Наноэлектронные специализированные элементы и системы на кристалле

Микросистемные сенсоры давления

Значительным спросом пользуются также микросистемные сенсоры давления. На рис. 7.8 показаны варианты механической структуры таких сенсоров. Основой их служит тонкая (10-100 нм) упругая мембрана 1 из поликристаллического или из монокристаллического кремния, расположенная между двумя объемами (4 и 5) с разным давлением газа или жидкости. Мембрана упруго прогибается в сторону объема с меньшим давлением. Величина деформации или стрела прогиба в широких пределах пропорциональна разности давлений.

Рис. 7.8. Варианты механической структуры микросистемных сенсоров давления: 1 – кремниевая мембрана; 2 – подложка из кремния; 3 – толстый слой окисла; 4 и 5 – объемы с разным давлением с разных сторон мембраны

В вариантах, показанных на рис. 7.8 вверху, упругая мембрана (1) сформирована из тонкого слоя поликристаллического кремния, нанесенного на относительно толстый слой окисла (3) на основе из монокристаллического кремния (2). Окисел под мембраной вытравлен, благодаря чему снизу под мембраной (1) образуется пустота (микрокамера) 5. В вариантах, показанных на рис. 7.8 внизу, упругая мембрана (1) представляет собой тонкий слой монокристаллического кремния, сформированного в самой основе (2) по технологии двухстороннего анизотропного травления. Слева показаны варианты с однородной мембраной, справа – варианты, в которых мембрана имеет относительно жесткую, толстую середину и более тонкие перемычки на краях.

В плане мембрана из кремния чаще всего имеет форму квадрата, реже - правильного многоугольника или круга.

Для измерения разности давлений применяют пьезорезистивный, емкостной или оптический методы. В первом методе с помощью пьезорезисторов измеряют степень деформации мембраны, пропорциональную разности давлений. Пьезорезисторы формируют в местах наибольшего сосредоточения деформаций мембраны. Поэтому чаще всего используют конструктивные варианты, изображенные на рис. 7.8 справа. Наибольшие деформации в них сосредоточены в тонких перемычках, там и формируют пьезорезисторы. Пример показан на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Пример топологии пьезорезистивного сенсора давления: 1 – основа из кремния; 2 – тонкая перемычка из поликремния; 3 – измерительные пьезорезисторы; 4 – толстая часть поликремниевой мембраны; 5 – компенсационные пьезорезисторы; 6 – пленочные металлические межсоединения; 7 – подмембранная камера; 8 – слой окисла; 9 – контактные площадки мостовой схемы

Вверху сенсор давления показан в сечении, внизу – его вид в плане. Четыре пьезорезистора сформированы в "теле" тонкой перемычки из поликристаллического кремния (2). Два из них (3) ориентированы в направлении максимальных деформаций, другие два (5) – поперек направления максимальных деформаций. Все они с помощью пленочных металлических межсоединений (6) образуют мостовую схему, которая при отсутствии разности давлений с обеих сторон мембраны сбалансирована так, чтобы на выходе было нулевое напряжение.

Когда давления с разных сторон мембраны разнятся, мембрана прогибается в сторону меньшего давления. Измерительные пьезорезисторы 3 растягиваются или сжимаются, вследствие чего их электрическое сопротивление меняется. Компенсационные пьезорезисторы практически не ощущают деформации, их электрическое сопротивление остается неизменным. И поэтому равновесие мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется напряжение, пропорциональное разности давлений.

Если камеру 7 под мембраной сделать герметичной с вакуумом внутри, то получим сенсор абсолютного давления.

Для реализации емкостного метода измерения давления используют структуру, изображенную на рис. 7.8 вверху слева. В этом случае на поверхности монокристаллического кремния в камере под мембраной формируют пленочный металлический электрод и измеряют электрическую емкость между ним и мембраной. При деформациях мембраны эта емкость увеличивается или уменьшается.

Наноэлектронная кремниевая технология позволила, например, сформировать в одном кристалле, кроме мембранного датчика давления, также датчик температуры, все электронные узлы, требуемые для считывания и обработки сигналов, и микроминиатюрный радиопередатчик миллиметрового диапазона. В результате миллионными сериями промышленно выпускаются, например, миниатюрные сенсоры давления и температуры воздуха внутри автомобильных шин ( рис. 7.10 слева).

Рис. 7.10. Система контроля давления и температуры внутри автомобильных шин. Слева – наноэлектронный сенсор, справа – центральный блок индикации и сигнализации

Их размещают внутри шины возле ее штуцера так, чтобы они не мешали эксплуатации шины, ее вращению, монтажу, демонтажу, балансировке. Основную массу сенсора составляет масса батарейки питания, энергоемкости которой хватает на 5 лет беспрерывной работы сенсора. Информация о давлении и температуре внутри шины передается бесконтактно, причем каждый сенсор передает также и свой индивидуальный код, который позволяет легко определить, от какой именно шины пришли переданные данные.

Центральный блок с микрокомпьютером ( рис. 7.10, справа) находится в кабине водителя. На его индикаторе условно изображен автомобиль со всеми шинами и показываются измеренные значения давления и температуры в каждой шине. Использование таких сенсоров оказалось настолько эффективным и важным для повышения безопасности движения грузовиков, что в США, например, все автомобили массой более 4,5 т теперь обязательно должны быть оснащены подобными системами мониторинга давления и температуры в шинах.

Один из вариантов реализации оптического метода измерения давления показан на рис. 7.11. Над подложкой 1 из монокристаллического кремния сформирована мембрана 2, на которую снизу нанесено зеркальное покрытие 3. Сквозь отверстие в подложке проходит керн 4 оптического волокна 5. На торец волокна 4 нанесено полупрозрачное зеркальное покрытие. Между ним и покрытием 3 образуется оптический резонатор. Подмембранная камера 6 герметически закрыта. Сверху сенсор давления механически защищен коническим кожухом К, а снизу и сбоку – капелькой герметика 7.

Рис. 7.11. Пример реализации микроминиатюрного сенсора давления на кремнии с оптическим методом измерения

Через оптическое волокно 5 в резонатор проходит монохроматический свет. Многократно отражаясь от зеркальных покрытий мембраны и волокна, световые волны интерферируют. Поэтому интенсивность отраженного обратно в волокно света существенно зависит от величины прогиба мембраны 2 и таким образом - от величины внешнего давления.

Используя микросистемную технологию, такой чувствительный к внешнему давлению элемент удалось сделать диаметром меньше 0,5 мм, включая защитный конический колпачок К и твердый герметик 7. Внешний вид чувствительного элемента показан на рис. 7.11 справа вверху на фоне пальцев, которые его держат за оптическое волокно, и ушка иглы, сквозь которое волокно продето. С помощью иглы-катетера 8 внешним диаметром меньше 1 мм, которая показана справа внизу, чувствительный элемент 9 на тонком оптическом волокне 10 можно ввести в контролируемый объем для измерения давления. В медицине, например, такие сенсоры применяют для контроля внутричерепного давления, давления в легочной артерии, куда иначе никак нельзя добраться.