Исследование влияния концентрации легирующей примеси на температурную погрешность полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления

Контроллер - считывая алгоритм из памяти, фактически имитирует работу GSM-сети: регистрация в МР; передача речевой информации; передача коротких сообщений (SMS); безусловная и условная переадресация вызова на другой номер; ожидание и удержание вызова; конференцсвязь (одновременная речевая связь между тремя и более абонентами). Кроме того, контроллер управляет по низкочастотной линии ретранслятором. Когда на приемнике ретранслятора появляется полезный сигнал на частоте f1, то контроллер дает команду передатчику переизлучить принятый приемником сигнал на частоте f2.

Солнечная батарея - обеспечивает длительное, за счет подзарядки от солнечного элемента, питание всех компонентов МР.

Внешний аккумулятор - может подключаться дополнительно в сложных условиях эксплуатации, как правило, зимой.

Пульт управления - позволяет дистанционно настраивать и управлять режимами работы МР.

Переносной бокс — герметичный бокс, необходимый для работы МР в зимних условиях, имеет нагревательный элемент, для поддержания рабочей температуры внутри устройства. Также бокс оснащен элементами крепления к различным конструкциям: металлическим, деревянным, бетонным и т.п.

Таким образом, важным преимуществом, которым будет обладать данное устройство, является не только его улучшенная функциональность, позволяющая значительно увеличить зону покрытия радиосвязи с усиленным сигналом и обеспечивающая в труднодоступных местах уверенную связь, но и простота настройки, обслуживания и эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бушмелев П.Е., Увайсов С.У., Бушмелева К.И. Реализация автоматизации контроля и управления техническими средствами беспроводной системы мониторинга газопроводов /Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2016. Т.1. С. 48-49.

2. Бушмелев П.Е., Расальскис С.А., Бушмелева К.И., Увайсов С.У., Плюснин И.И. Модель сенсорной сети телекоммуникационной системы контроля утечек метана /Качество. Инновации. Образование. 2015. №3 (118). С. 28-34.

3. Бушмелева К.И., Бушмелев П.Е., Увайсов С.У., Плюснин И.И. Транкинговые средства связи в управлении обслуживающими предприятиями: учебное пособие. - Сургут: ИЦ СурГУ, 2014. 74 с.

4. Бушмелев П.Е., Бушмелева К.И., Плюснин И.И., Увайсов С.У. Экспертная система оценки качества аппаратных средств сенсорной телекоммуникационной системы /Качество. Инновации. Образование. 2014.

№6. С. 81-89.

5. Бушмелева К.И., Увайсов С.У. Система мониторинга газотранспортных объектов /Надежность и качество сложных систем. 2013. №1 С. 84-87.

6. Бушмелева К.И. Методы и средства диагностирования магистральных газопроводов: монография. -Департамент образования и науки Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, Сургут: ИЦ СурГУ, 2011. 215 с.

7. Bushmeleva K.I., Plyusnin I.I. Aviation software and hardware diagnostic unit for monitoring cross-country gas pipelines /Measurement Techniques. 2009. Т. 52. №2. С. 172-176.

8. Бушмелева К.И., Бушмелев П.Е., Увайсов С.У., Плюснин И.И. Модель сенсорной телекоммуникационной системы контроля утечек газа из магистралей /Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2014. Т.1. С. 163-167.

УДК 615.035.4

Волков В.С., Рыблова Е.А., Кудрявцев А.А.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ НА ТЕМПЕРАТУРНУЮ ПОГРЕШНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Описана причина возникновения погрешности чувствительности полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления. Целью работы является исследование зависимости коэффициента тензочувствительности тензорезисторов p-типа от температуры и уровня легирования, а также определение оптимального значения концентрации легирующей примеси для обеспечения минимальной температурной зависимости тензочувствительности. Проведено аналитическое и графическое моделирование влияния температуры и концентрации примеси на коэффициент тензочувствительности полупроводниковых тензорезисторов p-типа. В ходе исследования графически было определено оптимальное значение уровня легирования, при котором температурная погрешность минимальна. Для найденного значения концентрации примеси были рассчитаны значения сопротивлений тензорезисторов, выходной сигнал мостовой схемы и температурная погрешность тензочувствительности. Аналитические и графические зависимости полученные в результате исследования могут быть использованы для определение оптимальной концентрации легирующей примеси по критериям минимальной температурной погрешности и максимальной чувствительности аналитическим методом

Ключевые слова:

полупроводниковый тензорезистивный датчик давления, коэффициент тензочувствительности, аналитическое моделирование, концентрация примеси, температурная погрешность

Введение

Получившие в настоящее время широкое распространение полупроводниковые датчики давления для систем управления и контроля наряду с несомненными достоинствами (высокая чувствительность, малые габариты, возможность изготовления в интегральном исполнении и т.д.) обладают одним существенным недостатком, заключающимся в значительной температурной погрешности выходного сигнала [1 - 13]. Причем, если у металлических тонкопленочных тензорезисторов наибольший вклад в температурную погрешность вносит аддитивная составляющая (погрешность начального выходного сигнала), то у полупроводниковых тензорезисторов величины температурного коэффициента сопротивления (ТКС) и температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ) сравнимы между собой [1, 2, 6, 10, 13]. Это вызывает значительную мультипликативную составляющую температурной погрешности, которая особенно велика при эксплуатации

датчиков в широком диапазоне повышенных температур [14 - 16].

Для устранения мультипликативной составляющей температурной погрешности могут применяться схемотехнические методы, такие как включением компенсационного термозависимого элемента во входную или выходную диагонали моста. Однако применение таких конструктивных решений снижает выходной сигнал мостовой измерительной схемы [1, 10]. Также для компенсации мультипликативной составляющей погрешности выходного сигнала применяются усилительные схемы с температурно - зависимыми элементами [1, 14 - 16]. Однако, большая часть рассмотренных схем предполагает использование биполярных транзисторов, которые должны размещаться в тех же температурных условиях, что и тензорезисторы, что не всегда возможно из конструктивно - технологических соображений. Также в настоящее время широкое распространение получили усилительные схемы на основе

операционных усилителен с температурно - зависимыми элементами во входных цепях и/или цепях обратной связи. Основным недостатком таких способов компенсации является сложность изготовления транзистора, операционного усилителя и постоянных пленочных резисторов, используемых для настройки усилительной схемы, а также сложность обеспечения одинакового температурного воздействия на тензорезисторы и температурно-зависимые элементы схемы.

По этой причине актуальной является задача исследования механизма влияния температуры на параметры тензорезисторов, определяющие характеристики чувствительного элемента и датчика в целом и позволяющие использовать физико-технологические методы для компенсации температурной погрешности.

Основная часть

Целью статьи является исследование модели зависимости коэффициента тензочувствительности тензорезисторов р-типа от температуры и концентрации примеси для определения значений концентрации примеси, позволяющей обеспечить минимальную температурную зависимость тензочувствитель-ности.

Влияние температуры и уровня легирования на тензосопротивление монокристалла кремния характеризует модель Канда, которая описывает зависимость коэффициента тензочувствительности для полупроводников р-типа от температуры при различных значениях концентрации легирующей примеси [17].

В соответствии с моделью Канда коэффицент тензочувствительности монокристаллического

кремния выражается зависимостью:

п

где п(М, 300К) - тензорезистивный коэффицент для слаболегированного кремния при нормальной тем-

пературе 300К; N - концентрация легирующей примеси, см-3; Т - абсолютная температура, К; К -постоянна Больцмана. Для определения влияния концентрации легирующей примеси на характеристики тензорезисторов и мостовой схемы в целом проведем компьютерное имитационное моделирование температурной зависимости выходного сигнала от концентрации примеси и температуры.

Определение коэффициента тензочувствительно-сти как функции примеси и температуры производится в следующей последовательности:

1 Определяется безразмерная величина

е(Ы ,Т) =

N

N

где N - текущий уровень легирования в кремнии, см-3; М - поправочный коэффициент, учитывающий температурную зависимость концентрации, который рассчитывается по следующей формуле

Ы(Т) = 2,5 -1019 • (^ Т )3 (3) х 2 300

2 Для определения уровня Ферми используется упрощенная аппроксимация Джойса - Диксона

^

л/8

3 Главный тензорезистивный коэффициент как функция температуры эксплуатации и концентрации бора определяется по формуле:

р

' ' Т

На рисунке 1 представлена зависимость главного тензорезистивного коэффициента от концентрации примеси при различных значениях температуры для кремния р-типа [9].

Р М Т)

М, см 3

Рисунок 1 - Зависимость тензорезистивного коэффициента от концентрации легирующей примеси

На основе выражений (1) - (5) была построена зависимость главного тензорезистивного коэффициента от температуры при различных значениях концентрации легирующей примеси N. Этот коэффициент уменьшается с увеличением температуры и увеличением концентрации примеси (рисунок 2).

Из графика видно, что при концентрации примеси, начиная со значения Ы= 1 • 1019, температурная зависимость коэффициента тензочувствитель-ности существенно уменьшается. Для большей наглядности была построена зависимость тензоре-зистивного коэффициента от температуры при концентрациях примеси начиная с 1 • 1019 до 1 • 1020 .

Из графика видно, что наименьшая температурная зависимость соответствует концентрации примеси ^ 5 1019 см-3. Следует отметить, что увеличение уровня легирования ухудшает тензочувстви-тельность.

Для расчёта выходного сигнала мостовой схемы принимаем: номинальное значение сопротивления тензорезисторов ^0=1000 Ом, тензорезистивный П44 = 138,1-10-11. Значение концентрации примеси примем N = 5-1019 см-3, напряжение питания и = 3 В, ток питания Тп = 3 мА.

Сопротивление тензорезисторов определяется

как функция от температуры следующим образом:

—

К

где а - нормальное напряжение в поперечном сечении, для значения деформации е = 10-3 напряжение а = 129,8 МПа; Т - температура, К; N - концентрация легирующей примеси, см-3; а - температурный коэффициент выходного сопротивления мо-

ста,

К-

1

п44 - коэффициент тензосопротивления, а

- температурный коэффицент сопротивления (ТКС) определяемый согласно

16

17

18

19

20

1x10

1x10

1x10

1x10

р(ь 10 г(2- 10 p(з 10

P(4 10 P(5 10 P(6 10 P(7 10 P(8 10 P(9 10

p

Р

Т, К

Рисунок 2 - Зависимость тензорезистивного коэффициента от температуры

в диапазоне концентраций примеси от 1 * 1019 до 1 * 102

Выходное напряжение мостовой схемы рассчитываем для двух случаев: при питании током (7) и при питании напряжением (8).

Я1

и ых (Т ) = и 0

Я1

ивьа (т ) = 10

Я1(Т ) + Я2(Т ) + Я3(Т ) + Я4(Т ) 0.091-

Для обоих случаев строятся графики зависимости выходного сигнала от температуры (рисунок 3).

^ B

Т, К

Рисунок 3 - Зависимость выходного сигнала мостовой схемы от температуры: прямая линия - при питании напряжением, пунктирная - при питании током

Исходя из получившихся значений был рассчитан температурный коэффициент ухода чувствительности по следующей формуле

^ _ итах(Ттах) Umax(Tmin) \()()0/

" и  ЛТ

и max(To) ЛТ

Числовое значение температурного коэффициента ухода чувствительности при подключении мостовой схемы к источнику напряжения.

0,076236-0,076367

Также был рассчитан температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала по следующей формуле

В = и0

и0(Тт„) ЛТ

где и0(Т ) - значение начального выходного сиг-

нала при максимальной темп

ературе; и 0,

зна-

а

0,076367

-100 = —1,715 10-3 %/°С

У0

чение начального выходного сигнала при минимальной температуре.

Числовое значение температурного коэффициента ухода чувствительности при подключении мостовой схемы к источнику тока.

0,089167 — 0,076367

Р =

0,02540765 — 0,02545582 0,076367

-100 = —0,6308-10—33 %/°С

а = -

0,076367

-100 = 0,168

Вывод

В ходе исследования приближенно было найдено значение концентрации легирующей примеси графи-

0.8

170.6

Т

1

1

1

Т

0. 4

1

1

1

0. 2

0

3

см

ческим способом, при котором температурная за- тензорезисторов и параметрах питания при одина-

висимость коэффициента тензочувствительности ковой чувствительности схема, питаемая напряже-

является минимальной, также были рассчитаны зна- нием, характеризуется на два порядка меньшей

чения сопротивлений тензорезисторов, выходной температурной погрешностью тензочувствительно-

сигнал мостовой, температурный коэффициент ухода сти, чем схема, питаемая током.

чувствительности схемы при питании током и Дальнейшей задачей исследования является

напряжением и температурный коэффициент ухода определение оптимальной концентрации легирующей

начального выходного сигнала. Результаты моде- примеси по критериям минимальной температурной

лирования показали, что при заданных номиналах погрешности и максимальной чувствительности аналитическим методом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: : Энергоатомиздат, 1983. - 136 с., ил.

2. Баринов И. Н., Волков В.С., Цыпин Б.В., Евдокимов С.П. Разработка и изготовление микроэлектронных датчиков давления для особо жестких условий эксплуатации // Датчики и системы. - 2014. - №

2. - с. 49 - 61.

3. Баринов И.Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии.-2 010.-№8.-С. 64-71.

4. Баринов И Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. - № 9.

- с. 29 - 35.

5. Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.-2 012.-№7.-С. 9-13.

6. Мокров Е.А., Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2009.- №1.- С. 23-27.

7. Баринов И.Н. Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения.-2 006.-№4.-С. 2833.

8. Баринов И. Н., Волков В.С. Оптимизация чувствительного элемента датчика давления с поликремниевыми тензорезисторами // Приборы.- 2013. - № 2. - с. 1 - 5.

9. Кучумов Е.В., Баринов И.Н., Волков В.С. Струнный автогенераторный измерительный преобразователь на основе пьезоструктуры // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 2 (8). -

с. 58- 65.

10. Баринов И.Н., Волков В.С. Конструктивно-технологические проблемы обеспечения долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков давлений / // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Спец. выпуск - 2011. -№ 1. - С. 85-96.

11. Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.-2 00 9.-№4.-С. 47-51.

12. Баринов И.Н. Высокотемпературные чувствительные элементы датчиков давления со структурой «кремний на диэлектрике» // Датчики и системы.-2007.-№ 1.-С. 36-38.

13. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры // Компоненты и технологии.-2 00 9.-№5.-С. 12-15.

14. Волков В. С., Баринов И. Н. Компенсация температурной погрешности чувствительности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль.

- 2013. - № 1(3). - С. 30-36.

15. Волков В.С. Снижение температурной зависимости начального выходного сигнала высокотемпературного полупроводникового датчика давления на структуре «поликремний - диэлектрик» // Надежность и качество - 2013: труды международного симпозиума: в 2 т. / под .ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд -во ПГУ, 2013, - 1 т. - с. 75 - 77.

16. Волков В.С., Баринов И.Н., Дарвин В.Ю. Температурная компенсация чувствительности высокотемпературного полупроводникового датчика давления // Надежность и качество - 2012: труды международного симпозиума: в 2 т. / под .ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд - во ПГУ, 2012, - 2 т. - с. 13 -15.

17. Kanda, Y. (1982) A Graphical Representation of the Piezoresistance Coefficients in Silicon.

IEEE Transactions on Electron Devices, ED-29, 64-70.

УДК 615.035.4

Кирдяев М.М., Горячева. Е.П., Горячев Н.В., Сулейменов Е.А.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

РАЗВИТИЕ И ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Введение названием лавсан, т.к. впервые в СССР был полуСогласно стандарту IPC-T-50 "Terms and чен в Лаборатории Высокомолекулярных соединений Definition for Printed Boards", гибкие печатные Академии Наук).

платы (ГПП) - это платы с гибким базовым мате- Полиимидные материалы являются наиболее рас-

риалом и защитным покрытием (или без него). Ос- пространенными базовыми материалами в настоящее

новной областью применения гибких печатных плат время. Это связано с тем, что они могут выдер-

является использование их в качестве соедините- живать высокие температурные воздействия, свя-

лей между различными частями электронных занные с процессом пайки. Основным недостатком

устройств выполненных на базе «обычных» (жестких данных материалов является их более высокая сто-

ПП), в качестве замены кабельных соединений. имость, по сравнению с материалами на основе по-

Гибкие печатные платы представляет собой мно- лиэстера. гослойную структуру, в которую входят следующие Материалы на основе полиэстера имеют доста-

составные части: точно ограниченное применение из-за недостаточ-

Основание (базовый материал) ной термостойкости. Однако стоимость данных ма-

Адгезивы (в некоторых случаях возможно ис- териалов существенно ниже, чем стоимость полии-

пользование материалов без адгезивного слоя) мидов.

Материал проводящего слоя Адгезивы служат для соединения слоев гибкой

Защитный слой печатной платы между собой, и могут быть выпол-

В качестве базовых материалов, в настоящее нены на основе акриловых, эпоксидных, фенольных

время, используются полиимид и полиэстер (поли- и других компаундов. этилентерефталат, в России широко известен под