Микроэлектронный механоэлектрический датчик

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании интегральных полупроводниковых датчиков давления. Цель изобретения - уменьшение размеров, повышение линейности и чувствительности. Упругий элемент датчика выполнен из монокристаллической пластины кремния ориентации { 100 } в виде прямоугольной мембраны. Мембрана состоит их жесткого основания и деформируемой части, которая отделена от основания двумя щелевыми отверстиями. Деформируемая часть включает гибкие участки, получающиеся за счет выполнения канавок по направлению < 110 >, и две жесткие области в виде островков. С планарной стороны мембраны на гибких участках расположены диффузионные тензорезисторы, ориентированные вдоль направления < 110 >. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании интегральных полупроводниковых датчиков давления. Цель изобретения - уменьшение размеров, повышение линейности и чувствительности преобразования. На фиг. 1 показан упругий элемент датчика давления. Упругий элемент выполнен из монокристаллической кремниевой пластины ориентации { 100} в виде перфорированной мембраны, включающей жесткое основание 1, жестких областей 2 в виде островков и тонких деформируемых участков 3 в виде канавок. Основание 1 отделяется от областей 2 и участков 3 узкими щелями 4. С планарной стороны кристалла на участках 3 расположены диффузионные тензорезисторы 5. Введение сквозных щелей позволяет избавиться от тонких частей мембраны, используемых для создания напряженного состояния, близкого к цилиндрическому изгибу, и за счет этого уменьшить площадь кристалла чувствительного элемента в 1,3-1,5 раза. Наличие боковых щелевых отверстий позволяет также устранить паразитное влияние боковой заделки мембраны на напряженное состояние гибких участков-канавок, на которых расположены тензорезисторы, т. е. получить лучшее согласование коэффициентов преобразования тензорезисторов разного знака чувствительности и благодаря этому улучшить линейность преобразования всего датчика. Кроме того, величина механических напряжений и, следовательно, чувствительность к измеряемому воздействию для упругого элемента в виде бесконечно длинной прямоугольной мембраны, как и для мембраны, отделенной с двух сторон от жесткого основания за счет уменьшения жесткости в 2-3 раза превышает уровень напряжений, а значит чувствительность к измеряемому воздействию упругого элемента в виде жесткозащемленной мембраны, форма которой как, например, в прототипе близка к правильной, т. е. к форме квадрата или круга. Устройство работает следующим образом. При механическом воздействии на одну из сторон упругого элемента происходит его изгиб в основном по гибким участкам 3, а жесткие области практически не деформируются. Деформация мембраны с помощью тензорезисторов 5 преобразуется в выходной электрический сигнал. Щели 4, отделяющие деформируемый упругий элемент от жесткого основания 1, позволяют устранить влияние боковой части заделки мембраны и за счет этого уменьшить площадь кристалла чувствительного элемента и улучшить согласование напряженных состояний тензорезисторов, расположенных в центральной области и боковых участках (канавках), т. е. улучшить линейность преобразования датчика. Кроме того, щелевые отверстия 4 уменьшают жесткость упругого элемента и дополнительно увеличивают коэффициент преобразования внешнего измеряемого воздействия в механические напряжения в областях гибких участков 3. В качестве примера реализации предлагаемого устройства из исходной кремниевой пластины КЭФ-4,5/0,1 ориентации (001) толщиной 300 мкм был изготовлен кристалл чувствительного элемента датчика давления с внешним размером кристалла 6x х 6 мм. С помощью операций двухсторонней фотолитографии и анизотропного травления пластины в водном растворе КОН в кристалле сформирована прямоугольная мембрана размером 2,5 х 2,7 мм и толщиной 35 ± 2 мкм с двумя утолщениями размером 2,5 х 1,1 мм, причем стороны мембраны и канавки между жесткими областями ориентированы вдоль направлений семейства <110>. С помощью стандартных операций полупроводниковой технологии на планарной стороне кристалла сформированы четыре диффузионных тензорезистора с номинальным сопротивлением 10 кОм, объединенные в мостовую схему Уитстона, и алюминиевые контактные площадки, позволяющие осуществить разводку электрической схемы датчика. Щелевые отверстия шириной 2-5 мкм выполнены с помощью анизотропного травления кремния в растворе этилендиамина с планарной стороны кристалла с использованием пиролитического окисла кремния в качестве защитной маски. Кристалл чувствительного элемента датчика крепился в стандартном корпусе ИС, после чего осуществлялись разварка внешних электрически выводов и крепление штуцеров для подачи давления. Испытания макетных образцов описанных датчиков позволили определить величину их номинального выходного сигнала. При уровне нелинейности 1% и величине динамического давления (0,45-0,5) ^. 10⁵ Па номинальный выходной сигнал датчика составил величину 39-47 мВ/В пит. (56) Патент США N 4166269, кл. G 01 L 1/22, 1979. Патент США N 4065970, кл. G 01 L 1/22, 1977.

Формула изобретения

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий выполненный из монокристаллической пластины кремния ориентации { 100 } , жесткое основание, мембрану с двумя жесткими областями в виде островков, отделенных друг от друга и от жесткого основания, ориентированными вдоль направления < 110 > канавками, образующими тонкие гибкие участки, на которых с планарной стороны кристалла расположены тензорезисторы, ориентированные вдоль направления < 110 >, отличающийся тем, что, с целью уменьшения размеров, повышения линейности и чувствительности преобразования, мембрана выполнена прямоугольной с двумя узкими щелевыми отверстиями, параллельными друг другу и перпендикулярными направлению канавок, причем щели с двух сторон отделяют жесткие области вместе с канавками от жесткого основания по всей длине деформируемого упругого элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1