УДК 681.208
АГАФОНОВА Н.А., СОКОЛОВ Л.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПЛОЛОЖЕНИЯ ЭКСТРЕМУМОВ
ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ
МЕМБРАННОЙ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЕВЫХ
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Е-ТИПА
ИГЭУ, 153003, Россия, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34,
Тел. (4932)385715, факс: (4932)542528,
e-mail: agafonova@math.ispu.ru
ФГУП НИИ Авиационного Оборудования,
140182, Россия, Московская обл., г. Жуковский-2. ул. Туполева, 18,
Тел. (495)5565848, факс: (495)5567640, e-mail:galiap@niiao.com
Элементы технической структуры автоматизированной системы
управления (АСУ) совместно с общесистемным и фирменным про-
граммным обеспечением программно-технических комплексов (ПТК)
образуют единую информационно-техническую среду, в которой реа-
лизуются в виде прикладного программного обеспечения алгоритмы
функций контроля и управления системы. Информационный масштаб
функциональных подсистем технической структуры создаваемой АСУ
определяется числом датчиков и исполнительных устройств. Значи-
тельная часть датчиков, используемых в промышленности, морально и
физически устарела и несовместима с современными ПТК. Современ-
ные управляющие системы требуют высокоточных, надёжных, по-
требляющих минимальную энергию и при этом дешевых сенсорных
устройств с нормализованным выходным сигналом, совместимым для
последующей обработки с микропроцессорной техникой. Таким тре-
бованиям в наибольшей степени отвечают сенсорные твёрдотельные
микроустройства, в частности, интегральные полупроводниковые сен-
соры, которые являются важнейшими компонентами интеллектуаль-
ных технических систем.
Необходимость совершенствования полупроводниковых сенсо-
ров, их физико-механических параметров точности измерений, потре-
бовали разработки новых методов проектирования и новых способов
прецизионного формирования трёхмерных микромеханических струк-
тур в кремнии, являющимся основным функциональным и конструк-
ционным материалом сенсоров и микросистем.
В [1] представлена методология оптимизации конструкции и
топологии пьезорезистивных сенсоров давления с трёхмерными мик-
ромеханическими мембранными структурами Е-типа на базе экспери-
ментального исследования распределения упругих напряжений на по-
верхности
преобразователя в реальных условиях его неразъёмного соединения и
защемления опорным элементом.

Согласно разработанному методу данные об упругих напряже-
ниях выражались через величину относительного изменения сопро-
R

тивления
тангенциальных периферийных (ТП) пьезорезисторов в
R
матрице и одного тангенциального центрального (ТЦ) по координате
Х в зависимости от величины статического номинального давления.
Продольные оси ТЦ- и ТП-пьезорезисторов ориентированы в направ-
лении максимальной тензочувствительности (110) на плоскости крем-
ниевой мембраны (100).
Экспериментально было установлено, что при равномерно рас-
пределённой нагрузке на поверхности тестовых матричных кристаллов
мультисенсоров с различным геометрическим фактором кремниевой
мембранной структуры Е-типа тензочувствительность пьезорезисторов
зависит от их расположения по координате Х в области мембраны и за
её пределами.
Исследования проводились для пяти типоразмеров трёхмерной
кремниевой мембранной структуры Е-типа с конструктивными пара-
метрами 2a, b
2 и h в интервале номинальных давлений р от
50 кПа до 1000 кПа.
При проведении экспериментов установлено, что за краем
кремниевой мембранной структуры наблюдается нарастание упругих
напряжений и существует максимум тензочувствительности пьезоре-
зисторов, смещённый по координате Х в периферийную область мем-
браны. Причем положение точки максимума по координате Х зависит
от конструктивных особенностей мембранной структуры и не зависит
от значения номинального давления при фиксированных значениях
2a, b
2 и h . Каждый из типоразмеров микромеханической структуры
b
учитывается безразмерным геометрическим фактором k = h
, вве-
2
a
дённым в [1].
R

Поведение изменения относительного сопротивления
в за-
R
висимости от геометрического фактора k при номинальном давлении
50 кПа показано на рис.1.
При увеличении геометрического фактора k повышается жёст-
кость мембраны на изгиб. При уменьшении k, т.е. уменьшении разме-
ров жёсткого центра, точка максимума смещается в периферийную
область, которая определяется по координате Х условием: X X max ,
где X
475 мкм при заданных размерах кристалла, максимальном
max =
значении параметра а, минимальных размерах жёсткого центра, опре-
деляемого параметром b, и наибольшей глубине травления.



P=50 кПа

Рис.1.
изменение
R
2,5
R
относительного со-
R

2
противления
в
R
1,5
k=0,0105
зависимости от гео-
k=0,020
1
метрического факто-
k=0,031
ра k при номиналь-
0,5
ном давлении 50 кПа
0
Х,

671
623
575
527
479
431


Положение точки максимума Х функции относительного сопро-
R

тивления
при изменении конструктивных параметров мембранной
R
структуры по отношению к границе X
периферийной области
max
показано на рис.2.


Х
600

мкм
Рис.2.
Положение
500
точки максимума при
400
X
изменении конструк-
300
Xmax
тивных
параметров
200
мембранной структу-
ры
100

0
0,0105
0,02
0,031


Таким образом, результаты исследования расположения экстре-
мумов тензочувствительности позволяют оптимизировать микромеха-
ническую конструкцию кремниевых преобразователей Е-типа по мак-
симальной тензочувствительности на ранней стадии проектирования
датчиков.

1. Соколов Л.В. Физико-технические основы проектирования крем-
ниевых интегральных мультисенсоров давления-температуры, пье-
зорезистивных сенсоров давления с трехмерными микромеханиче-
скими мембранными структурами для микросистемной техники.
Автореферат дисс. на соискание уч. степ. докт. техн. наук. Москва,
МАИ, 2003. 48 с.


Document Outline