ПЕРЕМЕННЫЙ РЕЗИСТОР

Полезная модель относится к области промышленной электроники и может быть использована для создания резисторов управляемых напряжением и выполненным по технологии МЭМС.
Известен переменный резистор, управляемый с помощью электрического воздействия на основе тензоэффекта (В.Я. Распопов, Микромеханические приборы. Москва. «Машиностроение», 2007 г., 170-179 стр.). Конструкция такого переменного резистора представляет собой гибкий подвижный элемент, под которым находится управляющий электрод. Подвижный элемент и управляющий электрод разделены воздушным зазором. В области наибольших деформаций гибкого подвижного элемента расположены тензорезисторы. При подаче управляющего напряжения подвижный элемент за счет сил электростатического притяжения изгибается, что приводит к изменению сопротивления переменного резистора за счет тензоэффекта.
Такой переменный резистор позволяет изменять сопротивление в узком диапазоне, составляющем не более 10% от номинала.
Известен переменный резистор, управляемый с помощью электрического воздействия на основе терморезистивного эффекта, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, так называемый термистор (В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. Спб.: Издательство «Лань», 2001 г, 401-407 стр). Термистор представляет собой полупроводниковый прибор, изготовленный из монокристаллов ковалентных полупроводников, и может быть выполнен в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластин и др. размерами от десятков микрон до нескольких сантиметров. Принцип работы термистора основан на зависимости электрического сопротивления полупроводника от температуры. Изменение температуры производится либо путем нагрева терморезистора внешним нагревательным элементом, либо путем самонагрева резистора при протекании через него электрического тока.
Недостатками такого переменного резистора являются большие тепловые шумы, малый срок службы и малая надежность приборов, в которых он используется, что обусловлено локальными перегревами, т.к. он работает при больших температурах (более 400 C°).
обусловлено локальными перегревами, т.к. он работает при больших температурах (более 400 C°).
Известно устройство транзистор с резонансным затвором, (Н. С Nathanson and R.A. Wickstrom. "A resonant-gate silicon surface transistor with high-Q bandpass properties," Appl. Phys. Lett., vol. 7, p. 84, 1965), содержащее подложку, на которой расположены гибкий подвижный элемент, представляющий собой электрод затвора, управляющий электрод, электропроводящий канал, электроды стока и истока. Такое устройство может работать в режиме переменного резистора. Данная структура представляет собой полевой транзистор, в котором подвижный гибкий элемент служит электродом затвора. Принцип работы такого устройства основан на том, что при подаче управляющего напряжения на гибкий подвижный элемент (гибкую подвижную балку) он перемещается, что приводит к изменению распределения потенциала в электропроводящем канале, а, следовательно, к модуляции тока полевого транзистора. Работа такого устройства в режиме переменного резистора обеспечивается путем подачи на сток и исток постоянного напряжения и управлением величиной тока через транзистор путем изменения потенциала электропроводящего канала, за счет электрода затвора (гибкого подвижного элемента), что ведет к регулированию сопротивления устройства в целом.
Недостатками такого устройства является высокая погрешность измерений, вызванная высокой чувствительностью характеристик канала к изменениям температуры, а так же эффектом отсечки, проявляющимся в резком изменении сопротивления канала при смещении электрода затвора.
Известно микромеханическое электронное устройство (патент US №6091125, «Micromechanical electronic device», МПК H01L 29/82, опубл. 18.07.2000), которое может работать как переменный резистор, содержащее подложку, на которой расположены управляющий электрод, исток, сток и подвижная балка, закрепленная на истоке с образованием воздушного зазора между стоком и балкой. Работа микромеханического электронного устройства в режиме переменного резистора обеспечивается путем управления величиной воздушного зазора между стоком и балкой при приложенном постоянном напряжении между стоком и истоком. В этом случае, вследствие изменения воздушного зазора между истоком и подвижной балкой будет меняться величина туннельного тока, но при этом величина напряжения между истоком и стоком будет постоянная, что можно трактовать как изменение сопротивления микромеханического электронного устройства.
Недостатком такого микромеханического электронного устройства при работе в режиме переменного резистора являются малый срок службы, вследствие деградации электродов под действием туннелирующих электронов, малые номиналы сопротивления из-за малых размеров области туннелирования, что ограничивает рассеиваемую мощность. Также устройство характеризуется высокой погрешностью изменения сопротивления, вследствие экспоненциального характера зависимости туннельного тока от величины зазора и напряжения между стоком и истоком.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является переменный резистор (патент US №5376913, «Variable resistor utilizing an elastomeric actuator», МПК H01L 43/00, опубл. 27.12.1994), содержащий подложку, на которой расположен резистивный элемент в виде резистивного слоя, соединяющего две контактные площадки. В непосредственном контакте с резистивным слоем резистивного элемента и одной из контактных площадок размещен эластомерный актюатор (подвижный элемент), таким образом, что его область, контактирующая с резистивным элементом, выполнена из электропроводящего материала. При механическом воздействии на эластомерный актюатор увеличивается площадь контакта его электропроводящей области с резистивным элементом, что приводит к шунтированию перекрываемой области резистивного элемента, за счет этого изменяется сопротивление переменного резистора.
Такой переменный резистор характеризуется исключительно механическим способом управления, что требует непосредственного участия оператора в процессе изменения сопротивления, что существенно увеличивает время, необходимое на изменение сопротивления по сравнению с электронными методами управления сопротивлением, и не позволяет использовать резистор в быстродействующих схемах. В свою очередь механический способ управления с непосредственным участие оператора в процессе изменения сопротивления ограничивает область использования такого переменного резистора, т.к. существуют системы и устройства, где доступ к переменному резистору ограничен и нет возможности непосредственного механического управления его сопротивлением оператором. Также такой резистор обладает значительными габаритами, препятствующими использованию его в современных электронных устройствах, выполненных по технологии МЭМС.
Задачей заявляемой полезной модели является создание переменного резистора позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в повышении быстродействия резистора, уменьшении его габаритных размеров и управлении изменением сопротивления посредством управляющего (опорного) напряжения.
Сущность полезной модели заключается в том, что в переменном резисторе, содержащем подложку, на которой расположен резистивный элемент в виде резистивного слоя, соединяющего две контактные площадки, электропроводящий подвижный элемент, который выполнен в виде гибкого плоского элемента, расположенного над поверхностью подложки с зазором между ними и закрепленного на подложке таким образом, что его форма и размеры позволяют разместить на подложке под ним резистивный элемент и управляющий электрод с обеспечением электростатического взаимодействия гибкого плоского элемента с управляющим электродом и механического контакта гибкого плоского элемента по всей площади резистивного слоя.
При этом подложка может быть выполнена из диэлектрического или полупроводникового материала. Гибкий плоский элемент может быть выполнен в виде пластины или балки и расположен с зазором между ним и управляющим электродом.
Электропроводящий подвижный элемент может быть выполнен из металла, например: алюминий, никель, золото.
Электропроводящий подвижный элемент так же может быть выполнен в виде пластины или балки из диэлектрического или полупроводникового материала. В этом случае со стороны, обращенной к управляющему электроду пластина или балка должны быть снабжены слоем металла, например: алюминий, никель, золото.
Резистивный слой резистивного элемента может быть выполнен например из вольфрама, титана, хрома, оксида ванадия, оксида титана.
Предлагаемое техническое решение отличает от ранее известных, то что электропроводящий подвижный элемент выполнен в виде гибкого плоского элемента, который расположен над поверхностью подложки с зазором между ними, а форма (пластина, балка) и размеры гибкого плоского элемента таковы, что под ним на подложке размещены резистивный элемент и управляющий электрод с обеспечением электростатического взаимодействия гибкого плоского элемента с управляющим электродом и механического контакта гибкого плоского элемента по всей площади резистивного элемента.
Электростатическое взаимодействие гибкого плоского элемента с управляющим электродом обеспечивается путем подачи на управляющий электрод опорного напряжения, вследствие чего возникает сила электростатического притяжения. Сила электростатического притяжения между электропроводящим подвижным элементом и управляющим электродом обеспечивает возможность возникновения механического контакта электропроводящего подвижного элемента с резистивным элементом вдоль всей его площади. Такой способ управления, посредством управляющего напряжения, увеличивает степень интеграции предлагаемого переменного резистора в различные электронные системы и устройства.
Под термином быстродействие понимается скорость изменения сопротивления от одного значения к другому. Поэтому быстродействие предлагаемого переменного резистора определяется резонансной частотой электропроводящего подвижного элемента, т.к. при частотах выше резонансной подвижный элемент не будет отклоняться от первоначального положения и, следовательно, не будет выполнять свои функции.
Резонансная частота электропроводящего подвижного элемента определяется по формуле:
где k - жесткость чувствительного элемента; m - масса чувствительного элемента.
Таким образом, на основе приведенной формулы видно, что повышение быстродействия переменного резистора обеспечивается за счет малой массы подвижных частей и малых габаритных размеров устройства вследствие возможности изготовления переменного резистора по технологии микромеханики.
Электропроводящий подвижный элемент может быть выполнен в виде пластины (Фиг. 2а) или балки (Фиг. 2б). Использование пластины по сравнению с балкой приводит к уменьшению величины управляющего напряжения, а, следовательно, и энергопотребления, вследствие большей площади области электростатического взаимодействия электропроводящего подвижного элемента выполненного в виде пластины с управляющим электродом. Но с другой стороны, большие размеры пластины по сравнению с балкой уменьшают резонансную частоту, а, следовательно, быстродействие электропроводящего подвижного элемента выполненного в виде пластины.
Таким образом, если стоит задача создать переменный резистор с более высоким быстродействием, то в качестве электропроводящего подвижного элемента, лучше использовать балку. Если же есть ограничения к переменному резистору по энергопотреблению, то в роли электропроводящего подвижного элемента лучше использовать пластину.
Предлагаемую полезную модель иллюстрируют следующие чертежи:
Фиг. 1 - Переменный резистор с гибким плоским элементом в виде пластины, в аксонометрии.
Фиг. 2 - Переменный резистор с гибким плоским элементом, вид сверху: а) в виде пластины, б) в виде балки.
Переменный резистор (Фиг. 1) содержит: подложку 1, резистивный элемент в виде резистивного слоя 2, соединяющего две контактные площадки 3 и 4 электропроводящий подвижный элемент 5 в виде гибкой плоской пластины, закреплененный над подложкой 1 с зазором, который обеспечивается либо выступом 7 на пластине со стороны, которая крепится к подложке с толщиной, соответствующей величине зазора, либо дополнительным конструктивным элементом (подставкой), обеспечивающим ту же величину зазора. Под пластиной электропроводящего подвижного элемента 5 на подложке 1 размещены резистивный слой 2, контактные площадки 3, 4 и управляющий электрод 6.
Переменный резистор работает следующим образом.
С помощью контактных площадок 3 и 4, переменный резистор включают в электрическую схему устройства (Фиг. 1). При отсутствии управляющего напряжения на управляющем электроде 6, электропроводящий подвижный элемент 5 находится в состоянии максимального отклонения, что соответствует отсутствию контакта с резистивным слоем 3. В этом состоянии сопротивление переменного резистора равно номинальному. При подаче управляющего напряжения на управляющий электрод 6, между электропроводящим подвижным элементом 5 и управляющим электродом 6 за счет разности потенциалов возникает электростатическая сила притяжения. Гибкий подвижный элемент 6 начинает движение по направлению к резистивному элементу, механически контактирует сначала с контактной площадкой 4, а затем с резистивным слоем 2. По мере роста напряжения, происходит увеличение контактной области между гибким подвижным элементом 6 и резистивным слоем 2, что приводит к увеличению контактной области и шунтированию части резистивного элемента. Величина сопротивления переменного резистора определяется сопротивлением нешунтированной области резистивного элемента. Площадь контакта электропроводящего подвижного элемента 5 и резистивного элемента зависит от величины приложенного управляющего напряжения на управляющий электрод 6. Зависимость между сопротивлением и управляющим напряжением носит линейный характер. Максимальное значение сопротивления переменного резистора соответствует номинальному, когда отсутствует напряжение на управляющем электроде, а минимальное это сопротивление части электропроводящего подвижного элемента равной длине резистивного слоя в случае, когда им полностью шунтируется резистивный элемент.
Пример реализации предлагаемого переменного резистора с гибким плоским элементом в виде пластины.
Размеры подложки (мм) 2×2×0,3, резистивного элемента (мм) 1×0,050×0,005, электропроводящего подвижного элемента (мм) 1×0,5×0,05, управляющего электрода (мм) 1×0,4×0,005, размер пластины 1,5×1×0,005 (мм).
При использовании в качестве резистивного слоя кремния n-типа марки КЭФ - 4.5 с удельным сопротивлением ρ=4,5 Ом·см, номинальное сопротивление резистора, резистивный слой которого имеет указанные размеры, будет:
При подаче управляющего напряжения на управляющий электрод, электропроводящий подвижный элемент в виде пластины шунтирует часть резистивного элемента, поэтому величина сопротивления будет определяться размерами нешунтированной части резистивного элемента.
Так, если величина нешунтированной части резистивного элемента составляет:
- одну вторую длины резистивного элемента, то величина сопротивления резистора будет:
- одну пятую длины резистивного элемента, то величина сопротивления резистора будет:
Основные этапы способа формирования переменного резистора по технологиям МЭМС.
Технология формирования переменного резистора с электропроводящим подвижным элементом в виде пластины (Фиг. 2а).
На основании, в качестве которого может быть использована полупроводниковая или диэлектрическая подложка 1, выполненная например, из монокристаллического кремния формируют контактные площадки 3 и 4, а так же управляющий электрод 6 из металла, получаемого с помощью магнитронного или вакуумного напыления. Далее из электропроводящего материала с высоким удельным сопротивлением (например вольфрам, титан, хром, оксид ванадия, оксид титана) формируют резистивный слой 2 между контактными площадками 3 и 4. Далее из оксида кремния, получаемого с помощью высокотемпературного осаждения, поверх сформированных элементов, формируют жертвенный слой на подложке 1, определяющий размер зазора между электропроводящим подвижным элементом 5 и подложкой 1, в котором формируют окна для крепления электропроводящего подвижного элемента 5, после чего с помощью высокотемпературного осаждения сверху наносят слой из металла, например, золота, формируя электропроводящий подвижный элемент 5. Затем с помощью селективного травления удаляют жертвенный слой.
В случае изготовления переменного резистора, в котором электропроводящий подвижный элемент выполнен в виде балки (Фиг. 2б) может быть использована такая же последовательность технологических операций, что и для изготовления переменного резистора, в котором электропроводящий подвижный элемент выполнен в виде пластины.
Таким образом, предлагаемый переменный резистор позволяет повысить его быстродействие и сократить габаритные размеры.