Датчик давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления и способам его изготовления. Целью изобретения является уменьшение габаритов и повышение технологичности. Датчик давления содержит полупроводниковый кристалл 1 с мембраной 8 и диффузионными тензорезисторами 3. На периферии кристалла 1 расположены контактные площадки 5 и 6, соединенные коммутационными участками 4 с мостовой схемой. На наружной поверхности кольца держателя 2 располагаются компенсационные элементы резистор 9 и металлизация в виде токоведущих проводников 11, на кольцевых участках 12 которых нанесен припой в виде перемычки 10 на нижней, и в виде пленки на верхней. К верхнему концевому участку металлизации припаяны электрические выводы 13. В процессе изготовления датчика на поверхности изоляционного кольца формируют пленочные резисторы и токоведущие пленочные проводники, наносят слой припоя, соединяют кольцо и кристалл, замеряют характеристики датчика и настраивают его путем избирательного испарения лучом лазера участков резисторов, сформированных на кольце. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным преобразователям неэлектрических величин, и может быть использовано при конструировании и производстве миниатюрных полупроводниковых и металлопленочных датчиков. Известен электромеханический преобразователь, содержащий полупроводниковую мембрану, корпус-держатель, соединенный с мембраной, и электрические выводы, проходящие внутри корпуса-держателя. Недостатками устройства являются увеличенные габариты и малая технологичность из-за наличия дополнительных контактных площадок и электрических выводов. Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является тензометрический преобразователь давления, содержащий кристалл из полупроводникового материала с мембранной областью, на которой сформированы тензорезисторы и коммутационные участки, соединенные с периферийными контактными площадками, кольцо-держатель, соединенный с кристаллом. Недостатками устройства являются: увеличенные габариты и малая технологичность из-за необходимости монтажа внешних подгоночных элементов, размещаемых в корпусе или кабельной перемычке датчика. Известен способ изготовления тензометрического преобразователя, включающий изготовление полупроводникового профилированного чувствительного элемента, его закрепление в корпус-держатель, монтаж электрических выводов и подгоночных пленочных резисторов, подгоняемых лазером. Недостатками способа являются повышенная трудоемкость и нетехнологичность из-за дополнительных операций по монтажу и разварке подгоночных элементов-резисторов. Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ изготовления преобразователя давления, включающий формирование на полупроводниковой мембране тензорезисторов, коммутационных участков и контактных площадок, соединение основания с кольцом-держателем. К недостаткам способа можно отнести низкую технологичность изготовления (монтаж навесных элементов), которая не позволяет автоматизировать процесс сборки и настройки преобразователей. Целью изобретения является уменьшение габаритов и повышение технологичности изготовления. Поставленная цель в устройстве достигается тем, что датчик давления, содержащий опорное основание с мембраной, выполненные как одно целое из полупроводникового материала, причем на мембране размещены тензорезисторы, подключенные с помощью коммутационных участков к периферийным контактным площадкам, размещенным на опорном основании, соединенном с кольцом-держателем, и компенсационные резисторы, снабжен дополнительными контактными площадками, размещенными по периферии кольца-держателя в области коммутационных участков, а компенсационные резисторы выполнены в виде резистивных пленок с пленочными токоведущими проводниками, нанесенными на внешнюю поверхность кольца-держателя, причем проводники соединены перемычками из припоя с дополнительными контактными площадками. Поставленная цель достигается также тем, что в способе изготовления датчика давления, включающем формирование на полупроводниковой мембране тензорезисторов, а также на основании коммутационных участков и контактных площадок, соединение основания с кольцом-держателем, перед соединением на наружной поверхности кольца-держателя формируют пленочные компенсационные резисторы и пленочные токоведущие проводники, наносят слой припоя на концевые участки токоведущих проводников, проводят совмещение кольца-держателя и основания, соединяют кольцо-держатель с основанием, припаивают концевые участки проводников к контактным площадкам, подключают датчик к измерительной аппаратуре, измеряют его характеристики и, в случае необходимости, настраивают путем испарения лучом лазера участков компенсационных резисторов. На фиг. 1 показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 то же, разрез; на фиг. 3 вид по стрелке А на фиг. 1. Перечень позиций: 1 кристалл, 2 изоляционное кольцо, 3 тензорезистор, 4 коммутационный участок, 5 периферийная контактная площадка, 6 дополнительная контактная площадка, 7 изоляционный слой, 8 мембранная область, 9 компенсационный резистор, 10 перемычка, 11 токоведущий проводник, 12 концевой участок дорожки, 13 электрический вывод, 14 луч лазера, 15 объектив, 16 дорожка. Измерительный преобразователь устроен следующим образом: полупроводниковый кристалл 1 содержит в утоньшенной мембранной области 8 диффузионные тензорезисторы 3, объединенные в мост Уинстона. За активной частью кристалла, на его периферии, расположены контактные площадки 5 и 6, соединенные коммутационными участками 4 с мостовой схемой. Защита тензосхемы от воздействия влаги и агрессивных сред осуществляется изоляционным слоем 7. С кристаллом соединено изоляционное кольцо-держатель 2, изготовленное из керамики или стекла. На наружной поверхности кольца располагаются компенсационные элементы резистор 9, выполненный тонко- или толстопленочным, и металлизация в виде токоведущих проводников 11, на концевых участках 12 которых нанесен припой в виде перемычки 10 на нижней, а в виде пленки на верхней. К верхнему концевому участку металлизации припаяны электрические выводы 13. Кристалл может быть выполнен из кремния, изоляционное кольцо из щелочного стекла ЛК-5, перемычка из припоя ПОСМ или ПОС-61, тензорезисторы и коммутационные участки диффузионные Р-типа, контактные площадки из Al-периферийные и многослойные на основе Al-V-Ni-пленок. Резисторы на кольце изготовлены из резистивного сплава РС 3710 или из керметаК50-С, металлизация на основе пленок Al-V-Ni. Работа преобразователя состоит в том, что при подаче измеряемого давления Р_х, мембранная область 8 деформируется, изменяется сопротивление тензорезисторов 3 на величину ΔR_x, а мостовая схема преобразует изменение ΔR_x в выходной сигнал U_x (напряжение разбаланса моста) или I_x(при токовом питании). Выходной сигнал через коммутационные высоколегированные участки 4 подается на контактные площадки 6 и через перемычки 10, металлизацию 11, компенсационные резисторы 9 снимается с электрических выводов 13. Периферийные площадки 5 служат с одной стороны в качестве технологических для измерения характеристик кристалла в процессе изготовления и настройки, а с другой для расширения функциональных возможностей, так как с них может сниматься информация непосредственно с кристалла, минуя гасящие сигнал компенсационные резисторы, т.е. при этом повышается чувствительность. Благодаря наличию изоляционного кольца держателя исключается деформация кристалла при закреплении преобразователя в корпусе. Защитный слой 12 изолирует тензосхему, что позволяет подавать со стороны тензосхемы эталонное давление или другое измеряемое давление, т.е. использовать преобразователь для измерения разного давления. Способ изготовления поясняется примером. На кремниевой пластине анизотропным травлением в растворе едкого калия при температуре 98^оС формируют мембранные области 8 кристаллов 1. Методами двухсторонней фотолитографии на планарной стороне создают окна под терморезисторы 3 и коммутационные области 4, в которые проводят диффузию бора коммутации при температуре 1050-1150^оС в течение 60-120 мин, а для тензорезисторов при 950-1050^оС 30-60 мин, в результате чего формируются коммутационные диффузионные слои с удельным сопротивлением R_s 4-10 Ом/Ом/□ и резистивные слои с R_s 80-10 Ом/Ом/□. При проведении двухстадийной диффузии на поверхности кристалла формируется защитный изоляционный слой 7 из SiО₂. На планарной стороне открывают окна для контакта с металлизацией. Напыляют металлизацию на основе Сr-Cu, на которую гальванически осаждают медь (Сu) и олово-висмут (Sn-Bi). Разделяют пластину на кристаллы 1 алмазными дисками. На стеклянное кольцо напыляют резистивную пленку из материала Х20Н7510 или кермета и контактную пленку хром-никель. Напыление пленок на цилиндрическую поверхность стеклянного кольца может проводиться через гибкие металлические маски, в результате чего на кольце 2 формируются компенсационные резисторы 9 и токоведущие проводники 11. При использовании в качестве материала изоляционного кольца керамики тензорезисторы 9 и токоведущие проводники 11 могут изготавливаться из резистивных и проводящих паст, вжигаемых после нанесения их методом шелкографии. При необходимости на кольцевые участки проводников может наносится слой припоя гальваническим методом или окунанием в ванну с расплавленным припоем, или наносится припойная паста. Далее осуществляют наложение кольца и кристалла с соответсвующими им нижними концевыми участками пленочных проводников кольца и проводят соединение кольца и кристалла, например, методом электроадгезионного соединения или с помощью вакуумно-плотного клея. Замеряют характеристики преобразователя, подключая зонды установки типа "Зонд" к периферийным контактным площадкам 5, определяя напряжение разбаланса, номиналы тензорезисторов, и при подаче на специальном приспособлении на преобразователь давления и температуры, подводя их непосредственно к кристаллу, определяют выходной сигнал, дрейфы нуля и чувствительности. Исходя из полученных индивидуальных характеристик осуществляют подгонку компенсационных резисторов путем избирательного испарения лучом лазера 14, подаваемого через объектив 15 (испаряемый участок показан на фиг. 3 в виде дорожки 16). Лазерная настройка проводилась на установке подгонки типа АМЦ. Технико-экономическими преимуществами датчика давления и способа его изготовления по сравнению с известными являются: возможность соединения микроминиатюрных преобразователей диаметром до 3-4 мм и высотой 6-8 мм за счет исключения навесных подгоночных элементов; достижение высокой степени автоматизации изготовления; повышение эксплуатационной надежности за счет исключения промежуточного монтажа и навесных проводников; повышение метрологических характеристик преобразователя за счет выравнивания температурных режимов тензорезисторов и компенсационных элементов.

Формула изобретения

1. Датчик давления, содержащий опорное основание с мембраной, выполненные за одно целое из полупроводникового материала, причем на мембране размещены тензорезисторы, подключенные с помощью коммутационных участков к периферийным контактным площадкам, размещенным на опорном основании, соединенное с кольцом-держателем, и компенсационные резисторы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и повышения технологичности, он снабжен дополнительными контактными площадками, размещенными по периферии кольца-держателя в области коммутационных участков, а компенсационные резисторы выполнены в виде резистивных пленок с пленочными токоведущими проводниками, нанесенными на внешнюю поверхность кольца-держателя, причем проводники соединены перемычками из припоя с дополнительными контактными площадками. 2. Способ изготовления датчика давления, включающий формирование на полупроводниковой мембране тензорезисторов, а на основании коммутационных участков и контактных площадок, соединение основания с кольцом-держателем, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, перед соединением на наружной поверхности кольца-держателя формируют пленочные компенсационные резисторы и пленочные токоведущие проводники, наносят слой припоя на концевые участки токоведущих проводников, проводят совмещение кольца-держателя и основания, соединяют кольцо-держатель с основанием, припаивают концевые участки проводников к контактным площадкам, подключают датчик давления к измерительной аппаратуре, измеряют его характеристики и в случае необходимости настраивают путем испарения лучом лазера участков компенсационных резисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3