МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА Волков В.С.,Французов М.В.

Пензенский государственный университет


Номер: 12-2
Год: 2015
Страницы: 67-69
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

пленка поликристаллического алмаза, чувствительный элемент, полупроводниковый датчик давления, polycrystalline diamond film, sensing element, semiconductor pressure sensor

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Обосновано применение поликристаллических алмазных пленок алмаза для создания полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления. Приведены результаты численного моделирования характеристик балки и круглой плоской мембраны на основе кремния и поликристаллического алмаза.

Текст научной статьи

В современной технике широкое распространение получили полупроводниковые тензорезистивные датчики давления [1, 51; 2,24; 3, 64; 4, 49]. Необходимость сохранения высоких метрологических и эксплуатационных характеристик датчиков т в условиях ужесточающихся требований со стороны внешних воздействующих факторов требует применения новых материалов для изготовления чувствительных элементов (ЧЭ), поэтому актуальной является задача поиска материала, превосходящего кремний по механическим и электрофизическим параметрам [1, 51; 2,25; 3, 64; 4, 50 5,75; 6,36; 7,13]. В первую очередь, к таким материалам относится алмаз, являющийся широкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 5,4 эВ [8, 469]. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) α поликристаллического алмаза, в диапазоне от 20 °С до 500 °С определяется зависимостью , где T - температура в °С [6, 5]. Зависимость ТКЛР алмаза от температуры представлена на рисунке 1. Рис. 1 - Зависимость ТКЛР алмаза от температуры Модуль Юнга для поликристаллических алмазных пленок равен 1143 ГПа, при этом он стабилен в диапазоне температур до 750 °С [8, 8]. Современная технология позволяется получать методом CVD поликристаллические алмазные пленки, обладающие целым рядом достоинств по сравнению с кремнием [8,8; 9,344]. В настоящее время для исследования и оптимизации характеристик МЭМС-датчиков широко используется математическое и численное (имитационное) моделирование [10,20; 11,21; 12,50, 13,36; 14,61]. Для сравнения механических характеристик ЧЭ, изготовленных из кремния и алмаза, было проведено численное моделирование напряженного состояния. Параметры ЧЭ и материалов приведены в таблицах 1 и 2. Таблица 1 Параметры материалов Предел текучести (109 Н/м2) Модуль Юнга (ГПа) Плотность (г/см3) ТКЛР (10-6/К) Алмаз 53 1050 3,52 1,0 Кремний 7 190 2,3 2,33 Таблица 2 Параметры ЧЭ Тип ЧЭ Габаритные размеры Значение нагрузки Тип нагрузки Круглая мембрана Ø 3×0,015 мм 103 Па Давление Консольная балка квадратного сечения 0,5×0,02×0,02 мм 105 Н/м2 Распределенная по ребру сечения сила Результаты моделирования представлены в таблицах 3 и 4. Таблица 3 Результаты моделирования ЧЭ в виде круглой мембраны Материал Максимальное полное напряжение, МПа Максимальное радиальное напряжение σr, МПа Максимальное тангенциальное напряжение σj, МПа Максимальный прогиб, мкм Максимальная радиальная деформация εr, 10-5 Максимальная тангенциальная деформация εj Кремний 6,8 -8 4 - 1520 -4,3×10-5 1,7×10-5 Алмаз 7,4 7,8 4 - 270 -7,4×10-6 3,5×10-6 Таблица 4 Результаты моделирования ЧЭ в виде консольной балки Материал Максимальное полное напряжение, МПа Максимальное нормальное напряжение, МПа Максимальный прогиб, мкм Максимальная деформация Кремний 13,5 13,5 -670 7,9×10-5 Алмаз 14,5 15,1 -118 1,4×10-5 На основании результатов моделирования максимальная нагрузка для вышеописанных ЧЭ из условия двукратного запаса прочности для кремния составила 2,5 107 Па, для алмаза 1,5 108 Па. Следовательно, результаты моделирования подтверждают перспективность использования поликристаллических алмазных пленок для создания ЧЭ датчиков давления с улучшенными характеристиками.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.