Пиезорезистивни сензори
Съставът на сензорите за налягане задължително включва два компонента: плоча (мембрана) с известна площ А и детектор, чийто изходен сигнал е пропорционален на приложената сила F (5.1). И двата елемента могат да бъдат направени от силиций. Сензорът за налягане със силиконова диафрагма се състои от самата диафрагма и пиезорезистивни преобразуватели, вградени в нея чрез дифузия под формата на резистори. Тъй като монокристалният силиций има много добри еластични характеристики, в такъв сензор няма пълзене или хистерезис дори при високо налягане. Коефициентът на деформационна чувствителност на силиция е многократно по-висок от този на тънък метален проводник. Обикновено тензометричните датчици се свързват според мостовата верига на Winston. Максималното изходно напрежение на такива сензори обикновено е няколкостотин миливолта, така че на изхода им обикновено се поставят усилватели на сигнала. Силициевите резистори имат доста силна температурна чувствителност, поради което при разработването на сензори, базирани на тях, винаги е необходимо да се предвидят вериги за температурна компенсация.
Когато се приложи механично напрежение върху полупроводников резистор със стойност R, поради пиезорезистивния ефект, неговото съпротивление се променя със стойността на bR.
където n1, n2 са пиезорезистивните коефициенти в надлъжна и напречна посока, а b1, b2 са напреженията в надлъжна и напречна посока. Пиезорезистивните коефициенти се определят от ориентацията на силициевия кристал. За p-тип дифузионен резистор с ориентация , както и за n-тип силициева квадратна диафрагма с ориентация на повърхността, показана на фигура 5.4, тези коефициенти могат да бъдат намерени от апроксимационната връзка (7):
Промяната в съпротивлението е пропорционална на приложената механиканапрежение, а оттам и приложеното налягане. Резисторите са разположени на диафрагмата, така че техните надлъжни и напречни коефициенти на измерване на деформация имат противоположни знаци, тогава промените в стойностите на резистора също ще имат различни знаци:
Когато резисторите са включени в полумостовата верига и когато към нея се приложи напрежението на възбуждане E, изходният сигнал ще бъде равен на израза:
Като вземем частните производни на vout, можем да намерим чувствителността на налягането на сензора ap и неговия температурен коефициент br:
Има няколко метода за производство на силициеви сензори за налягане. Един от методите използва n-тип силициева подложка с повърхностна ориентация, върху която чрез имплантиране на борни йони се формират пиезорезистори с повърхностна концентрация на примеси, равна на 3x10 18 в един кубичен сантиметър. Единият от тях (R1) е успореден, а другият (R2) е перпендикулярен на ориентацията на блендата. Едновременно с образуването на пиезорезистори, др
компоненти на сензорната верига: резистори и p-n преходи, използвани в компенсационни вериги
температура, разположена в относително дебела област на субстрата около диафрагмата. Поради тази подредба те не реагират на натиск, действащ върху диафрагмата.
Фиг. 5.5 Некомпенсиран пиезорезистивен сензор за налягане на Motorola MPX електрическа схема
На фиг. 5.5 показва диаграма на друг монолитен сензор за микро налягане (Motorola). В този сензор чрез йонна имплантация се образува пиезорезистивен елемент, който е тензодатчик.върху силиконова диафрагма. Възбуждащото напрежение се прилага към клемите на резистора 1 и 3. Налягането се прилага под прав ъгъл спрямо посоката на възбуждащия ток, причинявайки механично напрежение в диафрагмата, което от своя страна образува напречно електрическо поле в резистора, което се приема под формата на напрежение от клеми 2 и 4. Такъв тензодатчик е механичен аналог на сензора на Хол. Използването на единичен тензодатчик елиминира необходимостта от прецизно съвпадение на 4-те чувствителни към деформация и температура резистора, които образуват моста Winston. В същото време допълнителните вериги, необходими за калибриране и температурна компенсация, са значително опростени тук. Едноелементната тензометрична верига обаче е електрически аналог на мостова конструкция. Балансирането на тази верига се определя не от точния избор на резистори, а от това колко добре е регулирано местоположението на изходните щифтове.
За да се образува тънка диафрагма с площ от 1 mm 2, се използват традиционни ецващи агенти. SiO2 се използва като маскиращи слоеве, а SiN4 се използва за образуване на защитен слой от долната страна на субстрата. Скоростта на ецване при 90°C е 1,7 µm/min. Крайната дебелина на диафрагмата е приблизително 30 µm.
Друг начин за производство на диафрагми се основава на метода на сливане на силиций, който прави възможно сигурното свързване на монокристални силициеви субстрати без използването на междинни слоеве. Този метод прави възможно формирането на микросензори (повече от 8 пъти по-малки от конвенционалните силициеви сензори за налягане от диафрагмен тип), които могат да се използват в преобразуватели от катетърен тип за медицински изследвания. Такъв микросензор се състои от 2 части: горен и долен субстрат (фиг. 5.6а). В долната част фиксиранаВърху субстрата се образува кухина чрез анизотропно ецване според размера на отвора. Дебелината на долния субстрат е 0,5 mm, а необходимата дължина на диафрагмата е 250 μm, следователно в резултат на анизотропно ецване се образува пирамидална кухина с дълбочина 175 μm. Следващата стъпка е да се слее долният субстрат с горния, който се състои от p-тип силиций с нанесен n-тип епитаксиален слой. Дебелината на епитаксиалния слой съответства на определената крайна дебелина на диафрагмата. След това чрез метода на контролирано ецване се отстранява част от горната подложка, в резултат на което от нея остава само тънък слой монокристален силиций, който образува сензорната диафрагма. След това резисторите се формират чрез йонна имплантация, а контактните отвори се правят чрез ецване. На последния етап долният субстрат се заземява и смила до желаната дебелина на устройството от 140 µm. Въпреки че сензорът е повече от половината от размера на традиционен силиконов датчик за налягане, те имат същия тензометричен датчик. Фигура 5.6b показва сравнение на 2 диафрагми, получени с помощта на различни технологии. За същия размер на отвора и дебелина на кристала, устройството за синтез е почти 50% по-малко.