ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к полупроводниковой измерительной технике и может быть использована для обеспечения высокоточного измерения давлений в широком диапазоне температур и давлений.
Уровень техники
Современные полупроводниковые материалы широко используются для создания чувствительных элементов датчиковой аппаратуры. Известные пьезо- и тензодатчики, как правило, выполняются в виде мембран, чувствительных к деформациям изгиба. Датчики мембранного типа используют свойство полупроводника изменять сопротивление при изгибе, поэтому измерительную часть обычно выполняют по мостовой схеме, в которой два резистора размещают на упругой мембране, и два резистора на прочном недеформируемом корпусе.
Известен полупроводниковый чувствительный элемент датчика давления на основе арсенида галлия, содержащий полупроводниковую мембрану с выполненным под ней углублением, которое является приемной полостью тензокристалла [1]. На полупроводниковой мембране сформированы соединенные в измерительный мост тензорезисторы, причем периферийная часть мембраны жестко скреплена с соосно расположенным с ней основанием. Недостатком аналога с мембранным чувствительным элементом является ограниченная область измеряемых давлений.
Известен тензодатчик механических величин на основе тензочувствительных полупроводниковых резисторов [2]. Тензодатчик включает основание, состоящее из недеформируемой части и упругодеформируемой мембраны, покрытой тонким изоляционным слоем диэлектрика, на которой расположен мост Уитстона, выполненный из соединенных проводниками полупроводниковых тензочувствительных резисторов, включающих слой полупроводника. В качестве полупроводящего материала может быть использован поликристаллический арсенид галлия. Сенсорная часть покрыта внешним защитным покрытием, выполненным из оксида кремния SiO. Чувствительность датчика повышена относительно прототипа [3] за счет формирования дополнительного моста Уитстона, который расположен на недеформируемой части основания, однако недостаточна в области малых давлений.
Датчики мембранного типа имеют общие недостатки: узкий диапазон измеряемых давлений, они недолговечны, поскольку значительные механические деформации приводят к изменению структуры полупроводникового материала, деградации или отслаиванию, к нестабильности его характеристик. Датчики мембранного типа плохо приспособлены к измерению гидростатического давления, воздействие которого вызывает деформации всестороннего сжатия, плохо приспособлены к измерению малых давлений, когда величина деформаций очень мала, что требует повышенной чувствительности сенсорных элементов.
Известен интегрированный полупроводниковый датчик давления и метод его изготовления по патенту JP 2001304996 [4]. В датчике образована тонкая мембрана. Пьезоэлектрические резисторы R1-R4, сформированные на рабочей поверхности мембраны, составляют чувствительный к давлению элемент для обнаружения деформации части мембраны. Схема обработки сигналов для отбора внешних выходов построена по мостовой схеме, состоящей из четырех пьезоэлектрических резисторов R1-R4.
Чувствительность устройства может быть увеличена за счет увеличения размера мембраны. Большее изменение напряжения в местах расположения пьезорезистора приводит к увеличению электрической мощности, что повышает чувствительность. Однако более крупная мембрана имеет недостатки, связанные с более хрупкой матрицей, более высокой стоимостью и ухудшенными характеристиками линейности.
Недостатки приведенного известного решения общие для всех датчиков мембранного типа, приведенные выше.
Часто необходимо измерять величину гидростатического давления в среде. Измеряемое гидростатическое давление относится к состоянию равновесия, при котором сила на единицу площади на поверхностях данного тела везде одинакова и не зависит от ориентации осей или положения поверхностей на теле. Следовательно, датчики, работающие на принципе всестороннего сжатия кристалла компрессионной жидкостью, когда отсутствуют разрушающие твердое тело сдвиговые деформации, предпочтительны. Однако скорость изменения резистивного сопротивления в полупровсдящих материалов, непосредственно подвергаемых изменениям гидростатического давления, в известных полупроводниковых материалах, таких как арсенид кремния, германия и галлия, очень мала во всем диапазоне гидростатического давления, представляющем практический интерес. До сих пор не было достаточно чувствительных практических средств измерения давления, использующих сжатие полупроводниковых кристаллов, которые допускают случайную кристаллографическую ориентацию. Деформации настолько малы, что не вносят существенных изменений в зонную структуру кристалла.
Например, датчик по патенту SU 1569616 [5] выполнен без чувствительной мембраны. Здесь кристалл на основе GaAs непосредственно погружен в жидкость и испытывает всестороннее сжатие.
Однако выбор размеров и учет жесткости диафрагмы (позиция 3) не может существенно улучшить чувствительность датчика, которая не превышает  1/бар, особенно в области малых гидростатических давлений.
Известен датчик давления по патенту ЕПВ 0335793 [6]. Чувствительный элемент датчика содержит полупроводниковый кристалл, на поверхности которого размещены два чувствительных к всестороннему сжатию пленочных резистора (барорезистора), снабженных омическими контактами. При действии давления сопротивления барорезисторов изменяются, по данным изменениям судят о величине давления.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является изобретение по патенту RU 2141103 [7]. Датчик давления содержит цилиндрический стальной корпус 8 с полостью, ограниченной плоской перегородкой 9 и разделительной диафрагмой 10 из тонкой нержавеющей стали, с внешней стороны которой действует измеряемое давление. Чувствительный элемент датчика давления содержит полупроводниковый кристалл, на поверхности которого размещены два чувствительных к всестороннему сжатию пленочных резистора (барорезистора), снабженных омическими контактами.
Элемент снабжен практически недеформируемой керамической пластиной, на периферийной части поверхности пластины сформированы электроды в виде контактных площадок, а в центральной части выемка, в которой размещен кристалл GaAs, при этом омические контакты барорезисторов посредством микропроволок и проводящих дорожек печатного монтажа, выполненных на поверхности пластины, соединены с указанными электродами.
-
Недостаток датчика по патенту RU 2141103 - малая чувствительность сенсорного элемента, порядка 1,0  бар .
Основная цель настоящей полезной модели - разработать преобразователь гидростатического давления с повышенной чувствительностью в области низких давлений, для чего нужно обеспечить оптимальные параметры полупроводниковых элементов, не испытывающих деформаций изгиба или сдвига, но чувствительных к всестороннему сжатию.
Раскрытие полезной модели.
Технический результат достигается за счет использования чувствительных элементов на основе электронного GaAs, в котором искусственно созданы глубокие дефекты, что достигается внесением в чувствительный элемент радиационных дефектов путем облучения кристалла потоком высокоэнергетических частиц, например, быстрых электронов.
В основу работы предложенного пьезорезисторного датчика абсолютного давления на основе облученного электронами GaAs положена более сильная зависимость электрического сопротивления рабочих элементов, испытывающих всестороннее сжатие, от величины действующего гидростатического давления.
Заявленный полупроводниковый датчик давления, как и прототип, содержит (фиг. 1, сечение; фиг. 2, вид сверху) металлическую цилиндрическую втулку 1, имеющую практически недеформируемую под действием давления жидкости перегородку 2, покрытую с двух сторон слоем изолятора 3, например, тонкой пленкой SiO, на которой закреплены четыре идентичных барочувствительных элемента 4, изменяющих электрическое сопротивление при всестороннем гидростатическом сжатии и представляющих собой тонкую пленку 10 арсенида галлия, легированного теллуром, эпитаксиально наращенную на буфферной пластинке 9 арсенида галлия, два из упомянутых барочувствительных элемента (R1 и R3) размещены на перегородке со стороны, испытывающей давление, два других (R2 и R4) размещены на противоположной плоскости перегородки. На сенсорных элементах методом осаждения выполнены омические контакты 5 для электрических микропроводников, которые через гермовыводы 6 выведены в область втулки, не испытывающей давления, и скомпонованы в мостовую схему Уитстона. На металлической втулке 1 со стороны измеряемого давления закреплена герметичная диафрагма 7 малой жесткости, а образованная между диафрагмой 7 и перегородкой 2 полость 8 заполнена несжимаемой жидкостью, передающей давление измеряемой среды чувствительным элементам R1 и R3.
Чувствительный элемент представлен на фиг. 3. Здесь 9 - буффер (GaAs), 10 - пленка электронного арсенида галлия, легированного теллуром.
o
d
d
Конструкция датчика отличается от прототипа тем, что на пластинку GaAs нанесен тонкий слой электронного арсенида галлия GaAs, легированного теллуром Те до плотности свободных электронов  и облученного потоком быстрых электронов с энергией 2 МэВ дозой D. При этом доза облучения D выбрана из условия D/N=(0,5-2,0) см, где N - концентрация свободных электронов в исходном арсениде галлия (). Предпочтительное соотношение D/N=(1,0-1,5) (см).
d
При конкретном воплощении полезной модели в полупроводниковом датчике давления буфферные пластинки GaAs могут быть выполнены толщиной 250-300 мкм, пленка GaAs легированного теллуром выполнена толщиной 6-10 мкм, а отношение дозы облучения D () к плотности электронов N () выбрано из предпочтительного диапазона 1,0-1,5 (см).
Датчик использует чувствительные к давлению полупроводниковые элементы, электрическое сопротивление которых обеспечивает прямую индикацию давления. Два чувствительных к давлению полупроводниковых элемента объединяются с двумя другими полупроводниковыми элементами, на которые давление не влияет, но которые имеют такую же характеристику температуры/сопротивления, чтобы обеспечить нулевую компенсацию. Измерительный мост соединен последовательно с источником постоянного тока.
Возможность измерения высоких давлений обеспечивается всесторонностью сжатия кристаллов компрессионной жидкостью, т.е. отсутствием разрушающих твердое тело сдвиговых деформаций, а возможность измерения малых давлений - высокой чувствительностью сопротивления легированного теллуром GaAs, обработанного потоком электронов, к деформации сжатия.
Среди возможных полупроводников выбран GaAs, который сравнительно дешев, легко легируется и для которого хорошо разработана технология создания омических контактов. Принципы положенные в основу полезной модели, следующие.
Известно, что собственные дефекты структуры, созданные высокоэнергетическим радиационным воздействием, вызывают изменение электронных и барических свойств арсенида галлия [8]. В отличие о так называемых мелких примесей Те, Sn др., энергетическое положение уровней которых относительно дна зоны проводимости при гидростатическом сжатии не изменяется, для глубоких примесей наблюдается заглубление энергетических уровней относительно дна зоны проводимости при гидростатическом сжатии. Поэтому полупроводники, легированные мелкими (водородоподобными) примесями, малочувствительны к внешнему давлению и для повышения барической чувствительности полупроводника проводят его легирование глубокими примесями, в качестве которых выступают примеси группы железа (Fe, Cr<Mg, Ni и др.), редкоземельные примеси Gd, Dy и др., вводимые в полупроводник при его выращивании или путем диффузии. При этом возникают проблемы контроля концентрации глубокой примеси и однородности ее распределения в материале. Кроме того, низкие растворимости таких примесей приводят к формированию примесных скоплений, которые выступают как концентраторы упругих напряжений, что приводит к пространственной неоднородности барических свойств такого материала.
При этом облучение полупроводника высокоэнергетическими электронами, ионами или нейтронами позволяет создавать собственные дефекты решетки, которые выступают как глубокие центры в полупроводниках. Электронное облучение электронами позволяет контролировать плотность таких глубоких точечных дефектов путем измерения плотности электронного пучка, времени облучения, и получать однородное распределение дефектов в полупроводнике [9].
Пример реализации полезной модели.
-3
В эксперименте использованы образцы арсенида галлия (GaAs) n-типа проводимости с уровнем легирования материала мелкой донорной примесью теллура (Те), от  до  см, которые облучались электронами с энергией 2 МэВ при температуре, близкой к комнатной.
-1
При облучении периодически контролировалась величины удельного электрического сопротивления материала, ρ (Ом⋅м), и барического коэффициента удельного электросопротивления, К=д (lnp)/дР (бар). Результаты измерений приведены в таблице 1.
d
d
Эксперименты показали, что барическая чувствительность получаемых датчиков зависит от уровня легирования GaAs мелкой примесью N (т.е. от исходной плотности свободных электронов в образце) и дозы электронного облучения D. Причем, как видно из таблицы, существует сравнительно узкий диапазон оптимальной величины D/N=(0,5-2,5) (см) значительно (до 10 раз) повышающий барическую чувствительность полупроводниковых сенсорных элементов из арсенида галлия.
-4
-1
3
2
-2
-3
d
d
Оптимальные величины коэффициента удельного электросопротивления исследованных материалов (GaAs электронного типа, легированный теллуром) К>4.0 ⋅10 бар достигнуты при D/N=(0,9-1,6) (см/см). Здесь D - доза быстрых электронов (см), задаваемая временем облучения, N - концентрация примеси при легировании теллуром (см). Результирующая вариация коэффициента чувствительности не превышает 12%.
Заявленный датчик малогабаритен при исполнении, вся схема сенсорных элементов, включая выводы для системы измерений, может быть размещена на площадке диаметром до 10 мм. Его изготовление при уровне современных нанотехнологий не вызывает трудностей. Метод выращивания тонких качественных кристаллов арсенида галлия раскрыт, например, в патенте KR 920010134 [10]. Рабочие и компенсационные чувствительные элементы находятся в одинаковых температурных условия, что снижает температурную погрешность измерений для широкого диапазона давлений.
Технический результат - повышение чувствительности полупроводникового датчика давления на основе арсенида галлия.
1. Патент RU №44384, МПК U1 G01L 9/04, опубл. 10.03.2005.
2. Патент RU 2367061, МПК H01L 29/84, опубл. 10.09.2009.
3. WO 9924804, МПК G01L 1/22, опубл. 20.05.1999 или AU 744856 (В2), МПК G01L 1/18, G01L 1/22, G01L 25/00, опубл. 07.03.2002.
4. JP 2001304996, МПК G01L 9/00, G01L 9/04, H01L 29/84, опубл. 31.10.2001.
5. Патент SU 1569616, МПК G01L 9/06, опубл. 07.06.1990.
6. Патент ЕПВ 0335793, МПК G01D 3/036, G01L 19/04, G01L 9/00, опубл. 20.05.1992.
7. Патент RU 2141103, МПК G01L 9/00, G01L 9/04, опубл. 10.11.1999.
8. В.Н. Брудный. Радиационные эффекты в полупроводниках (обзор). Вестник Томского государственного университета, 2005. С. 95-102;: (Брудный В.Н., Диамант В.М. Электрические и тензоэлектрические исследования радиационных дефектов в GaAs // Изв. вузов. Физика. 1986. No 10. С. 81-87
9. Брудный В.Н. Радиационная модификация и дефекты некоторых полупроводников сложного состава: Дис. … докт. наук. Томск: ТГУ, 1993. 383 с.
10. Патент KR 920010134 В1, МПК H01L 21/46, опубл. 16.11.1992.