ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕНЗОРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Принцип дейст­вия микромеханических преобразователей основан на использовании тензорезистивного эффекта, который на начальной стадии развития полупроводниковой микроэлектроники рассмат­ривался как побочное отрицательное явление. На основе результатов ис­следований этого эффекта, при использовании достижений в области технологии микроэлектронных схем, разработан целый класс перспективных и современных измерительных преобразователей, в частности, интегральные измерительные преобразо­ватели давлений и ускорений с миниатюрными кремниевыми мембранами, на поверхностях которых по диффузионной технологии выполняются полупроводниковые тензорезистивные мостовые схемы. Микромеханические преобразователи с ТР широко применяются в современных системах управления и регулирования и, в частности, в электронных системах управления транспортными средствами.

Чувствительные элементы преобразователя. Чувствительный элемент преобразователя состоит из упругого элемента, с которым жестко связан сенсор – в данном случае это тензорезистор. На рис. 23 показан упругий элемент датчика давления в виде квадратной мембраны.

Рис.23. Упругий элемент преобразователя давления

Мембрана имеет толщину h ₂, она получена из исходной кремниевой пластины, толщина которой h ₁. На другом рисунке (рис. 24) изображён чувствительный элемент акселерометра консольного типа. Размер одного из вариантов такого элемента составил мм. Элемент состоит из трёх частей. Левая часть приклеивается к корпусу, правая такой же толщины h ₁ образует инерционное тело. Для получения больших механических напряжений в той части, где расположены ТР, создают упругую перемычку. Четыре ТР 3 образуют полную мостовую схему, к которой подведены проводящие дорожки 2, заканчивающиеся контактными площадками 1. Толщина h ₂ перемычки определяет не только чувствительность элемента, но и собственную частоту преобразователя. Пятый проводник, подведённый к мосту, необходим для внешней балансировки моста.

Рис.24. Чувствительный элемент преобразователя ускорения консольного типа

На рис. 25 показана конструкция чувствительного элемента акселерометра повышенной чувствительности, состоящая из жёстко­го контура 2 и подвижной массы 1, которая подвешена на двух упругих перемычках 3. На внешних планарных сторонах этих пере­мычек расположены две полные мостовые схемы. Контактные пло­щадки распределены по всей поверхности жёсткого контура. Пло­щадь кристалла 2,2 3,5 мм.

Рис. 25. Чувствительный элемент акселерометра повышенной чувствительности

Особенность этой конструкции состоит в том, что при малых толщинах перемычек монтаж кристалла в корпусе не представляет больших затруднений, так как и клейка, и подвод навесных проводов к контактным площадкам производятся без механических воздействий на инерционный элемент. В рассмот­ренных конструкциях основным является процесс получения формы и рельефа чувствительного элемента. Для получения мембран, тонких перемычек и соответствующего профиля применяют химическое травление. Если поверхность кристалла соответствует кристаллографической плоскости (100), можно использовать анизотропные травители. Образующаяся при стравливании кремния поверхность сохраняет шероховатость исходной поверхности, а боковые поверхности (рис. 26), соответствующие плоскости 3, наклонены под углом 35,3°. На рис. 26 показаны: образование мембраны или упругой перемычки 1, сквозное двустороннее протравление 2 и травление «на выклинивание» 3, которым пользуются для разъединения пластины на отдельные кристаллы взамен алмазного скрайбирования.

Рис.26. Виды операций, совершаемых химическим травлением: 1 – формирование тонкой мембраны; 2 – разделение, путем сквозного двустороннего травления; 3 – несквозное протравливание вместо алмазной резки (скрайбирования).

Достоинство химического травления перед механическим (алмазным) резанием состоит в отсутствии микротрещин, следовательно, и в отсутствии концентрации напряжений. При анизотропном травлении наружные размеры лунок могут практически совпадать с размерами окон в маске.

Так называемое ионное травление – один из специфических процессов в микроэлектронике. Несомненным преимуществом локального ионного травления является отсутствие «подтравливания» под маску. В результате стенки вытравленного рельефа практически вертикальны, а площади углублений равны площади окон в маске.

Особое внимание при проектировании упругих элементов из монокристаллического кремния следует уделять вопросам прочности, когда упругие перемычки и мембраны образованы анизотронным травлением.

Низкая шероховатость образуемых поверхностей спо­собствует тому, что внутренние углы между этими поверхностями имеют чрезвычайно малый радиус скругления. При изгибе балки (см. рис 24) в этих углах возникает большая концентрация нап­ряжений, которая и определяет прочность консольного элемента.

На рис. 27, а показана мембрана, нагруженная давлением р. Рассмотрение напряжённого состояния необходимо вести раздельно для внешней, планарной поверхности кристалла, на которой кон­центраторов напряжений нет, и для внутренней, где по периметру мембраны имеется внутренний угол с радиусом r. Примерный вид этих напряжений на наружной H и внутренней B поверхностях показан на рис. 27, б, и в, соответственно.

Рис. 27. Характер распределения напряжений в мембране (а) на наружной (б) и внутренней (в) поверхностях.

Из эпюры, приведенной на рис. 27, б, можно видеть, что мостовую схему целесообразно располагать в зоне, соответствую­щей напряжениям т. е. вблизи заделки мембраны, несмотря на значительную неравномерность напряжений. В центре мембраны наблюдается плоское двухосное напряженное состояние с одина­ковыми главными напря­жениями. Для внутрен­ней поверхности (рис. 27, а) характерны рез­кие пики с напряжениями , которые в несколько раз больше напряжений сглаженных пиков на на­ружной поверхности. Чув­ствительность датчика оп­ределяется напряжением , а прочность – на­пряжением . Отсюда следует, что местные на­пряжения в углах вызы­вают ограничение чувстви­тельности.

На рис. 28 по­казана схема акселеро­метра и напряжения, воз­никающие в результате приложения к центру тяжести массы m силы ma (a – ускорение).

Рис. 28. Характер распределения напряжений в консольной балке (а) под действием изгибающего момента (б) на наружной (в) и внутренней (г) поверхностях

Изгибающий момент M_И (рис. 28, б) создает напряжение на плоской планарной (рис. 28, в) и внутренней (рис. 28, г) сторонах пластины. В реальных образцах кристаллов длина перемычек мала по сравнению с расстоянием от заделки до центра тяжести, поэтому на поверхности перемычки перепад напряжений невелик и создаются хорошие условия для распо­ложения ТР. Допускаемые напряжения σ₁ в перемычках на внутренней и наружной поверхности одинаковы по абсолютному значению и могут быть определены из выражения [σ₁] = / (nК_T), где K_Т – теоретический коэффициент концентрации, зависящий от толщины перемычки и радиуса, n – запас прочности.

Влияние концентраторов напряжений во внутренних углах мож­но снизить, если в середине перемычки сделать сквозное окно, удалённое от внутренних углов (см. рис. 25). Тогда на оставшихся двух перемычках напряжение повысится до σ₂, где σ₂ = σ₁b/(2b₁), а допускаемое напряжение для рабочих зон перемычек.

Для кристалла (см. рис. 24, б), имеющего характер распределения напря­жений, показанный на рис. 28, выходное напряжение U_вых = U_питSξ, где S – коэффициент тензочувствительности. С учётом размеров b и h,

U_вых = U_nитS M_и/(Ebh²),

где Е – модуль Юнга. Если исполь­зованы две перемычки шириной b₁ (см. рис. 25), выходное нап­ряжение

U_вых = 3M_иU_питS/(Eb₁h²).

Из этих выражений следует, что чувствительность определяется главным образом, толщиной перемычек и кристалла. Изгибающий момент может быть увеличен размещением присоединенной массы на конце консоли. Собственная частота и чувствитель­ность преобразователя могут быть вычислены, если заданы геометрические размеры кристалла.