ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
HIGH-TEMPERATURE SEMICONDUCTOR PRESSURE TRANSDUCER

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.
Известен преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [1].
Недостатками данного преобразователя является низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, высокий уровень погрешностей измерений в интервале температур от минус 100 до 850°С.
19
-3
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния n-типа проводимости и легированную бором до концентрации не менее 5·10 см, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния [2].
-6
-6
-3
Недостатками прототипа являются невозможность измерений высокотемпературных сред, обусловленная низкой упругостью и высокой подвижностью дефектов в кристаллической решетке кремния при температурах свыше 500°C, а также высокая дополнительная температурная погрешность измерения, вызванная различием физико-химических свойств кремния, из которого выполнены тензорезисторы, и слоя двуокиси кремния, изолирующего тензорезисторы от мембраны. В конструкции прототипа тензорезисторы выполнены из кремния и размещены на поверхности слоя, выполненного из двуокиси кремния. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кремния равен 2,33·10/К, ТКЛР двуокиси кремния равен 0,55·10/К [3]. Температурный коэффицент сопротивления (ТКС) кремния определяется степенью легирования, его типичное значение составляет 2·10/К [4]. Кроме того, в прототипе вследствие различной структуры слоя тензорезисторов, выполненного из кремния, и слоя, закрепленного на мембране (двуокиси кремния), на границе раздела будут возникать дополнительные механические напряжения из-за дефектов и дислокаций, вызванных несовпадением кристаллической решетки кремния и аморфной структуры двуокиси кремния [5, 6]. Данные механические напряжения, вызванные различием ТКЛР кремния и двуокиси кремния, а также дефектами и дислокациями на границе раздела слоев, приведут к возникновению дополнительной температурной погрешности преобразователя.
Невозможность измерений высокотемпературных сред (более 500°C) объясняется тем, что кремний, из которого выполнена мембрана, не демонстрирует ни пластической деформации, ни ползучести при температурах до 500°C, но при более высоких температурах в данном материале наблюдается значительное снижение упругости и увеличение подвижности дефектов в кристаллической решетке, что в конечном итоге приводит к разрушению структур, выполненных из кремния [4].
Изобретение направлено на расширение температурного диапазона измерений и снижение дополнительной температурной погрешности преобразователя.
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое, объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, причем мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, согласно изобретению мембрана и тензорезисторы выполнены из поликристаллического алмаза одного типа проводимости, а закрепленный на мембране слой выполнен из поликристаллического алмаза другого типа проводимости.
Введение предложенной конструкции, содержащей
поликристаллический алмаз, позволяет расширить температурный диапазон измерений в части повышения верхнего предела измерений до 600°C за счет того, что поликристаллический алмаз, являющийся полупроводниковым широкозонным материалом, обладает рядом уникальных свойств, в том числе стойкостью к воздействию повышенной температуры.
13
Из всех широкозонных полупроводников у алмаза наилучшее сочетание основных электрофизических параметров. У алмаза высокая среди всех известных материалов теплопроводность, которая составляет 20-24 Вт/см·К при комнатной температуре. Это связано с его высокой температурой Дебая (1860 К), благодаря чему комнатная температура является «низкой» в отношении динамики решетки алмаза, в результате чего он может служить теплоотводящей диэлектрической подложкой, что способствует лучшему теплоотводу при эксплуатации изделий в диапазоне высоких температур. В очищенном от изотопов алмазе (природные кристаллы содержат 1,1% изотопа С) теплопроводность может достигать 33 Вт/см·К [7]. При легировании алмаза его удельное сопротивление может изменяться в широком интервале, что превращает его в широкозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 5,4 эВ, что существенно выше, чем у кремния. Большая, по сравнению с кремнием, ширина запрещенной зоны, означает больший диапазон рабочих температур (вплоть до температуры 600°C, свыше которой на воздухе начинается графитизация алмаза) [8, 9].
А введение предложенной конструкции, содержащей мембрану и тензорезисторы, выполненные из поликристаллического алмаза одного типа проводимости, и закрепленный на мембране слой, выполненный из поликристаллического алмаза другого типа проводимости, позволяет снизить дополнительную температурную погрешность преобразователя.
Изменение сопротивления мостовой схемы, вызванное влиянием температуры, определяется выражением [3]:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mi>R</mi></msub><mo>+</mo><mi>K</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>λ</mi><mi>s</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>λ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
R
s
j
s
j
где α - ТКС материала тензорезисторов, λ - температурный ТКЛР материала тензорезисторов, λ - ТКЛР материала слоя, закрепленного на мембране. В предложенной конструкции тензорезисторы и закрепленный на мембране слой выполнены из поликристаллического алмаза так, что в выражении (1) λ=λ, и изменение сопротивления мостовой схемы, вызванное влиянием температуры, определяется выражением:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mi>R</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
R
-4
-1
-2
-1
Например, при значении ТКС поликристаллического алмаза α=-4,4·10/К (что достигается подбором соответствующей концентрации легирующей примеси) изменение сопротивления мостовой схемы, вызванное влиянием температуры, определенное для прототипа по формуле (1), будет равно 0,2002%/°C, а изменение сопротивления мостовой схемы, вызванное влиянием температуры для предложенной конструкции, определенное по формуле (2), будет равно - 4,4·10%/°C. Таким образом, введение предложенной конструкции позволяет снизить изменение сопротивления, вызванное влиянием температуры, а значит - уменьшить дополнительную температурную погрешность.
Кроме того, в предложенной конструкции дополнительные механические напряжения будут отсутствовать, так как тензорезисторы и закрепленный на мембране слой выполнены из одного и того же материала (поликристаллического алмаза), у которого совпадают параметры кристаллической решетки [5, 6].
Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1.
На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану (1) с утолщенным периферийным основанием (2). Мембрана имеет толщину, равную толщине тензорезисторов (3), сформированных на закрепленном на мембране слое (4). Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин (5), имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки (6), в мостовую измерительную схему. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений (7) в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Мембрана и тензорезисторы выполнены из поликристаллического алмаза одного типа проводимости, а закрепленный на мембране слой выполнен из поликристаллического алмаза другого типа проводимости.
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Выбор в качестве материала мембраны и тензорезисторов поликристаллического алмаза позволяет расширить температурный диапазон измерений в части повышения верхнего предела измерений до 600°C за счет использования полупроводникового широкозонного материала поликристаллического алмаза, обладающего рядом уникальных свойств, в том числе стойкостью к воздействию повышенной температуры. А использование конструкции, в которой мембрана и тензорезисторы выполнены из поликристаллического алмаза одного типа проводимости, а закрепленный на мембране слой выполнен из поликристаллического алмаза другого типа проводимости, позволяет снизить дополнительную температурную погрешность преобразователя, вызванную различием физико-химических свойств материалов мембраны, тензорезисторов и закрепленного на мембране слоя.
Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:
- расширение температурного диапазона измерений;
- снижение дополнительной температурной погрешности преобразователя.
Источники информации
1. Патент RU 1732199.
2. Патент RU 2271523.
3. Аш. Ж. и соавторы Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн.1. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - 480 с, ил.
4. Гридчин, В.А. Физика микросистем: учеб. пособие; в 2 ч. Ч.1 / В.А.Гридчин В.П.Драгунов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с.
5. Nakladan A., Sager К., Gerlach G. Influences of humidity and moisture on the long-term stability of piesoresistive pressure sensors // Measurement. 1995. V.16. No.1. P.21-29.
6. Gerlach G., Sager K., Zwiebber R. Der EinfluP halbleiter technologist realisierbarer Passivierung - Konzepte auf die electrische Stabilitet piesoresistiver Drucksensoren // VD - Ber. 1992. Bd. 960. N 1. S.281-294.
7. Ральченко В. CVD-алмазы. Применение в электронике / В.Ральченко, В.Конов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2007. - №4. - С.58-67.
8. http://www.intactive.rU/ru/info/articles/article/4/
9. Плесков Ю.В. Электрохимия алмаза. / Ю.В.Плесков - Эдиториал УРСС; 2003 г.; 104 стр.