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 h2, она получена из исходной кремниевой пластины, толщина которой h1. 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 h1 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 h2 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 MИ (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] = / (nКT), где KТ – 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 Uвых = UпитSξ, где S – коэффициент тензочувствительности. С учётом размеров b и h,

Uвых = UnитS Mи/(Ebh2),

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

Uвых = 3MиUпитS/(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.

 

...





Читайте также:
Основные идеи славянофильства: Славянофилы в своей трактовке русской истории исходили из православия как начала...
Обряды и обрядовый фольклор: составляли словесно-музыкальные, дра­матические, игровые, хореографические жанры, которые...
Назначение, устройство и принцип работы автосцепки СА-3 и поглощающего аппарата: Дальнейшее развитие автосцепки подвижного состава...
Социальные науки, их классификация: Общество настолько сложный объект, что...

Поиск по сайту

©2015-2022 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-15 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:


Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.015 с.