Результаты исследования высокотемпературных полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления на основе структуры «кремний-на-диэлектрике»
Создание высоконадежных двигательных установок для ракетных систем
и комплексов авиационной и ракетнокосмической техники, а также модернизация
существующих образцов невозможны без
высокоэффективных информационно-измерительных систем управления и контроля,
которые позволяют значительно повысить
надежность двигательных установок и обеспечить наиболее экономичный режим их работы. Важнейшим параметром, подлежащим
измерению на различных этапах отработки
и испытаний авиационной и ракетно-космической техники, а также при ее эксплуатации,
является давление, измеряемое с помощью
специальных датчиков.
Серийно выпускаемые полупроводниковые тензорезистивные датчики давления
обычно соответствуют предъявляемым требованиям по чувствительности, надежности
и условиям эксплуатации. Однако перед разработчиками все чаще встает задача развития
и совершенствования датчиков давления на
основе разработки и внедрения прогрессивных конструкторско-технических решений.
Решить такую задачу можно, применив в полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давления структуры
и конструкции, позволяющие существенно
улучшить параметры прибора (например,
расширить температурный диапазон датчика до 300 °С, повысить значение пробивного
напряжения до 1000 В и при этом сохранить
выходной сигнал, равный 100 мВ). Один из
возможных вариантов работ в этом направлении — это создание нового тензорезистивного ПЧЭ, имеющего оригинальные конструкторские решения и выполненного на основе структуры «кремний-на-диэлектрике»
(КНД), когда тензорезисторы из монокристаллического кремния изолированы друг от
друга и от подложки пленкой двуокиси кремния. Использование ПЧЭ на КНД-структурах позволит не только производить датчики давления с улучшенными параметрами,
но и получать бóльшую экономическую выгоду от их применения по сравнению с ПЧЭ
на объемном кремнии и структурах «кремний-на-сапфире».
Цель настоящей работы — экспериментальные исследования некоторых параметров и характеристик ПЧЭ датчиков давления
на основе КНД-структуры в условиях изменения температур от –70 до +250 °С. Исследованию подвергались экспериментальные
образцы ПЧЭ на КНД-структуре, которые использовались в модулях давления, предназначенных для измерения избыточного давления различного диапазона [1].
На рис. 1 представлен экспериментальный
ПЧЭ на КНД-структуре для измерения избыточного давления диапазона 0,5–60 МПа
с двумя терморезисторами.

Рис. 1. Схематическое изображение и внешний вид ПЧЭ на КНД-структуре для измерения избыточного давления в диапазоне 0,5–60 МПа с терморезисторами
Конструктивно чувствительный элемент
представляет собой плоский кремниевый
кристалл диаметром 6 мм толщиной от 100
до 800 мкм в зависимости от диапазона измеряемого давления (0,5 МПа для толщины
100 мкм и 60 МПа для толщины 800 мкм).
На кристалле с планарной стороны расположены тензорезисторы (R1–R4), объединенные в мостовую измерительную схему и изолированные от подложки слоем двуокиси
кремния толщиной 1,6 мкм. Тензорезисторы
созданы методом диффузии бора в кремний
и имеют сопротивление 500 Ом каждый
(ρs = 6 Oм/мкм). Тензорезисторы имеют высоколегированную коммутацию с контактными площадками, которая также сформирована диффузией бора в кремний. Выводы
формируются методом распайки проводников на контактные площадки кристалла. Терморезисторы R5, R6, не чувствительные
к прилагаемому давлению, составляют схему температурной компенсации. Они сформированы методом нанесения поликремния
и ионного легирования.
Исследования проводились в следующем
объеме:
- измерение сопротивлений тензорезисторов
R1–R4 в диапазоне температур –70…+250 °С; - измерение начального и максимального
выходных сигналов в диапазоне температур –70…+250 °С; - измерение сопротивления изоляции, тока
утечки в диапазоне температур –70…+250 °С; - определение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) тензорезисторов, температурного коэффициента ухода
чувствительности и температурного коэффициента ухода начального выходного сигнала в диапазоне температур –70…+250 °С; - расчет основной погрешности, коэффициентов функции влияния.
Исследовалась партия экспериментальных
образцов ПЧЭ в количестве 10 штук. С целью исследования данных образцов на стандартном оборудовании были собраны измерительные модули, имеющие в своем составе ПЧЭ на КНД-структуре (рис. 2).

Рис. 2. Модуль измерительный:
1— ПЧЭ на КНД-структуре;
2— корпус;
3— золотые проводники;
4— колодка;
5— изолятор;
6— втулка;
7— трубка;
8— провод
Измерительный модуль состоит из ПЧЭ
на КНД-структуре 1, жестко закрепленного
в корпусе 2 из ковара (29НК ГОСТ 14082-78)
с помощью ситаллоцемента (СЦН 52-1
СУО.027.024 ТУ). Соединение контактных
площадок тензомоста ПЧЭ с контактами колодки 4 осуществляется золотыми проводниками 3 (Кр Зл 999,9 диаметром 0,04 мм,
ГОСТ 7222), которые развариваются ультразвуковой сваркой.
Выводы колодки 4 проходят через выводы
изолятора 5 и герметично ввариваются.
В таблицы и графики заносились средние
значения всех результатов измерений. Результаты измерений сопротивлений тензорезисторов в диапазоне температур –70…+250 °С
представлены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты измерений сопротивлений тензорезисторов
в диапазоне температур –70…+250 °С
С целью определения основной погрешности снимались градуировочные характеристики модулей, имеющих в своем составе ПЧЭ
на КНД-структуре. Результаты приведены
в таблице 1.
Таблица 1. Результаты градуировки модулей с ПЧЭ на КНД-структуре
Входной сигнал Р, МПа |
Выходной сигнал Uвых, мВ | |||||||
1 цикл | 2 цикл | 3 цикл | 4 цикл | |||||
прямой ход | обратный ход | прямой ход | обратный ход | прямой ход | обратный ход | прямой ход | обратный ход | |
0,000 | 0,68 | 0,65 | 0,65 | 0,65 | 0,64 | 0,65 | 0,64 | 0,63 |
0,392 | 11,30 | 11,29 | 11,28 | 11,30 | 11,32 | 11,28 | 11,30 | 11,31 |
0,784 | 21,65 | 21,65 | 21,66 | 21,62 | 21,65 | 21,64 | 21,61 | 21,61 |
1,176 | 31,68 | 31,67 | 31,70 | 31,66 | 31,69 | 31,69 | 31,66 | 31,67 |
1,568 | 42,06 | 42,08 | 42,07 | 42,06 | 42,06 | 42,06 | 42,06 | 42,07 |
1,960 | 52,04 | 52,03 | 52,03 | 52,06 | 52,05 | 52,02 | 52,07 | 52,03 |
2,352 | 62,33 | 62,32 | 62,33 | 62,31 | 62,30 | 62,34 | 62,35 | 62,33 |
2,744 | 72,54 | 72,53 | 72,56 | 72,54 | 72,53 | 72,54 | 72,53 | 72,56 |
3,136 | 82,77 | 82,75 | 82,76 | 82,78 | 82,78 | 82,76 | 82,76 | 82,75 |
3,528 | 92,90 | 92,92 | 92,90 | 92,92 | 92,90 | 92,92 | 92,92 | 92,92 |
3,920 | 103,25 | 103,25 | 103,29 | 103,26 | 103,26 | 103,27 | 103,25 | 103,28 |
Основная погрешность (γo), определенная
на основании таблицы 1, составила 0,186%.
Для определения степени влияния рабочего
диапазона температур были проведены измерения начального и максимального выходных
сигналов в диапазоне температур –70…+250 °С.
Результаты приведены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты исследования модулей с ПЧЭ на КНД-структуре в диапазоне температур –70…+250 °С
Расчет ТКС тензорезисторов проведем по
формуле [2]:

(1)
где R250 °C, R–70 °C, R25 °C — значения сопротивлений тензорезисторов при температурах
+250 °С, –70 °С и +25 °С соответственно;
ΔT = 250–(–70) = 320 °С.
Используя значения сопротивлений, приведенных на рис. 2, рассчитаем значения ТКС
тензорезисторов R1–R4. Результаты расчетов
сведены в таблицу 2.
Таблица 2. Результаты расчетов ТКС тензорезисторов
ТКС, %/°С | |||
R1 | R2 | R3 | R4 |
0,143 | 0,143 | 0,145 | 0,144 |
Значение температурного коэффициента
ухода чувствительности α проведем по формуле [3]:

(2)
где Uмакс(250 °С), Uмакс(–70 °С), Uмакс(25 °С) — значения максимального выходного сигнала при
температурах +250 °С, –70 °С, +25 °С соответственно; ΔT = 250–(–70) = 320 °С.
Значение температурного коэффициента
ухода начального выходного сигнала β проведем по формуле [3]:

(3)
где U0(250 °С), U0(–70 °С),— значения начального выходного сигнала при температурах
+250 °С и –70 °С соответственно.
Используя значения выходных сигналов,
приведенных на рис. 3, рассчитаем значения
коэффициентов α и β.
Результаты расчета следующие: α= –0,018%/°С;
β = –0,0088%/°С.
Сопротивление изоляции измеряли с помощью тераомметра Е6-13А между контактными площадками 1–2 (рис. 1) при напряжении U1 = 100 В. Ток утечки между контактными площадками 1–2 (рис. 1) измеряли
с помощью прибора Л2-56А ОШМ 2.756.001
ТУ (ПНХТ-2) по ветви вольт-амперной характеристики при напряжении U2 = 120 В,
а также оценивали по данным сопротивления изоляции при напряжении U1 = 100 В.
Результаты измерений и расчетов представлены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты измерений электрических
параметров ПЧЭ на КНД-структуре
Т, °С | Сопротивление изоляции, МОм при напряжении U1 = 100 В |
Ток утечки, мкА при напряжении U2 = 120 В |
–70 | >2000 | 0,02 |
0 | >2000 | 0,02 |
+50 | >2000 | 0,02 |
+100 | >2000 | 0,02 |
+150 | >2000 | 0,02 |
+200 | >2000 | 0,02 |
+250 | >2000 | 0,02 |
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:
- Изготовленные ПЧЭ датчиков давления
на КНД-структуре имеют высокое сопротивление изоляции между элементами схемы, что является необходимым условием
для создания датчиков давления, обладающих повышенными временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников
естественного и искусственного происхождения. - ТКС тензорезисторов не превышает значения 0,2%/°С, что соответствует типовому
ТЗ на датчики давления, использующиеся
в авиационной и ракетно-космической технике. - Значения коэффициентов α и β, входящие
в функцию влияния, не превысили соответствующих значений (для α ±0,05%/°С,
для β ±0,01%/°С), определенных по данным экспериментальных исследований для
датчиков давлений в изделиях авиационной и ракетно-космической техники. - При внешнем осмотре кристаллов после
испытаний не обнаружено никаких дефектов. В местах разварки золотых проводников на алюминиевые контактные
площадки дефектов типа образования интерметаллических соединений не наблюдалось.
Литература
- Баринов И. Н. Конструктивно-технологические
решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения. 2006. № 4. - Ваганов В. И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.
- ОСТ 92-4279-80. Преобразователи измерительные. Методы определения метрологических
характеристик.