Разработка теоретических основ проектирования сенсоров давления с тензочувствительными элементами специальной формы

За последние 20 лет сенсоры механических величин стали успешно и широко применяться в различных областях науки и техники. Сенсоры механических величин, предназначенные для измерения различных статических и динамических величин, таких как давление, ускорение, силы, потоки и т. д., имеют большое практическое значение. Общим принципом измерения для них является преобразование механической величины в электрический сигнал и дальнейшая обработка этого сигнала.

Среди твердотельных сенсоров для измерения механических величин значительное место отведено сенсорам, использующим для измерения механической величины тензорезистивный эффект, хотя в настоящее время реализованы и успешно применяются в измерительной технике сенсоры, использующие для измерения механической величины пьезоэлектрический эффект и эффект изменения емкости [14]. Общепринятой электрической тензочувствительной схемой является мостовая схема Уитстона, состоящая из четырех тензорезисторов, расположенных в различных точках упругого элемента. Однако, можно предложить и другие варианты тензочувствительных элементов (ТЧЭ), использующих сдвиговый тензорезистивный эффект и имеющих квазихолловскую топологию. Особенностью таких ТЧЭ является наличие вместо четырех тензорезисторов одного ТЧЭ с четырьмя контактами. Такие сенсоры в настоящее время изготавливаются и реализуются фирмой Motorola [5,21]. На настоящий момент разработаны различные технологии производства сенсоров давления, позволяющие существенно улучшить их технические характеристики: SIMOX (создание изолирующего слоя методом ионной имплантации кислорода) [1], FIPOS (создание изолирующего слоя методом прокисления пористого кремния) [2], и другие [3]. Развитие современных технологий производства сенсоров механических величин позволяет успешно интегрировать в едином технологическом процессе изготовление ТЧЭ и схемы, обрабатывающей выходной сигнал, а также схемы температурной компенсации («smart sensors») [5]. При этом общая тенденция к уменьшению размеров сенсоров, наблюдающаяся в последние несколько лет, сохраняется. Таким образом, важной проблемой, возникающей при проектировании сенсоров механических величин, является поиск новых конструктивных решений, обеспечивающих перспективу микроминиатюризации. Одновременно, с уменьшением размеров сенсора, происходит уменьшение его толщины, и переход при изготовлении упругого элемента — носителя ТЧЭ — к тонкопленочной технологии. Тем самым возникает проблема уменьшения толщины тензорезистивного слоя.

В настоящее время, общая тенденция, а развитии твердотельной микроэлектроники в сторону микроминиатюризации изготавливаемых приборов привела к тому, что и самая мостовая схема Уитстона оказывается неудовлетворительной, так как площадь упругого элемента, занимаемая ей, оказывается слишком велика. Помимо этого, наличие четырех тензочувствительных элементов создает определенные трудности при их изготовлении, так как из-за технологических ошибок невозможно сделать четыре тензочувствительных элемента с полностью идентичными технологическими характеристиками. Квазихолловские ТЧЭ являются перспективным конструктивным вариантом ТЧЭ. Расширяющийся рынок сбыта микроминиатюрных сенсоров давления дает толчок к дальнейшей разработке этих тензопреобразователей, поиску новых конструктивных решений и сравнению их с общепринятыми. Применение сенсоров давления, изготовленных на основе ква-зихолловских ТЧЭ, является наиболее перспективным в медицинской технике в качестве катетеров — измерителей давления в полых органах [6], а также искусственных клапанов, регулирующих сердечную деятельность [7,8]. Однако, подобные сенсоры давления могут применяться для контроля расхода жидкости (воды, топлива) и газа [9]- в метеорологии — для измерения давления и скорости ветрав альтиметрах, измерителях уровня, микрофонах [10,11] благодаря своим хорошей чувствительности, высокой стабильности, линейности преобразовательной характеристики и отсутствию гистерезиса. Массовое применение сенсоров давления является, таким образом, одним из условий создания экономичных, экологически чистых и безопасных для человека условий его существования. Однако, широкому распространению сенсоров на сдвиговом эффекте препятствуют недостаточный уровень теории их технических характеристик и недостаточное количество информации об экспериментальных исследованиях. Исходя из вышесказанного, сформулирована цель работы:

• Построение теории тензопреобразователей на сдвиговом тензорезистив-ном эффекте в аналитической форме;

• Исследование влияния формы области растекания тока квазихолловского ТЧЭ и геометрии его токовых и потенциальных контактов на технические характеристики сенсора давления;

• Выбор наиболее простой и технологически воспроизводимой геометрииразработка общих рекомендаций для изготовления сенсоров давления на основе квазихолловских ТЧЭ;

• поиск и разработка новых форм квазихолловских ТЧЭ;

• экспериментальное исследование тестовых структур квазихолловских ТЧЭ и сравнение полученных данных с данными, полученными в тех же условиях от общепринятых сенсоров давления.

В результате выполнения работы получены новые научные результаты:

1. Проведено сравнение результатов расчетов механических напряжений, полученных для квадратных и прямоугольных УЭ методами конечных элементов и вариационным, на основании которого подобраны аналитические выражения для механических напряжений, наиболее точно соответствующие действительности.

2. Исследован характер механических напряжений вблизи края жесткого защемления, определена нелинейность преобразования давления в механическое напряжение УЭ.

3. Построена теория ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте, с областью растекания тока (ОРТ), имеющей четыре контакта, с учетом длины потенциальных и токовых контактов для случая ОРТ с четвертым порядком симметрии, исследовано влияние формы ОРТ квазихолловского ТЧЭ и геометрии его токовых и потенциальных контактов на чувствительность, выходное напряжение, входное и выходное сопротивление.

4. Определена нелинейность ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте.

5. Построена теория ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте, с ОРТ, имеющей три контакта, исследовано влияние внешнего сопротивления нагрузки и размеров ОРТ квазихолловского ТЧЭ на его чувствительность и выходное напряжение в линейном приближении.

Практическая ценность работы:

1. Разработана практическая методика расчета параметров сопротивления.

ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте, с четырьмя контактами и различной формой ОРТ;

2. Разработана линейная модель трехконтактного ТЧЭ, удобная для проведения практических расчетов чувствительности и выходного сигнала;

3. Предложена для применения перспективная форма ТЧЭ на сдвиговом эффекте, обеспечивающая малую мощность, рассеиваемую вблизи контактов, и имеющая большие возможности для микроминиатюризации (Греческий крест);

4. Предложены простые и удобные для расчетов схемы температурной компенсации квазихолловского ТЧЭ типа Греческий крест, предложена методика их расчета;

5. Определена оптимальная степень вытянутости (отношение длины к ширине) для УЭ мембранного типа, при которой механические напряжения, возникающие в УЭ, начинают достигать своего насыщения.

6. Впервые проведено экспериментальное исследование и сравнительный анализ различных ТЧЭ, помещенных в идентичные условия механического на-гружения, на основании которого установлены количественные соотношения по чувствительности между квазихолловскими ТЧЭ различной формы, и тензорези-стивным мостом.

7. Спроектирован и изготовлен практический вариант ТЧЭ на сдвиговом эффекте с УЭ в виде квадратной мембраны.

Результаты исследований, выполненных в рамках данной работы, могут быть использованы и уже частично используются предприятиями электронной промышленности.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Результаты сравнительного анализа различных методов расчета механических напряжений в УЭ прямоугольной формы, с различным отношением длины к ширине.

2. Вариант упрощенного описания полей механических напряжений вблизи края жесткого защемления.

3. Теория четырехконтактного ТЧЭ на сдвиговом эффекте, построенная с учетом влияния формы ОРТ и геометрии токовых и потенциальных контактов.

4. Аналитическое представление матрицы сопротивлений ТЧЭ с односвязной ОРТ с осью симметрии 4-го порядка.

5. Теория трехконтактного ТЧЭ на сдвиговом тензорезистивном эффекте и ее упрощенный вариант в линейном по деформации приближении.

6. Результаты экспериментального исследования характеристик сенсора давления мембранного типа, содержащего четырехконтактный ТЧЭ на сдвиговом эффекте с ОРТ прямоугольной формы и тензопреобразователь на основе мостовой схемы Уитстона.

7. Результаты экспериментального исследования характеристик сенсора давления балочного типа, содержащего четырехконтактный квазихолловский ТЧЭ с ОРТ типа Греческий крест и трехконтактный ТЧЭ.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Второй международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94» (г.Новосибирск, 1994).

2. Третьей международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96» (г.Новосибирск, 1996).

3. Четвертой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98» (г.Новосибирск, 1998).

4. 4th International Workshop Measurement'95 (Smolenice, Slovakia, 1995).

5. VIII научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-96) (г.Гурзуф, 1996).

6. Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникации» (г.Новосибирск, 1998).

7. Международном Корейско — Российском Симпозиуме KORUS'98 (г.Томск, 1998).

Диссертационная работа удостоена стипендии Президента России. Основное содержание работы изложено в 15 печатных работах, в числе которых 1 Патент России.

5.7. Выводы.

Для подтверждения теоретических выводов, сделанных в главах 2,3,4 впервые проведено экспериментальное сравнение сенсоров давления с тензочувстви-тельными структурами трех типов: мостовой схемы Уитстона, состоящей из четырех тензорезисторов, размещенных в непосредственной близости друг от другачетырехконтактного квазихолловского ТЧЭ с ОРТ прямоугольной формы, и четырехконтактного квазихолловского ТЧЭ с ОРТ типа Греческий крест. По результатам экспериментального исследования, изложенным в главе 5, можно сделать следующие основные выводы:

• Спроектированы, изготовлены и исследованы опытные образцы сенсоров давления, содержащие структуры, исследованные в главах 3 и 4.

• Экспериментальные исследования ТЧЭ типа Греческий крест подтвердили теоретические результаты по влиянию геометрии на чувствительность ТЧЭ. Теория ТЧЭ с односвязной ОРТ нашла полное подтверждение в сравнении характеристик тестовых тензорезистивных мостов Уитстона с четырехконтактными квазихолловскими ТЧЭ, имеющими прямоугольную ОРТ.

• Экспериментальные исследования показывают, что квазихолловские ТЧЭ типа Греческий крест имеют, как минимум в 2 раза меньше значение начального выходного сигнала, чем у тензорезистивных мостов.

• Поскольку реально степень легирования тензорезисторов в применяемых тензопреобразователях выше, чем в структурах типа Греческий крест, величина номинального сигнала последних практически будет выше, при прочих одинаковых условиях, чем у преобразователей с тензорезисторами.

• Температурная зависимость квазихолловского ТЧЭ с ОРТ типа Греческий крест может быть скомпенсирована только с помощью обычных резисторов, без использования терморезисторов.

• Схема температурной компенсации квазихолловского ТЧЭ с ОРТ типа Греческий крест двумя резисторами позволяет добиться лучшей температурной компенсации, чем в схеме с одним резистором. Приведены соотношения, позволяющие определить номиналы указанных резисторов для обоих предложенных схем температурной компенсации.

• Экспериментальные исследования подтверждают правильность теории трехконтактных ТЧЭ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований, проведенных и изложенных в настоящей работе, решены следующие основные задачи.

1. Расчет механических напряжений, возникающих в УЭ, проведен с использованием как численного, так и вариационного методов, причем для последнего исследованы различные начальные приближения и проведено сравнение ошибки, возникающей при расчете механических напряжений.

2. Подробно исследован характер механических напряжений вблизи края жестко защемленной мембраны, определены границы зоны квазилинейного распределения механических напряжений, рассчитана нелинейность преобразования давления в механическое напряжение.

3. Построена теория расчета четырехконтактных квазихолловских ТЧЭ, имеющих ось симметрии второго и четвертого порядков. Впервые исследовано влияние геометрии токовых и потенциальных контактов на входное и выходное сопротивление квазихолловских ТЧЭ с ОРТ прямоугольной формы. Впервые исследовано влияние формы ОРТ квазихолловского ТЧЭ и геометрии его токовых и потенциальных контактов на чувствительность и выходное напряжение, а также входное и выходное сопротивление квазихолловских ТЧЭ специальной формы. Впервые оценена ошибка, вносимая линейным приближением при расчетах выходного сигнала квазихолловского ТЧЭ.

4. Проведен расчет чувствительности квазихолловских ТЧЭ для всех возможных соотношений кристаллографической плоскости мембраны и типа проводимости кремния, из которого она изготовлена.

5. Разработана практическая методика проектирования квазихолловского ТЧЭ с осями симметрии второго и четвертого порядков, как элемента электрической схемы сенсора давления, включающая определение входного, выходного сопротивлений и компоненты.