WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В третьей главе разработана математическая модель, определяющая взаимосвязь выходного сигнала ТЧЭ с механическим напряжением, возникающим при деформации МДП-структуры.

Сопротивление элементарного участка проводящего канала структуры длиной dx определяется следующей зависимостью:

Rк dx dRк = dx =, (6) L Z W где Rк – сопротивление канала, Ом; L – длина канала, м; – удельное сопротивление, Ом·м; Z – ширина канала, м; W – глубина канала, м.

Однако на распределение носителей заряда в канале оказывают влияние значение управляющего потенциала (VG ) и напряжения на выходе ТЧЭ (VD ).

Влияние данных электрических параметров приводит к тому, что глубина области, обогащенной электронами у выхода ТЧЭ, больше, чем у входа.

В этом случае глубина канала W на расстоянии x от входа равна:

0 SiOQS (x) 2kT ND, W (x) = = -VG + V (x) + ln eN e ND d e - (EG (0) - X ) D NC NV exp 2kT (7) где SiO 2 – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под управляющим электродом; d – толщина диэлектрика, м; V(x) – напряжение на расстоянии x от входа ТЧЭ, В.

При деформации ТЧЭ изменяется удельное сопротивление полупроводникового кристалла (тензорезистивны й эффект) и = 0(1 + l X ), (8) где 0 – удельное сопротивление недеформиров анного полупроводника, Ом·м; l – продольный коэффициент пьезосопротивления, Па–1. Продольный коэффициент пьезосопротивления определяется параметрами кристаллической решетки, кристаллографическим направлением и типом проводимости полупроводника.

Ток, протекающий через любое сечение канала, одинаков, следовательно dV = I dRк. (9) D Математическая модель выходной характеристики ТЧЭ, учитывающая изменение длины канала при деформации, определяется интегрированием выражения (9) с граничными условиями V = 0, x =0 и V = VD, x = L :

Z0SiO2 n VD ND. (10) ID = +VD 2kT ln -VG X 2 e -(EG(0) -X ) (1+ )(1+ l X )L0d NCNV exp C 2kT Проведено исследование и анализ полученной математической модели с целью создания методики разработки полупроводниковых ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

На рис. 1 представлены зависимости выходного сигнала ТЧЭ от механического напряжения для структур с различной степень ю легирования полупроводника. Из графиков видно, что с увеличением концентрации примесных атомов увеличивается выходной ток ТЧЭ. Однако с увеличением содержания примесных атомов в монокристалле уменьшается угол наклона графиков, определяющий величину изменения выходного сигнала от механического напряжения, т.е. чувствительность полупроводникового ТЧЭ. Уменьшение чувствительности связано с уменьшением подвижности основных носителей заряда.

С ростом количества примесных атомов в монокристалле увеличив ается вероятность столкновения электронов проводимости с этими атомами. Следовательно, увеличение рассеяния носителей на ионах примеси уменьшает подвижность основных носителей заряда.

ID, мA X, Па Рис. 1. Зависимость выходного тока от механического напряжения для различных концентраций примеси:

-3 -1 – N = 1018см N = 1014см ; 2 – ; 3 – собственный полупроводник D D На рис. 2 представлены зависимости выходного тока от топологических параметров: толщины диэлектрика (а) и длины проводящего канала (б).

Анализируя графические данные, можно сделать вывод, что уменьшение длины канала и толщины диэлектрика приводит к увеличению чувствительности и повышению уровня выходного сигнала. При уменьшении толщины диэлектрика под управляющим электродом увеличивается величина электрического поля, создаваемого потенциалом на электроде и проникающего через диэлектрик в подзатворную область полупроводниковой подложки.

В результате увеличения электрического поля увеличивается количество основных носителей заряда, что приводит к увеличению выходного тока.

Увеличение уровня выходного сигнала, наблюдаемое при изменении длины канала, связано с уменьшением его электрического сопротивления.

ID, мА ID, мА Х, Па Х, Па а) б) Рис. 2. Влияние топологических параметров на выходную характеристику При увеличении значений управляющего потенциала VG повышается уровень выходного сигнала полупроводникового ТЧЭ. Это связано с увеличением концентрации свободных носителей заряда, которые притягиваются положительным потенциалом на управляющем электроде. Увеличение количества свободных носителей заряда приводит к увеличению пространственного заряда, следовательно, и выходного тока полупроводникового ТЧЭ.

На основе разработанной математической модели и пров еденных исследований создана методика разработки полупроводниковых ТЧЭ, устанавливающ ая взаимосвязь метрологических характеристик разрабатываемых элементов с параметрами МДП-структуры.

Сущность данной методики заключается в выборе с помощью полученной математической модели таких значений электрических (VG, VD), электрофизических (n, l, ND) и топологических (L0, Z, d) параметров (в пределах заданных диапазонов) разрабатываемого ТЧЭ, при которых функция преобразования I = f ( X) реализуется в заданном диапазоне D механических напряжений с максимально возможной чувствительностью, линейностью и уровнем выходного сигнала. Полученная методика позволяет выработать рекомендации по выбору таких диапазонов измеряемых величин и рабочих температур, в пределах которых разрабатываемый ТЧЭ обладает наилучшими метрологическими характеристиками.

Блок-схема, представленная на рис. 3, и приведенная последов ательность действий в рамках разработанной методики отражают основные этапы достижения поставленной цели.

1. Вначале необходимо задаться исходными данными: набор полупроводниковых материалов с определенными концентрациями примеси N ; напряD жения на выходе VD и управляющем электроде VG, диапазон значений которых определяется условиями эксплуатации и схемотехническим решением;

длина канала L0, толщина диэлектрика d и ширина канала Z, минимальные значения которых определяются уровнем выбранной технологии, а максимальные – условием задачи.

2. Расчет чувствительности. Чувствительность определяется из выражения (10) как dI / dX. Максимальное значение достигается выбором наибольших значений VD, Z и наименьРис. 3. Укрупненная блок-схема ших L0, d из заданного интервала.

методики разработки ТЧЭ 3. Определение максимальной рабочей температуры Т. Для этого необходимо определить температуру проmax боя Tпр, при которой заданное напряжение на изолированном электроде VG вызывает пробой диэлектрика.

Расчет Т может быть произведен по следующей зависимости:

пр Б VG e Tпр = -, (11) 0 SiO 2 d где Б – высота потенциального барьера, эВ; – эмпирический коэффициент.

4. Если Tпр меньше необходимой максимальной рабочей температуры, следует увеличивать d с наименьшим приращением, определяя после каждого шага Tпр и сравнивая ее значение с максимальной рабочей температурой Т. Как только Tпр станет больше Т, выбор необходимо max max прекратить, потому что при таком значении d и ранее выбранных параметрах чувствительность максимальна в данном температурном диапазоне.

5. Оценка уровня выходного сигнала с выбранными ранее параметрами. Если уровень выходного сигнала соответствует условиям задачи – переходим к оценке линейности. При неудовлетворительном уровне выходного сигнала необходимо повышать величину потенциала на изолированном электроде VG с наименьшим приращ ением. При этом после каждого шага следует пересчитывать значение Tпр. Максимальное значение уровня выходного сигнала будет получено при таком значении VG, при котором удовлетворяется условие Т Тmax.

пр 6. Оценка линейности. Для определения линейности функция (10) приводится к линейному виду с коэффициентом нелинейности K1. Коэффициент нелинейности может быть определен из следующего выражения:

Z0SiO2 nVD K1 =. (12) (1+ X / C)(1+ l X )L0d Если полученное значение коэффициента нелинейности при выбранных выше параметрах удовлетворяет условиям задачи, выбор прекращают и осуществляют вывод полученных параметров.

7. В случае неудовлетворяющей условию задачи линейности следует уменьшить диапазон измерений. Диапазон необходимо изменять с наименьшим приращением для достижения требуемой линейности, а затем провести расчет чувствительности в полученном диапазоне измерений. Если чувствительность удовлетворяет условиям, выбор прекращают и осуществляют вывод полученных параметров. Если чувствительность ниже требуемого значения, необходимо вернуться к п. 1 для выбора другого материала.

В четвертой главе проведены экспериментальная проверка адекватности математической модели на полупроводниковых ТЧЭ с заданными топологическими параметрами и анализ погрешности экспериментальных данных.

На основе полупроводниковых ТЧЭ разработаны конструкции интегральных тензопреобразователей и микропроцессорная система НК НДС материалов, предназначенная для мониторинга прочности изделий и конструкций.

С учетом анализа полученной математической модели для изготовления опытных образцов использовалась технология, включающая в себя следующие стадии: диффузию, окисление, фотолитографию, термовакуумное напыление, ультразвуковую сварку. Уровень технологии, технологические параметры и режимы влияют на точность выполнения полупроводникового ТЧЭ.

Наиболее ответственными этапами в производстве ТЧЭ являются: окисление, фотолитография, диффузия. От этих этапов зависит точность получения топологических параметров, которые по результатам анализа математической модели являются одними из определяющих точность измерений.

Опытные образцы изготавливались на кремниевых пластинах n-типа проводимости, легированных фосфором или сурьмой типа КЭФ, КЭС.

Уровень выбранной технологии изготовления полупроводниковых ТЧЭ позволял воспроизводить топологические параметры со следующими значениями абсолютных погрешностей: Z = 10–6 м; L0 = 10–6 м; d = 10–7 м.

Экспериментальная проверка достоверности результатов математического моделирования и работоспособности предлагаемой структуры полупроводникового ТЧЭ проводилась при постоянной температуре по схеме, представленной на рис. 4.

ИП + А + Рис. 4. Схема проведения эксперимента:

1 – полупроводниковый ТЧЭ; 2 – источник постоянного тока; 3 – микроамперметр;

4 – регулируемый источник питания; 5 – консольная балка Для исследования образцы полупроводниковых ТЧЭ закреплялись на консольной балке постоянного сечения, выполненной из диэлектрического материала. Один конец балки был жестко закреплен, а к свободному концу балки прикладывалась нагрузка, определяющая деформацию ТЧЭ. Длинная сторона образцов ориентировалась вдоль оси балки.

Величина механического напряжения, возникающего при деформации в месте установки ТЧЭ, определялась по известному из экспериментальной механики выражению:

3С1ah X = C1 = l, (13) 2bгде a – расстояние от центра образца до свободного конца балки, м;

h – толщина балки, м; b – длина балки, м; l – величина изгиба в вертикальном направлении, м; С1 – модуль упругости материала балки, Па.

Экспериментальные исследования, проведенные при разных напряжениях на выходе полупроводникового ТЧЭ и на управляющем электроде, подтвердили адекватность математической модели и эффективность созданной методики разработки полупроводниковых ТЧЭ.

В результате проведенного анализа погрешностей были выявлены доминирующие факторы, оказывающие основное влияние на погрешность выходного сигнала ТЧЭ. Рассчитана прив еденная погрешность измерений ТЧЭ, изготовленного по современным интегральным технологиям, составляющая не более 0,5 %.

На рис. 5, а представлена экспериментальная зависимость I = f ( X) D с различным значением потенциала на управляющем электроде, полученная при деформации полупроводникового ТЧЭ, выполненного на кремнии марки КЭФ с удельным сопротивлением = 0,1 Ом·м.

Разработано несколько вариантов конструкций интегральных полупроводниковых тензопреобразователей.

Один из в ариантов представляет собой разделенные ячейки, нанесенные на гибкую основу. Каждая ячейка представляет собой полупроводниковый ТЧЭ. Межсоединения выполня ются в пленочном варианте. Данное конструктивное решение позволяет определять деформации в деталях и конструкциях сложной геометрической формы с неровной поверхностью.

Второй вариант интегрального тензопреобразователя (рис.5, б) представляет кремниевую мембрану, на поверхности которой сформированы четыре полупроводниковых ТЧЭ (2), объединенных в мостовую схему металлизацией (3). Кремниевая мембрана устанавливается на диэлектрическую подложку (1) и помещается в металлический корпус. Применение управляемых ТЧЭ в составе тензопреобразователя позволяет упростить процедуру настройки, повысить надежность и точность балансировки тензосхемы. Следует отметить, что расположение полупроводниковых ТЧЭ на кремниевой мембране может быть изменено в зависимости от требуемой чувствительности, точности, рабочего диапазона измеряемых величин.

ID, мА VG = 15 B VG = 10 B VG = 5 B Х, Па а) б) Рис. 5. Выходная характеристика полупроводникового ТЧЭ (а) и конструкция интегрального тензопреобразователя (б) Рис. 6. Структурная схема микропроцессорной системы:

АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ППЗУ – энергонезависимая память;

RS-485, RS-232 – последовательные интерфейсы;

ПК – персональный компьютер На рис. 6 представлена структурная схема микропроцессорной системы НК НДС материалов. Основным блоком данной системы является процессор, позволяющий осуществлять балансировку тензомостов, линеаризацию и изменение диапазона выходного сигнала, диагностику состояния системы. Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов настройки и коррекции параметров системы. Наличие двух последовательных интерфейсов позволяет передавать информацию как непосредственно на персональный компьютер, так и на удаленные расстояния.

С целью повышения помехоустойчивости системы подключение каждого тензомоста выполняется по 6-проводной схеме. При этом одна пара проводов служит для питания моста, другая пара необходима для измерения подаваемого напряжения, третья пара – для измерения выходного сигнала.

В отличие от аналогов, применение управляемых ТЧЭ позволяет проводить балансировку мостовых схем в автоматическом режиме за счет организованной через ЦАП обратной связи.

Система может находиться в одном из следующих режимов:

- начальная диагностика: тест процессора, тест АЦП и ЦАП, контроль ППЗУ;

- режим «измерение»: измерение входных сигналов и передача информации по последовательным интерфейсам, постоянный контроль АЦП и ЦАП;

- режим «настройка»: настройка на используемый входной диапазон, балансировка тензосхем;

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»