) |
| Акустическая | Пьезо-, тензо-, ПАВ-преобразователи |
| Электрическая | Микроэлектроды, ионочувствительные датчики |
| Магнитная | Датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры |
| Тепловая | Терморезисторы, диоды, транзисторы, тиристоры, термоэлементы и термопары |
| Световая | Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители, диоды Шоттки, ПЗС |
| Химическая | Микроэлектроды, химотронные приборы, ионочувствительные приборы, биосенсоры |
| Ядерная | Полупроводниковые детекторы излучения, pin -фотодиоды, ПЗС-камеры для рентгеновского излучения |
Интегральные преобразователи позволяют осуществить и обратное преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Например, светодиоды и полупроводниковые лазеры; интегральные балочные и струнные приборы.
Преимущества микромеханических датчиков по сравнению с датчиками, изготавливаемыми по традиционной технологии механообработки, таких как резка, шлифование, сверление:
1. Размер чувствительных и упругих элементов датчиков находится в интервале от долей до нескольких миллиметров, что почти на два порядка меньше традиционных (габариты, материалопотребление, точность, надежность, стоимость).
2. Возможность применения групповой технологии изготовления, подобно электронным микросхемам, изготавливаемым сотнями и тысячами на одной пластине (малый разброс параметров в партии, производительность, надежность, стоимость).
3. Высокая стабильность параметров в связи с использованием кристаллических структур вместо поликристаллических, а также в связи с отсутствием прослоек в упругом элементе (большие пределы прочности и пластичности, отсутствие ползучести, гистерезиса – всё это приводит к повышению точности измерений).
4. Возможность интеграции чувствительного элемента датчика (или датчиков) с электронными схемами.
5. Возможность интеграции ряда одинаковых или различных чувствительных элементов датчиков на одной пластине. Использование системы датчиков для перекрытия всего диапазона в случае, когда его невозможно перекрыть одним ЧЭ.
Таким образом, использование новой технологии приводит к повышению
– точности измерения, чувствительности и к расширению частотного диапазона, снижению нелинейности и расширению амплитудного диапазона измерения, а также к повышению прочности датчика. Происходит повышение стабильности параметров датчика, снижение эффекта усреднения внешнего воздействия и эффекта искажения измеряемой величины за счёт воздействия на объект массы датчика;
– повышение надёжности измерений;
– уменьшение материалопотребления;
– увеличение производительности и снижение стоимости.
Микромеханические приборы обладают большой коммерческой привлекательностью.
Развитие MEMS-производства связано с быстропрогрессирующими областями их использования – это мобильные роботы гражданского и военного назначения.
Авиационная промышленность, где требования к датчикам и контрольно-измерительным и управляющим устройствам особенно высоки, потребляет большое количество одноимённых датчиков. Например, в зависимости от типоразмеров самолётов общее число только датчиков давления на одном самолёте составляет 50-90 штук. В Европе за 1998-2008 гг. должно было быть произведено 8000 гражданских самолётов, т. е. одних лишь датчиков давления необходимо более 500 тыс. шт.
Так как у MEMS - компонентов в направлении миниатюризации в обозримом будущем не будет конкурентов, а их точность и эксплуатационные характеристики имеют устойчивую тенденция к улучшению показателей, можно ожидать прогрессирующего внедрения микромеханических приборов в изделия гражданского и военного назначения.