Пьезорезистивные технологии на верном пути.
Автор Ханс В. Келлер, 03/2000
Будущее: У преобразователя давления, который будет доминировать на индустриальном рынке, будет кремниевый чип с интегрированной электроникой, произведенной с использованием технологии IC (Integrated circuit -Интегральная схема, а сам он будет встроен в заполненный маслом корпус с заизолированной диафрагмой.
История
40 лет назад Автор издал свою первую работу в индустрии измерения давления, в то время стоимость типичного преобразователя давления была в диапазоне от 350$ к 600$. Преобладающей технологией, с помощью которой производились измерения давления тогда были тензометрические датчики (тензодатчики; тензиометры) от Белла (BELL) и Хауэлла (Howell) а также тензодатчики от Хоттингера (Hottinger) и Болдуина (Baldwin). Компания Schaevitz также разработала технологию LVDT (англ. low-voltage differential signaling-низковольтная дифференциальная передача сигналов), емкостное сопротивление, потенциометр и электромагнитное сопротивление, на основе принципа отклоняющейся диафрагмы. Кроме того были десятки других систем измерения, также были представлены на рынке, но имели лишь небольшую долю.
Эти технологии в большинстве случаев были или слишком дороги или не обладали необходимой стабильностью.
В начале 60-ых «Statham» произвёл первые тонкоплёночные датчики с хорошей стабильностью и они сразу появились на рынке по приблизительно той же самой цене, как и уже существующие тензометрические датчики. Это и было началом прорыва для развития технологии этого типа. К большому снижению цен для массового рынка это, к сожалению, не привело.
Спрос на недорогие, устойчивые датчики, однако, не мог быть проигнорирован. В их исследовании и разработке также шло бурное развитие. Большинство было основано на пьезорезистивном эффекте, открытом и изданном «Pfann и Thursten». «Фактор Меры» (изменение сопротивления с изменением длины) для металлических проводов составляет ~ 2 и главным образом вызван расширением и «прореживанием» провода под напряжением с добавлением незначительного пьезорезистивного эффекта (изменение удельного сопротивления с напряжением).
Однако, пьезорезистивный эффект в легированных резисторах полупроводника может быть до 50 раз больше, давая Факторы Меры ~100.
Было сделано множество улучшений по технологическому процессу преобразования хрупких материалов полупроводника в тонкие усики (и получения полупроводникового тензометрического датчика) и их связи с ходовой частью, такой как диафрагма или гибкая перекладина. Ряд компаний, которые справились с этой трудной проблемой, такие как Data Instruments, Sensometrics and Microgauge, все еще предлагают эту технологию сегодня.
Исследователи стали полны энтузиазма, когда, в 1964 первый планарный транзистор появился на рынке– это было начало технологий интегральных схем (IC), и целые резистивные мосты теперь могли поместиться в небольшую кремниевую схему. Было много попыток в это время, присоединить эти маленькие плоские платы на металлическую диафрагму или подобный материал. Такие известные компании, такие как Philips «высовывали шею и терпели провал за провалом». Эти неудачи создали перед развитием пьезорезистивной технологией непреодолимые препятствия, а также усилили и общее убеждение в том, что только тонкопленочные датчики могут быть действительно устойчивыми. Эта тенденция порой наблюдается и в наши дни…
Honeywell впервые предложил идею использовать кремниевый чип с диффузионными резисторами в качестве диафрагмы давления. Теперь крошечная хрупкая диафрагма должна быть связана с носителем, сделанного из стали или стекла.
Проблема связующих материалов, так сильно отличающихся, как кремний и сталь, была частично преодолена, потому что элементы датчика находились только косвенно под влиянием усилий корпуса, и большинство этих усилий могло быть устранено пространственным расположением резисторов на диафрагме. Тони Керц покинул Honeywell на этом этапе технологии и отдельно основал компанию Kulite. Драг, в Англии также основал их компанию на этой технологии.
Большой прорыв в области исследований пьезорезистивных технологий был сделан в связи с изобретением воспроизводимых, интегрированных, однородных измерительных ячеек кремния, на которые Honeywell обладает авторским правом и имеет оригинальный патент. Было сразу предсказано, что эти датчики давления могут производиться дешевле и в больших количествах. «Art Zias» перенял эту технологию Honeywell для компании National Semiconductor, которая ожидала, что эта технология выведет компанию на дорогу большого бизнеса. Первое крупное производство для этих измерительных ячеек, однако, было запущено компанией Delco для MAP датчиков (Manifold Pressure-измерение давления в коллекторе). В 1966 году американским Конгрессом был принят документ об экологическом мониторинге за автотранспортом (англ. Clean Air Bill), который ограничил максимальный разрешённый объём сброса загрязняющих веществ автомобилей. Специалисты с автомобильной промышленности потребовали отсрочки, потому что технологии, и прежде всего экономическими выгодные датчики всё еще не были доступны.
В начале 70-х годов, первые автомобили появились на рынке с электронными системами управления и датчиками из кремния, выполненные на основе MAP-технологии (MAP-Sensor), нормы эксплуатации которых соответствовали вышеупомянутому документу Clean Air Bill.
Кремниевые датчики были встроены в автомобили либо без защиты, либо с защитой из силиконовой пленки. Такой способ защиты оказался не достаточен для применения их в промышленности и для измерений уровней веществ. Компания National Semiconductor оказалась в нерешительном состоянии в вопросе о том, как продукт должен быть доведен до промышленного рынка. Например, покрытие Parylene стало позиционироваться как отличный водонепроницаемый слой всего после 6 месяцев его успешного использования! Руководство по использованию преобразователей уровня от National Semiconductor было написано примерно следующее — “ Вы берете резиновую перчатку, заполняете её кремнием/силиконом или оливковым маслом, приделываете к перчатке кабель с датчиком и электронную схему, связываете всё это воедино и опускаете в соус». В реальности, однако, было много гениального в справочнике, и, в соответствии с заявлением ArtZias, доходы компании National Semiconductor некоторое время были выше от продажи книг, чем от продажи измерительных ячеек. Это ясно даёт представление о том, сколько пытливых умов было занято изучением измерения давления с использованием сенсорных технологий!
В последней отчаянной попытке, компания»National Semiconductor» начала рекламную кампанию под лозунгом: «Совершенно новый способ измерения давления: „голого“ датчика кремния для этого достаточно». Автор пародировал давнее высказывание: «Совершенно новый способ заниматься любовью: Голыми». Неспособность американских производителей разработать защитный корпус для кремниевых датчиков позволила новым технологиям развиваться в индустрии. Аналогичная тенденция наблюдалась также в автомобильной промышленности: емкостные керамические измерительные ячейки от «Kavlico», (которые также производятся сегодня «Texas Instruments») выпускались в количестве миллионов штук.
Европейцы и японцы были не намного умнее. В Европе, Magnetti-Marelli (Fiat) разработали керамические толстопленочные тензометрические измерительные ячейки, которые, однако, уступали по всем показателем емкостным измерительным ячейкам. Технологически говоря, это происходит из-за неустойчивости, вызванной влиянием в точке сцепления керамики и чувствительного элемента, а также чрезвычайно высокого сопротивления моста. Здесь снова, опыт кремниевой технологий был не учтён. Из Японии поставлялся продукт от «NipponDenso», где давление на голый датчик кремния подаётся сзади, что позволяет защитить электронику и сам датчик слоем геля. Но в таком случае датчик по-прежнему будет подвергаться атмосферному давлению. Кроме факта, что датчики абсолютного давления могут едва ли быть произведены вообще, анализ автора по созданию преобразователей давления создает такое же впечатление беспомощности, как было показано «National Semiconductor».
Настоящее и будущее
В 1993 году, в статье «Маркетинг датчиков давления», специально изданной для торговой ярмарки «Trade Fair News» было предсказано следующее: «Рано или поздно, позиции на рынке будут определять конкуренция технологий. Мы считаем, что на рынке большинство промышленных измерительных приборов, работающих в диапазоне от 10 Мбар до 1 бар, будет выпускаться на основе емкостных керамических ячеек. В диапазоне от 1 бар до 1000 бар будут доминировать приборы, выполненные на основе пьезорезистивных технологий монолитного кремния (IC). Другие технологии будут востребованы только на нишевых рынках, поскольку, например, технологический процесс, используемый при производстве тонкопленочных датчиков, экономически не выгоден для очень крупных проектов из-за своей дороговизны».
Это было написано в 1993 году! В некоторых областях — таких, как охлаждающая компрессорная техника — кремниевой пьезорезистивной технологии удалось сломить господство емкостной керамической технологии, которая ранее доминировала на рынке. Но, тем не менее, емкостные керамические датчики используются в большом объеме для разработки и внедрения различных автомобилестроительных проектов. Тем не менее, мы отвечаем за свои ранее сделанные обязательства и заявления.
Keller AG представляет новый кремниевый пьезорезистивный преобразователь (рис. 1), которые, на наш взгляд, имеет основные технологические преимущества по сравнению с емкостным керамическим сенсором. Возможно, в будущем эта технология сможет доказать своё превосходство, даже в сложной автомобильной промышленности.
Создание корпусов с разделительной диафрагмой было центральной темой KELLER AG с момента своего основания 40 лет назад. Сегодня «Keller»наладил процессы по изготовлению корпусов для кремниевых датчиков, затраты на изготовление которых сопоставимы с затратами на производство керамических корпусов. В запатентованном процессе, непрерывный, ленточный конвейер печи припаивает последовательно за одну операцию латунный корпус, стальную вставку и никелевую диафрагму. Этот процесс может быть полностью автоматизирован.
Что касается электроники и её регулирования, ни одно ценовое преимущество не может быть определено ни для какой-либо технологии. Точность электроники также больше не имеет значение. Высокая стабильность и использование специфических пользовательских схем ASIC (аббревиатура от англ. application-specific integrated circuit, «интегральная схема для специфического применения») может компенсировать неточности.
Преимущества и недостатки, поэтому определяется только расходами, связанными с производством самих датчиков и корпусов для них.
Тем не менее, в то время как 5000 кремниевых датчиков может поместиться на одной 6-дюймовой кремниевой пластине, 10 больших лотков необходимо для 5000 керамический ячеек. 5000 кремниевых датчиков проходят через различные процессы скрининга (тщательная проверка, сортировка, фильтрация, отбор) одновременно и вместе, в то время, 5000 керамических датчиков должны пройти эти процессы индивидуально.
Монтаж кремниевых датчиков на заголовке TO5 с проходными стеклянными вводами завариваются в корпус, аналогично упаковки транзисторов. Все процессы автоматизированы, при этом используются машины из полупроводниковой промышленности, такие как «DieBonding» и «automatic Wire Bonding», которые улучшаются с каждым годом. Окончательная сборка осуществлялась с помощью сварки, которая проводилась ниже слоя масляного наполнения. Целесообразность такой технологии была доказана на протяжении 25 лет.
В итоге кремниевый датчик защищён от всех неблагоприятных воздействий герметичной камерой с маслом. Единственные материалы, находящиеся в контакте с измерительной средой — это металл (нерж. Сталь, Титан, Хастеллой).
Наоборот, керамический датчик запечатан в корпус с уплотнительным кольцом, которое должно быть выбрано в соответствии со средой, в которой измеряется давление. Это значит, что одно и то же уплотнительное кольцо не может быть использовано одновременно как для измерения давления в горячей воде, так и в бензине. Кроме того, уплотнительное кольцо всегда является потенциально слабым местом. Компания «Envec» (Endress+Hauser Group) попыталась успокоить клиентов с помощью рекламной кампании со следующим заявлением:
Датчики давления могут сломаться только через 5 лет, а футбольный клуб Бавария-Мюнхен «Bayern Munchen» может перейти с низшую лигу уже в следующем году.
Чтобы быть точным, компании «Envec» следует переквалифицировать это заявление и сказать: Преобразователи давления с керамической измерительной ячейкой с уплотнительным кольцом выйдет из строя уже через 5 лет. Заявление компании «Envec» только обобщает общую проблему, характерную для их технологии. Но оставим это в стороне…
В настоящее время, большая часть материальных затрат на производство преобразователя связана с использованием соответствующей высокоточной и высокотехнологичной электроники. Тем не менее, дальнейшее сокращение затрат можно предвидеть с вводом пьезорезистивной технологии. Сегодня уже есть пьезорезистивный датчики от «Bosch и Fuji», с регулируемой интегрированной электроникой в пьезорезистивный кремниевый чип. Регулировка осуществляется путем лазерной подгонки на поверхности чипа. В настоящее время ведётся работа над подобными схемами, где адаптация микросхемы осуществляется через интерфейс выводов изнутри самой масляной камеры.
Суммарная плотность IC технологии растет так быстро, что, по нашим оценкам, через 10 лет датчик давления, усилители и цифровые компенсации с A / D и D / A конвертерами могут быть интегрированы на пьезорезистивный кремниевый чип с затратами в размере всего $1 на единицу экземпляра. Тогда полный собранный преобразователь с электроникой будет оптимально защищен в масляном корпусе и емкостные вводы из стекла автоматически гарантируют отличную защиту по EMC.
40 лет назад мы были нацелены на получение датчика с точностью 2% и себестоимостью $10
В течение следующих 10 лет наша цель это получение датчика с точностью 0,1% и себестоимостью $5
