Одной из определяющей метрологические характеристики датчика является мембрана. При этом особое влияние оказывает материал, форма и ее конструктивные параметры. Проведем анализ требований к виду материала, конструктивной форме и параметрам мембраны.
Наиболее широкое применение в полупроводниковой тензометрии получил кремний, который является основным материалом при производстве тензодатчиков. Основными преимуществами тензодатчиков на основе кремния является: высокая тензочувствительность; химическая инертность; отсутствие гистерезиса и ползучести; большой предел усталостной прочности; способность сохранять прочность и упругость при температурах до 500°С.
Для изготовления тензодатчиков может быть использован кремний как n - так и р -типов проводимости. При выборе в качестве упругого чувствительного элемента кремния необходимо учитывать пьезорезистивный эффект. Для того, чтобы использовать пьезорезистивный эффект в кремнии для усиления тензочувствительности, тензодатчики должны изготавливаться из монокристаллического материала, ориентированного в направлении соответствующих кристаллографических осей. Концентрация примесей, вводимых в кремний, определяет величину пьезорезистивного эффекта, удельное электрическое сопротивление, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и температурный коэффициент тензочувствительности (ТКТ).
|
|
При разработке тензодатчиков на основе кремния необходимо учитывать, что кремний является хрупким материалом с максимально допустимым относительным удлинением 1,6×10-3. При уменьшении толщины кремниевой мембраны тензодатчиков гибкость их существенно растёт, одновременно возрастает прочность и допустимое относительное удлинение (до 3×10-3).
Тензодатчики на основе кремния отличают также особенности технологического характера. Так, например, в процессе изготовления тонких кремниевых пластин поверхность не должно иметь царапин или повреждений, резко снижающих предел допустимых удлинений. Кроме того, при получении кремния с проводимостью р -типа положительная тензочувствительность достигается путём легирования бромом, а отрицательной тензочувствительностью – фосфором.
В большинстве случаев полупроводниковые тензодатчики изготавливаются из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением 0,01 – 0,2 Ом×см и ориентацией вдоль кристаллографических осей 111 (р -тип) и 100 (n -тип).
Для разрабатываемого датчика более предпочтительным является изготовление мембраны из кремния, что соответствует также современным тенденциям в области разработки датчиковой аппаратуры.
|
|
Оптимизация топологии интегральных мембранных тензорезисторных преобразователей проводится, как правило, лишь по единственному критерию – максимальной чувствительности преобразователя. На практике таких критериев может быть значительно больше. В интегральных преобразователях, как и в любом микроэлектронном изделии, топология схемы выбирается в зависимости от физических, технологических, схемотехнических, метрологических и конструктивных требований [2.16].
Классификация топологических вариантов мембранных преобразователей представлена в табл.2.6.
В табл.2.7 приведены чувствительности различных интегральных преобразователей.
Таблица 2.6
№ п/п | Вариант топологии расположения тензорезисторов на мембране | Тип полупроводника | Вид ориентации осей | Вид функции преобразования (чувствительность) | Источник информации |
1. | I II | р - типа | где - выходное напряжение мостовой схемы; q - давление мембранного преобразователя; Е – напряжение источника питания. , где а - радиус мембраны, h - толщина мембраны. | Ваганов стр.38-40 | |
I III | п – типа | . | стр.40-41 |
3 | |||||
VIII | п – типа | S=0,49. | |||
2. | I | р - типа | . | стр.42-43 | |
II | р - типа | S=0,94. | |||
II | п – типа | -для I; S=0,90 - для II. | стр.44 | ||
IV | п – типа | S=0,45. | стр.44 | ||
Х | п – типа | S=0,31. | |||
3. | р - типа | Чувствительность мостовой схемы, у которой в двух противоположных плечах включены радиальные периферийные тензорезисторы, а в двух других – центральные тензоре- зисторы, равна: | стр. 43-45 | ||
п – типа | Чувствительность полной мостовой схемы, образованной двумя радиальными и двумя тангенциальными резисторами, равна: . | стр.45 |
В таблице: значения главных пьезорезистивных коэффициентов равны:
Таблица 2.7
Ориентация плоскости мембраны | (001) | (011) | (111) | |||
Тип проводимости | р | п | р | п | р | п |
Чувствительность, мВ/(В·МПа) |
Данные таблицы показывают, что, во-первых, значения чувствительности близки к реальным значениям для практических преобразователей. Во-вторых, чувствительность почти всех вариантов [за исключением тензорезисторов п – типа на плоскости (111)] примерно одинакова, и с этой точки зрения все они могут в равной мере рассматриваться как потенциально пригодные для практических разработок.