Сильфоны, мембраны и тонкие пластины

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, силъфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

На рис 5.2А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Т.о, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно большие перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

 

 

 

На рис 5.2б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мембранами, методами микротехнологий.

Мембрана- это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в ньютонах на метр (рис. 5.2б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (в 200раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значениях давления p отклонение центра мембраны Z_m и ее механическое напряжение б_m являются квазилинейными функциями давления(напряжение измеряется в Н\м²):

Z_max=r²p\4S (5.5)

б_max=S\g (5.6)

где r- радиус мембраны,g- ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.

 

Рис.5.3 Деформация тонкой платины (А) и мембраны (Б) подж действием давления p

Для нахождения наименьшей собственной частоты мембраны можно воспользоваться следующим соотношением:

F₀= 1,2S\пrpg, (5.7)

где p- плотность материала мембраны. При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r\g<100,речь идет о тонкой пластине (рис. 5.3А). Если такую пластину закрепить между 2 зажимными кольцами, в системе появится значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и пластиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции.

Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линейно связано с давлением:

Z_max=3(1-v²)r⁴p/16Eg³, (5.8)

 

где E- модуль Юнга (Н/м²), а v-коэффициент Пуассона. Максимальное механическое напряжение в пластине тоже является линейной функцией давления:

б_max=3r³p/4g² (5.9)

В уравнениях 5.5-5.6, 5.8-5.9 предполагается, что разрабатываемый датчик давления будет измерять отклонения мембраны или пластины. Поэтому далее необходимо выбрать метод преобразования полученного отклонения в электрический сигнал.

 

Пьезорезистивные датчики

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мембрана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенной силе F (5.1). Оба эти элемента могут быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включается по схеме моста Уинстона. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сотен милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.

Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину бR.

бR\R=п₁б₁+п₂б_2, (5.10)

где п_1,п₂- пьезорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направлениях, а б₁,б₂- напряжения в продольном и поперечном направлениях. Пьезорезистивные коэффициенты определяются ориентацией кремниевого кристалла. Для диффузионного резистора p-типа, имеющего ориентацию <110>, а также для кремниевой квадратной диафрагмы n-типа с ориентацией поверхности <100>, показанных на рис 5.4, эти коэффициенты можно найти из аппроксимационного соотношения(7):

п₁=-п₁=0,5п₄₄ (5.11)

Изменение сопротивления пропорцинально приложенному механическому напряжению, и, следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагаются на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений резисторов также будут иметь разные знаки:

бR₁/R₁=бR₂/R₂=0,5п₄₄(б_1y-б_1x) (5.12)

При включении резисторов в полумостовую схему и при подаче на нее напряжения возбуждения E, выходной сигнал будет равен выражению:

V_out=0,25Eп₄₄(б_1y-б_1x) (5.13)

Взяв частные производные от v_out можно найти чувствительность датчика к давлению a_p и его температурный коэффициент b_r:

 

a_p=dv_out/E dp=п₄₄d(б_1y-б_1x)/4dp (5.14)

 

b_r=da_p/a_pdT= dп₄₄/п₄₄dT (5.15)

Поскольку коэффициент dп₄₄/п₄₄dT имеет отрицательное значение, температурная чувствительность также будет отрицательной, что означает, что при увеличении температуры чувствительность падает.

Существует несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов используется подложка из кремния n-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются пьезорезисторы с поверхностной концентрацией примесей, равной 3x10¹⁸ в одном кубическом сантиметре. Один из них (R₁) параллелен, а другой (R₂) перпендикулярен ориентации диафрагмы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие

 

компоненты схемы датчика: резисторы и p-n переходы, используемые в цепях компенсации

температуры, Располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагируют на давление, действующее на диафрагму.

 

 

Рис. 5.5 Схема некомпенсированного пьезорезистивного элемента датчика давления Motorola MPX

 

 

На рис. 5.5 показана схема еще одного монолитного микродатчика давления(Motorola). В этом датчике пьезорезистивный элемент, представляющий собой тензодатчик, формируется методом ионной имплантации на кремниевой диафрагме. К выводам резистора 1 и 3 подводится напряжение возбуждения. Под прямым углом к направлению тока возбуждения прикладывается давление, вызывающее механическое напряжение диафрагмы, которое в свою очередь, формирует в резисторе поперечное электрическое поле, снимаемое в виде напряжения с выводов 2 и 4. Такой тензодатчик является механическим аналогом датчика Холла. Использование одного тензоэлемента устраняет необходимость точного согласования 4 тензо- и температурно- чувствительных резисторов, формирующих мост Уинстона. Одновременно с этим здесь существенно упрощены дополнительные цепи, необходимые для проведения калибровки и температурной компенсации. Тем не менее схема одноэлементного тензодатчика является электрическим аналогом мостовой структуры. Балансировка этой схемы определяется не точным подбором резисторов, а тем, насколько хорошо отрегулировано расположение выходных выводов.

Для формирования тонкой диафрагмы площадью 1мм², используются традиционные травильные реагенты. В качестве маскирующих слоев применяются SiO₂, для формирования защитного слоя с нижней стороны подложки – SiN₄. Скорость травления при 90 С составляет 1,7 мкм/мин. Конечная толщина диафрагмы равняется приблизительно 30 мкм.

Другой способ изготовления диафрагм основан на методе сплавления кремния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллического кремния без применения промежуточных слоев. Этот способ дает возможность формирования микродатчиков(более чем в 8 раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменнтго типа), которые могут использоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских исследований. Такой микродатчик состоит из 2 частей: верхней и нижней подложек (рис. 5.6а). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней подложки составляет 0,5 мм, а требуемая длина диафрагмы – 250мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глубиной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавления нижней подложки с верхней, состоящей из кремния p-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем n-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует заданной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует диафрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисторы, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой толщины устройства – 140 мкм. Несмотря на то, что размеры датчика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразователя давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис.5.6б показано сравнение 2 диафрагм, полученным по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, полученное методом сплавления почти на 50% меньше.

 

 

Рис. 5.6 Изготовление кремниевой мембраны методом сплавления кремния:

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: