А.А. Федосеев, ФГУП Научно-исследовательский институт физических измерений (г. Пенза)
КРЕМНИЕВЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ СО
ВСТРОЕННОЙ СХЕМОЙ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
|
Описывается метод настройки полупроводникового чувствительного
элемента для датчиков абсолютного и избыточного давлений с помощью
расположенных непосредственно на чувствительном элементе металлопленочных
резисторов, номинал которых формируется с использованием лазера |
Одна из главных задач, стоящих перед разработчиком датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА) в настоящее время, заключается в снижении габаритных размеров изделия при одновременном повышении качества. Главными направлениями в решении этой задачи являются использование полупроводниковой технологии при изготовлении чувствительного элемента (ЧЭ) ДПА и настройка его выходных характеристик (температурной стабилизации начального выходного сигнала и чувствительности, нормирование номинального выходного сигнала и др.). Изготовление ЧЭ из кремния с монокремниевыми тензорезисторами достаточно хорошо освоено [1], однако настройка выходных параметров часто проводится с помощью навесных дополнительных элементов, использование которых увеличивает габаритные размеры изделия и его стоимость.
В НИИ физических измерений были разработаны
конструкция и технология изготовления полупроводникового интегрального ЧЭ для
датчиков абсолютного и избыточного давлений (ЧЭ представляет собой кремниевый
кристалл, соединенный со стеклянным основанием электростатическим способом),
топология которого приведена на рис. 1,а. ЧЭ содержит монокремниевые
тензорезисторы 
, расположенные в областях наибольших поверхностных
напряжений на мембране, терморезистор 
, нечувствительный к прилагаемому давлению, а также
многослойные металлопленочные резисторы [2] 
из сплава
Х20Н75Ю+МР47ВП с поверхностным удельным сопротивлением 50 Ом/см,
расположенные на периферии ЧЭ, с помощью которых создается пассивная схема
компенсации температурных погрешностей и нормирования выходного сигнала.
Электрическая схема датчика на основе такого ЧЭ представлена на рис. 1,б.
|
|
|
|
|
Рис. 1. Топология и электрическая схема ЧЭ |
Принцип настройки ЧЭ основан на расчете необходимых
номиналов резисторов и последующем их
формировании путем подгонки лазером.
Разработанная технология производства ЧЭ представляет собой синтез полупроводниковой и металлопленочной технологий (напыление многослойного резистивного сплава на оксид кремния, формирование тонкопленочных резисторов и подгонка лазером их номиналов на кремниевом кристалле), применение которых позволяет создать ЧЭ датчиков давления, характеризующихся высокой чувствительностью (которая обеспечивается монокремниевыми тензорезисторами) и высокой температурной стабильностью (за счет стабильности металлопленочных резисторов, имеющих температурный коэффициент сопротивления порядка 5×10-6 1/°С).
Ниже приводится последовательность настройки описываемого ЧЭ [3].
Исходные значения номиналов резисторов (после изготовления ЧЭ), Ом:
........................................................................ 400-500
............................................................................. 3000-5000
....................................................................................... 5-20
................................................................................... 70-130
............................................................................... 800-1200
............................................................................. 3000-5000
На первом этапе работ осуществляются балансировка и
обеспечение температурной стабильности начального выходного сигнала с помощью
резисторов и . Определяются температурные коэффициенты тензорезисторов в
диапазоне рабочих температур ЧЭ по формуле
,
(1)
где 
– сопротивление
тензорезистора 
при максимальной
температуре, Ом; 
– сопротивление
тензорезистора при минимальной
температуре, Ом; 
– диапазон температур,
°С.
Далее определяются контрольные соотношения температурных коэффициентов сопротивлений по формулам:
;
(2)
; (3)
;
(4)
;
(5)
; (6)
.
(7)
С учетом контрольных соотношений определяются
расчетные значения резисторов и , а также номера плеч, в которые их необходимо включать (– последовательно, a – параллельно). Соотношения
и расчетные формулы приведены в таблице 1.
Таблица 1.
|
Контрольные
соотношения температурных коэффициентов |
Номера |
Формулы
для расчета |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
4 |
|
|
|
|
|
4 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
3 |
|
|
|
|
|
4 |
2 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
4 |
3 |
|
|
|
После расчета осуществляется подгонка номиналов на лазерной установке [4] согласно рис. 2.
|
|
|
Рис. 2. Топологии резисторов |
Топологии резисторов рассчитаны таким образом, чтобы в
ходе подгонки получать номиналы для резистора в диапазоне
3000-45000 Ом, а для резистора – в диапазоне
10-200 Ом. После подгонки резисторы включаются в схему.
На втором этапе работ осуществляется компенсация
температурной погрешности чувствительности и нормирование номинального
выходного сигнала с помощью резисторов и , а также терморезистора .
Расчетное значение резистора определяется по
формуле:
, (8)
где 
, 
– номинальный выходной
сигнал при минимальной и максимальной температурах рабочего диапазона, мВ; 
, 
– сопротивления
терморезистора при минимальной и максимальной
температурах рабочего диапазона, Ом; 
, 
– выходные
сопротивления мостовой схемы при минимальной и максимальной температурах
рабочего диапазона.
Номинал резистора определяется путем его
имитации магазином сопротивлений, включенном в схему согласно рис. 1
(номинал подбирается для установления номинального выходного сигнала при номинальном
давлении).
После определения необходимых значений сопротивлений и иx подгонка
осуществляется согласно рис. 3.
|
|
|
Рис.
3. Топологии резисторов |
Топологии резисторов рассчитаны таким образом, чтобы в
ходе подгонки получать номиналы для резистора в диапазоне
100-3000 Ом, а для резистора – в диапазоне
1000–10000 Ом. После подгонки резисторы включаются в схему.
|
|
|
Рис. 4. Градуировочные характеристики ЧЭ после настройки |
На рис. 4 приведены градуировочные характеристики настроенного ЧЭ при различных температурах (толщина мембраны кристалла 20 мкм).
Настроенный ЧЭ имеет следующие характеристики:
· начальный выходной сигнал ±5 мВ;
· температурный коэффициент начального выходного сигнала 0,025% / °С от номинального сигнала;
· температурный коэффициент чувствительности 0,027% / °С;
· погрешность номинального выходного сигнала ±0,5%.
Достоинства описанного метода настройки в том, что он обеспечивает настройку ЧЭ непосредственно на кремниевом кристалле до сборки датчика и позволяет прогнозировать метрологические характеристики приборов на ранних стадиях изготовления. Одновременно снижаются габаритные размеры и стоимость датчиков за счет отказа от дополнительных настроечных резисторов.
Разработанная технология позволяет формировать любые дополнительные схемы настройки из высокостабильных металлопленочных резисторов непосредственно на кремниевых кристаллах или ЧЭ.
Список
литературы
1. Ваганов В.И. Интегральные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. 136 с.
2. Патент РФ № 1820416, Н 01 С 17/00 “Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора”.
3. Сгибов А.П., Трухачев Б.С., Носовский А.В. Температурная компенсация ухода нуля мостового тензопреобразователя // Приборы и системы управления. 1975. № 11. С. 24-26.
4. Лобко Э.В., Лобко С.И., Сакун Л.В., Шулаков В.А. Расчет и лазерная подгонка номиналов прецизионных резисторов // Электронная промышленность. 1986. № 4. С. 34-35.
| Наверх |