Полупроводниковые резисторы - не понимаю физику Опции

[x83]

Добрый день коллеги!

Возможно тема не по адресу, но мне кажется эта ветка наиболее подходящей.т
Столкнулся с пролемой, и не могу понять физику процесса.

Есть тензорезистивный чувствительный элемент, изготовленный по тонкопленочной полупроводниковой технологии.
Чувствительный элемент образован мостом Уитстона на сапфировой подложке. Резисторы формируются кремниевым эпитаксиальным слоем.
Сопротивление отдельного резистора ~4 кОм. Сопротивление изоляции ~10 ГОм. Чувствительный элемент избыточного типа с верхним пределом измерения 40МПа.

При испытаниях на долговременную стабильность выходного сигнала обнаружил следующее поведение:
Чувствительный элемент помещен в термокамеру, установлена стабильная температура +25. Мост запитан стабильным напряжением +5В. Избыточное давление к чувствительному элементу не приклаыватеся (т.к. измерения идут при атмосферном давлении).
Для измерения используется прибор Agilent 34401.
На выходе измеряем нулевой сигнал, из-за технологического разбора параметров начальный сигнал имеет некоторое начальное смещение.
Измерения проводятся в течении нескольких суток с интервалом 15 секунд.

Обнаружено, что в течении первых суток происходит сильный уход начального сигнала (величина ухода несколько сотен микровольт). Причем если отключить питание моста, и через некоторое время вновь провести измерения картина полностью повторяется.
Для исключения особенностей измерительного тракта в камеру был помещен мост, изготовленный из постоянных резисторов. Там все линейно и никаких дрейфов нет.
Чуствительные элементы прошли предварительную электротермотренировку в течении 50 часов.

Эксперимент проводился одновременно на 10 образцах чувствительного элемента + два моста из постоянных резисторов.
Во всех случаях результаты повторяют приведенные ниже картинки (Ось абсцисс - время в часах, ось ориднат - напряжение моста в мВ. Переменное питание это смена полярности питания раз в минуту, измерение происходит всегда в одной полярности).

Эксперимент в течении 5 суток, каждые сутки изменяли порярность питания.


Чем объясняется столь сильный дрейф сигнала во времени?

Сообщение отредактировал x83 - Apr 19 2017, 07:32

[Shivers]

Может, у Вас мемристор получился? Его сопротивление как раз меняется во времени, в случае превышения приложенного напряжения выше некоторого порога.

[alexunder]

Есть ли засветка паразитная? Такие резисторы весьма фоточувствительны (фоторезисторы по сути).

[x83]

Есть ли засветка паразитная? Такие резисторы весьма фоточувствительны (фоторезисторы по сути).

Прямой засветки нет.
Сам кристалл припаивается к приемной мембранне, затем на него развариваются проводники, и все это сверху закрывается печатной платой на которую устанавливаются внешние резисторы для термокомпенсации моста. На той же плате находятся контактные площадки для подключения к тензомодулю.

Мне кажется что виляние засветки имело бы хоть какую-то корреляцию со временем суток.

Может, у Вас мемристор получился? Его сопротивление как раз меняется во времени, в случае превышения приложенного напряжения выше некоторого порога.

Интересная гипотеза. Правда пока не очень понимаю как можно организовать эксперимент для проверки.


Сообщение отредактировал x83 - Apr 19 2017, 18:40

[EUrry]

1) Мост изготовлен на единой подложке, в едином технологическом цикле?
2) Может быть ионные примеси "плывут" под напряжением (мощность вроде небольшая, чтобы стабильность нарушалась за такое время)?

[x83]

1) Мост изготовлен на единой подложке, в едином технологическом цикле?
2) Может быть ионные примеси "плывут" под напряжением (мощность вроде небольшая, чтобы стабильность нарушалась за такое время)?

1. Да, изготовление идет в одном цикле, на единой подложке. Технологоия КНС.
2. В тонкостях тех. процесса я не спец. О том как именно происходит процесс осаждения кремния и дуффузия примесей имею лишь поверхностное представление.

Проанализировал данные по другим чувствительным элементам. Обнаружил, что у сенсоров с другой топологией кристалла дрейф сигнала на продок меньше. Изменение показаний не превышает 10 мкВ.

[EUrry]

Еще один вариант. Руками, например, элемент не запачкали? Хотя, если их много, то вряд ли такая повторяемость нестабильности была бы для этого варианта. Но можно попробовать отмыть как следует и просушить.
Топология на тензоэффект как минимум должна влиять.
А так, почему с полупроводниками связались? Мне кажется обычная резистивная тонкая пленка тоже тензорезистивный эффект должна показать. Вопрос с каким коэффициентом, конечно, но зато без "полупроводникового геморроя".

[alexunder]

1. Да, изготовление идет в одном цикле, на единой подложке. Технологоия КНС.
2. В тонкостях тех. процесса я не спец. О том как именно происходит процесс осаждения кремния и дуффузия примесей имею лишь поверхностное представление.
Проанализировал данные по другим чувствительным элементам. Обнаружил, что у сенсоров с другой топологией кристалла дрейф сигнала на продок меньше. Изменение показаний не превышает 10 мкВ.

Обычный SOI, толщина кремния 1-5 микрон наверное? В кремнии не может быть никаких ионных токов при нормальных условиях (RT, низкие эл. поля), т.е. нечему там "плыть". А вот снаружи могут быть загрязнения от пайки и прочих манипуляций сродни с печатными платами, где остатки всякой дряни на поверхности при наличии влаги создают ионные токи. Длительность процесса устаканивания на ваших картинках как раз похожа на перенос ионов.

[x83]

А так, почему с полупроводниками связались? Мне кажется обычная резистивная тонкая пленка тоже тензорезистивный эффект должна показать. Вопрос с каким коэффициентом, конечно, но зато без "полупроводникового геморроя".

Результат конверсии в лихие 90е, когда спец. МС стали никому не нужны, ну и имевшуюся технологию приспособили для нужд народного хозяйства.

Кремний 5 микрон. Никаких p-n переходов в структуре не предусмотрено. Была гипотеза, что слой аллюминия создает барьер Шотки, но пока не подтверждения этому не нашли.

По поводу внесения загрязнений надо проводить проверку на производстве. По идее там четко регламентирована вся технология и операции отмывки. Ну и на основной серийной продукции таких эффектов нет.

Как вариант загрязнения происходят на этапе разварки проводников на контактные площадки. С другой стороны, на той же установке развариваются и другие изделия.

[pav2051]

Если резисторы из поликристаллического кремния, то при прохождении через них тока выше некоторой пороговой плотности может наблюдаться эффект изменения сопротивления. Это связано с изменением свойств границ между кристаллитами (монокристаллическими гранулами). Физика этого явления до сих пор полностью не ясна, но этот эффект имеет место быть. Я когда-то занимался изучением этого эффекта как раз с целью применения для подстройки начального разбаланса моста в интегральных датчиках давления.

[x83]

Множественные опыты и проверки показали что тех.процесс и производсто тут не при делах. Основной рабочей гипотезой осалась особенность топологии кристалла.
Анализ статистики по всем изделиям показал, что наилучшие результаты у топологии, в которой большие зазоры между кремниевыми шинами моста. И самый плохой результат соответственно у топологии, в которой кремниевые шины имеют малый зазор между друг другом.

В производстве у нас кристаллы по двум технологиям идут: есть изделия КНС (резисторы соответственно из монокремния), а есть кристаллы на поликремниевой подложке (поликремниевые резисторы в топологии). Так вот на поликремниевых сеносорах результаты лучше чем на КНС.

[pav2051]

Множественные опыты и проверки показали что тех.процесс и производсто тут не при делах. Основной рабочей гипотезой осалась особенность топологии кристалла.
Анализ статистики по всем изделиям показал, что наилучшие результаты у топологии, в которой большие зазоры между кремниевыми шинами моста. И самый плохой результат соответственно у топологии, в которой кремниевые шины имеют малый зазор между друг другом.

В производстве у нас кристаллы по двум технологиям идут: есть изделия КНС (резисторы соответственно из монокремния), а есть кристаллы на поликремниевой подложке (поликремниевые резисторы в топологии). Так вот на поликремниевых сеносорах результаты лучше чем на КНС.

Интересно. Может, тут дело в механических напряжениях, возникающих в тензочувствительных элементах. Чем меньше зазоры между элементами - тем сильнее механические напряжения, которые могут релаксировать со временем.

[count_enable]

Я очень слабо разбираюсь в технологии ИС и тензодатчиках, но как я понял под напряжением мост "ползёт" и непонятно ползёт ли он механически (внутренние напряжения кристалла) или электрически (изменение сопротивления). Есть ли возможность контролировать геометрию ИС внешним измерением? Чисто интуитивно если бы проблема была бы электрической то она проявлялась бы во всех резисторах равномерно, а здесь налицо анизотропия.