ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (ИИПД)

 

Для реализа­ции максимальной чувствительности ТР к измеряемому давлению необхо­димо выбирать оптимальные соотношения их размеров и размеров кремние­вой мембраны, на которой они располагаются. Мембрана, являющаяся первичным измерительным преобразователем давления и упругим элементом ИИПД, обычно выполняется из заготовки монокристаллического кремния и имеет толщину от 15 до 25 мкм. Особенности её изготовления пояс­няются рис. 29.

 

Рис.29. Чувствительный элемент преобразователя давления: а – расположение тензорезистора в мембране, б – чувствительный элемент в разрезе, 1 – мембрана, 2 – тензорезистор, 3 – полость для подачи измеряемого давления, 4 – кристаллографическая плоскость (001); 5, 6 – направления кристаллографических осей <110> и <1 0>

Основные достоинства датчиков, выполненных на мембранах с тензорезисторами: высокая чувствительность, быстродействие и способность к перегрузкам, линейная безгистерезисная характеристика преобразования; большой срок службы; высокая частота собственных механических колебаний мем­браны и первичного измерительного преобразователя давлений, соответст­венно; малые габаритные размеры; технологичность (возможность изго­товления датчиков большими партиями).

Сопротивление ТР зависит от его длины l, площади поперечного сечения А и удельного сопротивления ρ

..................(1)

Под воздействием механических напряжений, создаваемых в мембране измеряемым давлением, изменяются размеры ТР, а также его удельное сопротивление

......................(2)

Если тензочувствительность металлических ТР определяется в основном изменениями их размеров, то основная часть чувстви­тельности полупроводниковых ТР вызывается изменением их удельного сопротивления.

Зависимость механических напряжений σ в ТР от деформаций ξ подчиняется закону Гука для анизотропного монокристаллического кремния; эта зависимость с учетом значений и направлений механических напря­жений выражается тензором 2-ого ранга

, (i =1...6; k =1...6)................(3)

Подвижность носителей электрического заряда в монокристаллическом ТР зависит от его ориентации относительно кристаллографических осей; при этом удельное сопротивление в первом приближении выражается симметричным тензором 2-го ранга. Из выражений (1) и (3) получено

.........(4)

Формула (4) представляет математическое описание тензорезистивного эффекта, и, с учётом значений коэффициентов тензосопротивлений в общем случае выражается тензором 4-го ранга. Для монокристаллического кремния с кубической симметрией число возможных независимых компонентов редуцируется до трех: Компоненты характеризуют воздействия нормальных механических на­пряжений, а компонент – сдвиговых напряжений. Значения коэффици­ентов тензосопротивления зависят от типа проводимости, степени ле­гирования полупроводника, удельного сопротивления и температуры по­лупроводника. При меньшей степени легирования (определяемой концент­рацией примеси) возрастают значения коэффициентов тензосопротивления и в большей мере проявляется тензорезистивный эффект. Однако при этом увеличиваются температурные зависимости коэффициентов тензосо­противления. При сильном легировании полупроводника уменьшаются зна­чения коэффициентов тензосопротивления и уменьшаются температурные зависимости. При выборе степени легирования поверхностных слоёв кремниевой мембраны в процессе изготовления диффузионных ТР исполь­зуются компромиссные решения, при которых достигаются достаточно высокая тензочувствительность и небольшая температурная зависимость. Критичность выбора степени легирования мембраны создает боль­шие трудности в разработке и изготовлении ИИПД с интегральными схемами встроенных усилителей и преобразователей, располагаемых с ТР на одной мембране.

Наибольшее практическое применение находят слаболегированные ТР p -типа, выполняемые по диффузионной технологии на мембране n -ти­па. Удельное сопротивление таких ТР составляет ~ 10 Ом см, а их коэффициенты тензосопротивления равны

Результаты всех измерений этих коэффициентов удовлетворяют условию

Рассмотрим основные особенности работы диффузионного ТР, имею­щего конечную длину и незначительную толщину, расположенного произ­вольно относительно направлений кристаллографических осей. Измеряемое внешнее воздействие (давление) вызывает продольную деформацию ТР. Механические напряжения в ТР раскладываются на составляющие σ _L вдоль его длины и σ _Т в поперечном направлении – по ширине. Если ТР располагается в плоскости (001), изменения его удельного сопротивления, определяемые указанными продольным и поперечным эффектами состав­ляют

...........................(5)

......................(6)

где и – безразмерные коэффициенты направлений, определяемые исходя из значений углов между направлениями механических напряжений и и направлений кристаллографических осей.

Общее изменение удельного сопротивления ТР с учетом продольного и поперечного эффек­тов составляет

.......................(7)

При соответствующем выборе направления ТР относительно направле­ний кристаллографических осей (и получении необходимых значений и ), можно изменять тензочувствительность ТР как по значению, так и по знаку.

В ИИПД используются кремниевые мембраны круглой, эллиптической, квадратной и прямоугольной формы. ТР могут располагаться как в центре мембраны, так и по её краям. Выбор месторасположения ТР производится с учётом напряжённого состояния мембраны при её нагружении давлением. Расчёт прогиба мембраны, а также определение создаваемых в ней ме­ханических напряжений можно осуществить на основе теории тонких пластин и оболочек Кирхгофа. Эта теория позволяет получать приближенные вы­ражения для деформированного состояния мембран круглой и эллиптичес­кой формы, и не обеспечивает определения решений для мембран квад­ратной и прямоугольной формы. Для мембраны эллиптической формы из анизотропного материала, зажатой по краям, получено следующее выра­жение для прогиба w _x, создаваемого давлением р, действующим на одну из сторон

.................(8)

...(9)

где a, b – полуоси эллипса, ограничивающего поверхность мембраны; h – толщина мембраны; С₁₁, С₁₂, C₄₄ – модули упругости монокристал­лического кремния.

В каждой точке мембраны в результате ее прогиба возникают радиальные и тангенциальные механические напряжения, которые пересчитываются в напряжения σ_х и σ_{у ,} направленные вдоль координатных осей «х » и «у» и вдоль главных осей эллипса

...(10)

 

...(11)

Произведём расчет прогиба w и механических напряжений σ_х, σ_у для кремниевой мембраны эллиптической формы толщиной 25 мкм и дли­нами полуосей a = 1,3 мм, b = 0,65 мм (рис.30), на которую воз­действовало давление Δ р =10⁵ Па.

 

Рис. 30. Прогиб и механические напряжения в эллиптической мембране: 1 – защемлённый край мембраны; 2 – график прогиба; 3,4 – направления поверхностных механических напряжений растяжения и сжатия в мембране со стороны воздействующего давления

 

Прогиб центра мембраны составил w ₀ = 2,6 мкм. Толщина мембраны (25 мкм) существенно превышает прогиб ее центра (2,6 мкм). Такая мембрана называется «жесткой», значения приложенно­го давления и механических напряжений в ней связаны линейной зависи­мостью. Поверхностные области мембраны, близкие к краям, подверга­ются растяжению, а центральные области – сжимаются.

 

Рабочие поверхности» рассматриваемой мембраны параллельны кристаллографической плоскости (001), а направление её главной оси соответствовало кристаллографической оси <110>.

Для ТР, располагаемых вдоль глав­ной оси, значения коэффициентов направления равны: F ₁₁ =1/4 и F ₁₂=1/2. Общее изменение удельного сопротивления ТР, в соответствии с выражением (7), составило

....(12)

где , и – продольные и поперечные механические напряжения в ТР.

На мембране обычно располагаются четыре ТР, включаемые по схеме полного моста, выходное напряжение которого равно

.....(13)

где U_e - напряжение питания моста; – сопротивления тензорезисторов.

В ИИПД с мембраной прямоугольной формы четыре одинаковые по
размерам ТР располагаются в её центральной части в виде квадрата.
Изменения удельных сопротивлений противолежащих ТР имеют одинако-
вые, значения

....(14)

После подстановки последнего выражения в формулу (13) получено

где

– удельное сопротивление материала ненагруженной мембраны.

Чув­ствительность ИИПД с мембраной эллиптической формы и слаболегированными ТР р -типа при напряжении питания моста U_e = 5 В составляет 10 мВ/ (Н/см²).

Существует несколько известных методов изготовления тонких мемб­ран из монокристаллического кремния с заданными размерами: методы электролитического травления; методы изотропного и анизотропного хими­ческого травления; методы электроискровой механической обработки. Рассмотрим особенности изготовления мембран по методу электрохимического самотормозящегося травления, являющегося относительно простым и точным.

На подложку 1 (рис. 31) сильнолегированного кремния n ⁺ - типа наносится эпитаксиальный слой 2 высокоомного кремния n - типа толщиной 15-25 мкм. На внешней поверхности этого слоя по диффузионной тех-

нологии выполняются тенхорезисторы 3 с проводимостью р -типа, которые покры­ваются окисной пленкой. На нижнюю поверхность подложки 1 по методу фотолитографии наносится защитная маска 4 с отверстием, через которое производится электрохимическое травление материала подложки в элект­ролитической ванне со слабым раствором плавиковой кислоты. Между подложкой, используемой в качестве анода, и графитовым электродом, располагаемым перед отверстием в маске и используемым в качестве катода, прикладывается сравнительно небольшое электрическое напряже­ние.

 

Рис. 31. Структура мембраны, изготавливаемой по методу электрохимического самотормозящегося травления

 

Кремний - n ⁺ хорошо растворяется в указанном электролите, и в подложке образуется полость 5. Эпитаксиальный слой 2 высокоомного кремния плохо растворяется в электролите и при достижении электро­литом его внутренней поверхности происходит самоостановка процесса травления.

Важным этапом изготовления ИИПД является закрепление кремниевой мембраны в корпусе микросхемы. Процесс закрепления не должен создавать в мембране остаточных механических напряжений, к которым ТР обладает повышенной чувствительностью. Один из известных методов монтажа пре­дусматривает закрепление мембраны в корпусе через прослойку силико­нового каучука – так называемый «мягкий» монтаж. Такое крепление обеспечивает температурную и механическую развязку мембраны, но не позволяет получать достаточно высокую герметичность внутренней полости первичного измерительного преобразователя давления. Поэтому оно используется в ИИПД перепада давлений и практически непригодно для ИИПД абсолютного давления, в которых к герметичности полости первичного измерительного преобразователя давления предъявляются высо­кие требования. ИИПД с «жёстким» монтажом имеет цоколь из специаль­ного стекла, к которому присоединяется мембрана (по методу термо­компрессии или пайки). Материалы цоколя и мембраны (кремний) имеют одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения. Посколь­ку характеристики материалов цоколя и мембраны в отношении воздейст­вия температуры не бывают согласованы достаточно точно, эти ИИПД имеют значительную температурную погрешность нуля.

Тензомосты рассматриваемых ИИПД обеспечивают получение относительно больших электрических сигналов, которые могут обрабатываться электронными преобразователями без промежуточного усиления. Из-за технологического разброса основных параметров ТР, отдельные образцы ИИПД могут различаться по чувствительности, нулевому сигналу и тем­пературному изменению чувствительности. Для обеспечения номинальных значений этих характеристик, подложка с кремниевой мембраной выпол­няется в виде гибридной интегральной микросхемы (ИС), на которой кроме ТР располагаются операционный усилитель с регулируемым коэф­фициентом усиления (на безкорпусном транзисторе) и схемы компенса­ции нулевого сигнала и температурного изменения чувствительности. Выполнение такого ИИПД в виде единой твердотельной ИС встречает некоторые трудности из-за ранее отмеченных существенных различий микро­электронных технологий выполнения ТР и транзисторов.

Обеспечение различных чувствительностей ИИПД для заданных диа­пазонов измерения по давлению производится на основе выбора соответ­ствующих толщин мембран.

 

16. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ

 

Измерительный преобразователь ускорения (акселерометр) емкостного типа может быть изготовлен на базе, так называемой, поверхностной технологии. Его конструкция определяется теми приёмами, которые возможны при использовании этой технологии (рис. 32). Обкладка 2 конденсатора закреплена на упругих подвесах и может перемещаться по направлению измеряемого ускорения под воздействием инерционной силы F. Обкладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 уменьшается. Обкладки 1, 2, и 3 образуют встречно-штыревую систему расположения электродов измерительного конденсатора (гребёнчатую структуру).

 

Рис. 32. Емкостной преобразователь с переменным зазором

Сочетание подвижных и неподвижных штыревых электродов в гребенчатой структуре образует семейство конденсаторов с переменным зазором, чувствительных к перемещению вдоль оси x. Для толщины электродов (t), равной 2 мкм, номинального расстояния между обкладками плоского конденсатора (x ₀), равного 1 мкм, и длины штыревого электрода (L), L =150 мкм, упрощенный расчёт, без учёта краевых эффектов, даёт номинальную ёмкость 3,3 фФ (3,3 ^-15Ф). Обычно от 20 до 60 штыревых электродов-пластин соединяются параллельно, что даёт полную ёмкость измерительного конденсатора в диапазоне от 60 до 200 фФ. Чувствительность емкостного преобразователя к перемещению (dC/dx ≈ C ₀ / x₀) пропорциональна числу пар штыревых электродов и имеет значение от 50 до 100 фФ / мкм. Практически, чувствительность будет на 10…30% меньше, так как у края электродов имеет место рассеянье поля.

Рассмотрим электрический контур емкостного преобразователя (Рис. 33), состоящего из двух идентичных конденсаторов C ₀. Внешние электроды дифференциального конденсатора, который представляет основной измерительный контур датчика, запитывается двумя несущими сигналами переменного напряжения U ₀ и - U ₀, имеющего форму меандра.

 

Рис. 33. Электрическая схема емкостного преобразователя с подвижным центральным электродом

В случае, когда инерционная масса M остаётся точно посредине неподвижных электродов, отклонение x = 0 и оба несущих сигнала в сумме дают нуль. В зависимости от направления отклонения один из двух несущих сигналов будет преобладать на среднем электроде. Выходное напряжение такого емкостного делителя будет линейно связано с входным сигналом:

где величина воздушного зазора.

Фаза выходного напряжения равна либо ноль, либо 180 градусов, в зависимости от направления отклонения.

В рассматриваемом акселерометре используется не только прямое преобразование перемещения в электрическое напряжение, но и обратное преобразование. Принцип электростатического (обратного) преобразования основан на возникновении силы между электрически заряженными телами. Сила взаимодействия между пластинами конденсатора где U – напряжение между пластинами; S – площадь пластин; – диэлектрическая проницаемость среды.

Квадратичную зависимость между силой и подведенным напряжением можно линеаризовать, если считать, что имеют место малые перемещения (). Действительно, значение результирующей силы действующей на центральную пластину конденсатора (рис. 26), выражается формулой:

.

Зависимость силы от напряжения приближается к линейной только для малых перемещений (для которых производная может считаться постоянной). Эта особенность используется с целью обеспечения силовой обратной связи в акселерометре.

Перемещение x центрального штыревого электрода приводит к уменьшению одной силы и к увеличению другой. В результате образуется электрическая пружина, которая своим воздействием стремится дополнительно переместить центральный электрод, если её воздействие не компенсировать механической восстанавливающей силой. Упругий механический подвес и электрическую пружину можно заменить одной эквивалентной пружиной, коэффициент жесткости которой равен алгебраической сумме коэффициентов жесткости каждого из них: Коэффициент жесткости электрической пружины для и определяется из уравнения

Для и В коэффициент жёсткости электрической пружины Н/м. Это значение сравнимо с жесткостью используемых микромеханических упругих подвесов. В результате данного эффекта при подведении питающего напряжения значительно уменьшается полный коэффициент жесткости Результат – снижение собственной частоты механической системы:

Для такой системы с собственной частотой = 8 кГц (при учёте только механического подвеса) и массой m = 0.1 мкг коэффициент жёсткости упругого механического подвеса Н/м и кГц. Для = 5 кГц полный коэффициент жёсткости обращается в ноль, и система становится нестабильной.

Акселерометры подобного типа, как правило, – это измерительные системы с отрицательной обратной связью, которая позволяет уменьшить погрешность измерения. В таком акселерометре осуществляется автоматическое уравновешивание силы инерции чувствительного элемента другой силой, которую можно измерить с необходимой точностью. В частности, производятся кремниевые емкостные акселерометры, изготавливаемые методами микромеханики, использующие электростатическую обратную связь и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Она позволяет определять с высокой точностью низкочастотные ускорения. Ограничивающие воздушные зазоры между подвижными и неподвижными электродами обеспечивают сочетание высокой чувствительности и долговечности, в то время как поперечная чувствительность снижается благодаря симметричной структуре чувствительного элемента.

Принцип функционирования акселерометра с электростатической обратной связью и ШИМ показан на рис. 34.

 

Рис. 34. Схема акселерометра с электростатической обратной связью и ШИМ

Подвижный электрод 4, который выполняет функцию инерционного тела, сформирован на конце консоли 3 и имеет только одну степень свободы. Положение подвижного электрода 4 измеряется разницей емкостей между подвижным и двумя неподвижными электродами 5, а измеряется с помощью детектора 6 – КМОП переключаемого конденсатора. Подвижный электрод 4 реагирует на приложенное к акселерометру ускорение, которое выражается в изменение . Два ШИМ - сигнала и , сформированные широтно-импульсным модулятором 8, приложены к подвижному и неподвижному электродам 5. С помощью фиксации изменения длительности (ширины) импульса сигнала ШИМ, определяется необходимое значение электростатической силы, действующей на подвижный электрод. Сочетание измерения и управления длительностью (ширина временного интервала) импульса даёт возможность подвижному электроду сохранять своё положение точно посередине между неподвижными электродами при любом ускорении. При работе с электростатической обратной связью и ШИМ, длительность (ширина) импульса становится пропорциональной ускорению а. Фильтр нижних частот (ФНЧ) 10 ШИМ-сигнала выдаёт аналоговый выходной сигнал датчика

Расчётная схема определения ёмкости в случае маятникового акселерометра изображена на рис. 35.

 

Рис.35. Расчётная схема для определения емкости

Под действием измеряемого ускорения происходит изгиб консоли, удерживающей подвижной электрод датчика. Будем считать, что подвижной электрод не изгибается. Емкость будет функцией угла поворота подвижного электрода и начального зазора d:

Система автоматического регулирования датчика состоит из механической и электрической частей (рис. 36).

 

Рис. 36. Блок-схема акселерометра с электростатической обратной связью

 

Передаточная функция системы

D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ-сигнала или скважность; m – масса подвижного электрода и консоли; – коэффициент вязкого демпфирования; k – коэффициент жесткости консоли; амплитуда ШИМ-сигнала ; K – коэффициент усиления электрической части; s оператор Лаплпса.

В случае ШИМ амплитуда и частота повторения импульсов являются постоянными, ширина (продолжительность) импульсов ШИМ- сигнала также остаётся постоянным, а изменяется лишь соотношение времени продолжительности импульса и времени отсутствия импульса .

 

17. КОНСТРУИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

Задачей выполнения проекта является разработка конструкции преобразователя и технологического маршрута её производства в соответствии с техническим заданием. Особенностью такой разработки является тесная связь конструкторских и технологических решений.

Сначала проводится анализ технического задания с целью выявления сути, объёма и плана предстоящей работы. Далее необходимо провести всестороннее изучение базы уже имеющихся решений по направлениям поставленной в ТЗ задачи. Выбор конструктивной схемы и ёе оптимизация по критериям ТЗ – следующий этап работы. Все перечисленные этапы присутствуют в том или ином объёме в любой конструкторской разработке. Процесс проектирования преобразователя заканчивается оформлением конструкторской и технологической документации. Выбор корпуса производится из числа унифицированных конструкций по следующим исходным данным: размеру кристалла полупроводниковой ИМС и числу внешних выводов; герметичности корпуса и условиям эксплуатации (указываются в ТЗ). Площадь и размеры монтажной площадки должны соответствовать размерам кристалла либо несколько превосходить их, число выводов корпуса и их рядность также должны соответствовать топологии ИМС.

Конструкторская документация. Основной комплект документации, как минимум, состоит из электрической принципиальной схемы и сборочного чертежа, оформленного в соответствие с ЕСКД.

На принципиальной электрической схеме изображаются все элементы, компоненты и связи между ними. Элементам и компонентам присваивается буквенно-цифровое позиционное обозначение. Для полупроводниковых ИС топологические чертежи носят название «Кристалл». На полях послойных чертежей помещаются таблицы с заданием размеров элементов. Вершины всех элементов, изображённых на каждом листе чертежа, нумеруются и имеют соответствующие координаты. Рекомендуется производить сплошную нумерацию вершин в пределах одного листа, причём нумерацию каждого элемента следует начинать от нижней левой вершины и продолжать по часовой стрелке. Топологию проектируют в прямоугольной системе координат. Каждый элемент топологии представляет собой замкнутую фигуру со сторонами, состоящих из отрезков прямых линий, параллельных осям координат.

При вычерчивании общего вида топологии рекомендуется использовать линии разного цвета для различных слоёв ИМС. Сплошными линиями обозначают границы диффузионной зоны, штриховыми – границы вскрытия окон в окисле кремния для последующего формирования металлических контактов.

Для составления чертежа топологии следует выбрать шаг коор­динатной сетки. Его выбирают равным 10; 5; 2,5 мкм. Задаваясь масштабом 100:1; 200: 1; 400:1 и т. д., определяют шаг координатной сетки. Например, координата 900 мкм на кристалле соответствует координате 360 мм на топологическом сборочном чертеже при М=400:1.

Рекомендации по разработке эскиза топологии. Для обеспечения разработки эскиза топологии рекомендуется с самого начала вычертить принципиальную электрическую схему так, чтобы её выводы были расположены в необходимой последовательности. На этапе эскизного проектирования топологии необходимо предусмотреть решение следующих задач: подать наибольший потенциал на изолированную область, где размещены резисторы; рассредоточить элементы, на которых рассеиваются большие мощности.

На основе эскиза разрабатывают предварительный вариант топологии, который вычерчивают в выбранном масштабе, обычно 100:1 или 200:1 (выбирают масштабы, кратные 100). Топологию проектируют в прямоугольной системе координат. Координаты всех точек, расположенных в вершинах углов ломаных линий, должны быть кратны шагу координатной сетки.

При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бумаге принимают минимальный шаг координатной сетки, равный 0,5 мм. Можно выбрать другой шаг, но он должен быть кратным минимальному шагу. Действительный (на кристалле) размер шага координатной сетки зависит от выбранного масштаба топологии.

При вычерчивании общего вида топологии рекомендуется использовать линии разного цвета для различных слоёв ИМС: эмиттерного – чёрный; базового – красный; разделительного (коллекторного) – зелёный; вертикального – чёрный пунктирный, скрытого – зелёный пунктирный, металлизация – жёлтый, окна в окисле для контакта к элементам – синий пунктирный; окна в пассивирующем (защитном) окисле – синий сплошной.

При проектировании слоя металлизации размеры контактных площадок и проводников следует брать минимально допустимыми, а расстояния между ними – максимально возможными.

После выбора расположения элементов и контактных площадок, создания рисунка разводки, необходимо разместить на топологии фигуры совмещения, тестовые элементы (транзисторы, резисторы и т. д. – приборы, предназначенные для измерения электрических параметров отдельных элементов схемы), реперные знаки. Фигуры совмещения могут иметь любую форму (чаще всего квадрат или крест), причём надо учесть, что на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются фигуры, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей технологической операцией, а большая фигура – с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, а на последнем – только меньшая.

Максимально допустимая мощность рассеяния принимается равной

Далее, исходя из окончательного и проверочного вариантов топологии ИМС, выполняют чертежи слоёв схемы, необходимые для создания комплекта фотошаблонов.

Топологические чертежи для полупроводниковых ИС носят название «Кристалл», для ГИС – «Плата».

Однако изготовление микромеханических датчиков – это микротехнология, сопровождаемая соответствующей конструкторской и технологической документацией.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1