Theylf

  • 03 марта 2012 г.
  • 1085 Слова
Тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» Канд. физ.-мат. наук В. М. СТУЧЕБНИКОВ Тензорезистивный принцип преобразования широко используется в датчиках разнообразных механических величин благодаря высокой точности и относительной простоте конструкции приборов, реализующих этот принцип. Открытие и всестороннее исследование тензорезистивногоэффекта в полупроводниковых материалах, в первую очередь кремнии, положили начало созданию нового типа тензорезисторных датчиков с полупроводниковыми чувствительными элементами (ПЧЭ), характеризующимися высокой чувствительностью, надежностью, малыми габаритами и высокопроизводительной технологией изготовления. Появившись в начале 60-х годов, полупроводниковые тензорезисторные датчики в своем развитии прошлиряд этапов от использования наклеиваемых кремниевых тензорезисторов [1, 2] до интегральных ПЧЭ с диффузионными тензорезисторами и выполненными в них схемами преобразования сигнала и компенсации погрешностей датчика [3]. Метрологические характеристики тензорезисторного датчика определяются главным образом параметрами его основной части - тензопреобразователя (ТП), осуществляющего преобразованиеизмеряемой механической величины в выходной электрический сигнал. Существенными недостатками полупроводниковых тензопреобразователей являются сильная и нелинейная температурная зависимость таких характеристик ПЧЭ, как тензочувствительность и сопротивление тензорезисторов, и нелинейность функции преобразования деформации в относительное изменение сопротивления тензорезисторов. Для борьбы с этиминедостатками разработано большое количество конструктивных и схемных методов компенсации погрешностей ТП, позволяющих изготавливать в настоящее время датчики, работающие в интервале температур от -50 до +125° С с основной погрешностью 0,5% и дополнительной температурной погрешностью 0,1 - 0,4% на каждые 10°С. Вместе с тем, трудоемкая индивидуальная настройка датчиков, необходимая для получения высоких метрологическиххарактеристик, повышает их стоимость и ограничивает объем производства. К недостаткам наиболее широко используемых в последние годы интегральных кремниевых ПЧЭ следует отнести также необходимость формирования в них p-n -переходов, изолирующих тензорезисторы друг от друга и от подложки. Наличие p-n -переходов ограничивает верхнее значение рабочей температуры величиной 130 - 150° С (для кремния),понижает стабильность характеристик датчиков, не позволяет обеспечить высокую радиационную стойкость ПЧЭ. Указанные недостатки обусловили ограниченность применения полупроводниковых тензорезисторных датчиков в современных системах контроля и управления технологическими процессами, хотя объем производства таких датчиков за рубежом непрерывно растет, что связано, в первую очередь, с массовым потреблением не оченьточных, но сравнительно недорогих тензорезисторных датчиков автомобильной промышленностью [4]. Принципиально новые возможности в развитии тензорезисторных датчиков на основе ПЧЭ открылись с разработкой и исследованием гетероэпитаксиальных полупроводниковых структур типа «кремний на диэлектрике» [5]. Из них наиболее изучена и технологически освоена в производстве структура «кремний на сапфире»(КНС), представляющая собой тонкую монокристаллическую пленку кремния, выращенную на монокристаллической же сапфировой подложке с определенной кристаллографической ориентацией. Толщина кремниевой пленки варьируется от долей до нескольких микрометров. При изготовлении ПЧЭ на структуре КНС формируют тензочувствительную схему, в которой тензорезисторы имеют вид мезаструктур, отделенных друг от другапромежутками чистого сапфира. Тензопреобразователи с ПЧЭ на основе структур КНС обладаю; всеми достоинствами ТП с интегральными кремниевыми ПЧЭ, а именно: упругий элемент таких преобразователей может быть изготовлен из монокристалла диэлектрика, так что в нем отсутствуют гистерезис и усталостные явления; тензорезисторы монолитно связаны с упругим элементом, что...
tracking img