Интегральный тензопреобразователь механического воздействия и способ его изготовления

 

Сущность изобретения: преобразователь состоит из корпуса, внутри которого размещен кристалл из чувствительного элемента , состоящий из основания с массивной частью и трехслойной профилированной с одной стороны мембраны. Крайние слои мембраны выполнены из двуокиси кремния, средний из поликристаллического или рекристаллизованного кремния. Структура тензочувствительных компонентов, размещенных на мембране, состоит из слоев двуокиси кремния, перекристаллизованного кремния и двуокиси кремния. Внешние металлические выводы к тензочувствительным компонентам представляют металлизированные контактные площадки, расположенные внутри канавок, в массивной части основания преобразователя. Способ изготовления интегрального тензопреобразователя включает операции термического окисления кремниевой пластины, формирования на ней тензочувствительных компонентов , формирования профилированной с одной стороны мембраны с помощью локального анизотропного травления кремниевой пластины и формирования внешних металлических выводов. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. со с

ГОСХОЗ СОВЕТСКИХ

ГОЦИАЛИГТИЧЕГКИХ

РFcïóÁnèê

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! т, Ч

ОО (л V (21) 4923627/10 (22) 22.01.91 (46) 30.11.92. БюлЛ 44 (71) Московский инженерно-физический институт (72) В.И.Ваганов и Г.Д.Пряхин (56) Werthschutzky R. Piezoresistiver

minlaturd ruckaufnehmer fur anwendungen! п

der medlzin.- Feingeratetechnlk, 1979, N 5, s, 202 — 203, Патент США N 4065970, кл. G 01 L 9/06, 1978. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения: преобразователь состоит иэ корпуса, внутри которого размещен кристалл из чувствительного элемента, состоящий из основания с массивной частью и трехслойной профилированной с одной стороны мембраны. Крайние слои

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным тензопреобразовэтелям.

Известен интегральный тензопреобразователь, изготовленный из монокристаллического кремния. Упругим элементом тенэопреобразователя является прямоугольная кремниевая мембрана, на которой расположены тензорезисторы. Основным недостатком тензоп реоб разовэтеля является малый диапазон линейного преобразованияя из-за малой жесткости упругого элемента преобразователя.

Известен также интегральный тензопреобразователь давления для медицинских

Я2 1778571 А1 (я)л G 01 1 9/04, 1/22

-..-4.

I! ".I 3 мембраны выполнены из двуокиси кремния, средний из поликристаллического или рекристаллизованного кремния. Структура тензочувствительных компонентов, размещенных на мембране, состоит из слоев двуокиси кремния, перекристаллизованного кремния и двуокиси кремния. Внешние металлические выводы к тензочувствительным компонентам представляют металлизированные контактные площадки, расположенные внутри канавок, в массивной части основания преобразователя. Способ изготовления интегрального тензопреобразователя включает операции термического окисления кремниевой пластины, формирования на ней тензочувствительных компонентов, формирования профилированной с одной стороны мембраны с помощью локального аниэотропного травления кремниевой пластины и формирования внешних металлических выводов. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. целей, Преобразователь представляет собой кристалл кремния, в котором изготовлена тонкая мембрана прямоугольной формы.

Мостовая схема из тензорезисторов р — типа проводимости размещена в центральной части мембраны так, что тензорезисторы образуют квадрат со сторонами, параллельными сторонам прямоугольной мембраны.

Основным недостатком описанного тензопреобразовэтеля является малый диапазон линейного преобразования и низкая резонансная частота, а также малая прочность мембраны. Это объяснятся недостаточной жесткостью упругого элемента.

1778571

Наиболее близким техническим решением является интегральный тензопреобразователь давления, изготовленный из монокристаллического кремния. Данное решение выбрано в качестве прототипа, Упругим элементом тензопреобраэователя является кремниевая мембрана, в которой расположены чувствительные элементытензорезисторы. На обратной стороне мембраны расположены два утолщения (жесткие центры) таким образам, что тензорезисторы находятся между жесткими центрами внутри тонкой части мембраны, причем толщина жестких центров равна толщине исходной пластины кремния. Недостатком тензопреобразователя является большой размер мембраны, малая чувствительность и невозможность уменьшить размер упругого элемента тензопреобразователя, поскольку жесткие центры имеют большую толщину и невертикальные боковые стенки. Потенциально увеличению чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров и увеличению диапазона линейного преобразования известного преобразователя препятствует присутствие на пленарной стороне кристалла чувствительного элемента толстой маскирующей пленки, необходимой для изготовления тензорезисторов и сильналегированных токопроводящих областей.

Недостатком тензопреобразователя является также малый частотный диапазон вследствие наличия углубления в кристалле чувствительного элемента преобразователя, которое образуется при формировании упругого элемента локальным травлением.

К недостаткам расположения контактных площадок с планарнай стороны кристалла чувствительного элемента преобразователя относится малый диапазон линейного преобразователя вследствие того, что измеряемое давление воздействует на упругий элемент с профилированной стороны кристалла тензопреобразователя.

Целью изобретения является повышение чувствительности, расширение диапазона линейного преобразования и частотного диапазона тензопреобразователя, а также уменьшение габаритных размеров.

Цель достигается расположением жестких.центров с планарной (верхней) стороны упругого элемента. размещением тензочувствительных компонентов на нижней стороне упругого элемента и расположением металлизированных контактных площадок внутри канавок массивной части кристалла преобразователя, обрамляющей упругий

55 элемент преобразователя, причем толщина жестких центров существенно меньше толщины исходной кремниевой пластины, Таким образом достигается уменьшение геометрических размеров тензопреобрааэователя (за счет того, что можно убрать жесткие центры с обратной стороны упругого элемента), при этом расширяется диапазон линейного преобразования. Поскольку тензорезисторы расположены внутри тонкой части мембраны и покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, поэтому ограничением на уменьшение толщины тонкой части упругого элемента является толщина тензочувстеительных компонентов.

Увеличению чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров и увеличению диапазона линейного преобразования способствует отсутствие на пленарной стороне кристалла чувствительного элемента толстой маскирующей пленки, необходимой для изготовления тензорезисторов и сильнолегировàíHûх токопроводящих областей. Существенно меньшая величина углублений с планарной (верхней) стороны кристалла чувствительного элемента преобразователя по сравнению с прототипом приводит к расширению частотного диапазона преобразователя.

На фиг, 1 изображен предлагаемый интегральный тензопреобрэзователь, представляющий собой кристалл кремния 1, в котором имеется воспринимающая давление профилированная мембрана прямоугольной формы 2. Плоскость мембраны совпадает с кристаллографической плоскостью (100), а стороны мембраны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных кристаллографических направлений семейства <110>, Тензарезисторы р-типа проводимости размещены на поверхности мембраны; тензорезисторы одного знака чувствительности (периферийные тензорезисторы Вл) расположены на тонких частях в середине длинных сторон мембраны, тензорезистары противоположного знака чувствительности (центральные тензорезисторы Вц) — в ее центре, а ориентированы все тензорезисторы вдоль длинных сторон мембраны, Причем структура упругого элемента сложного профиля с неоднородной по толщине мембраной состоит из последовательно расположенных слоев двуокиси кремния

3, рекристаллизованного кремния 4, двуокиси кремния 5, структура тенэочувствительных компонентов состоит из двуокиси кремния, перекристаллиэованного кремния

6, двуокиси кремния. Внешние металлические выводы к тензочувствительным компонентам представляют из себя метал1778571

10

30

40 .45

55 лизированные контактные площадки 7, расположенные внутри канавок массивной части кристалла преобразователя 8.

На фиг. 2 изображена последовательность операций дпя изготовления интегральных механоэпектрических преобразователей.

Использовали полированные с двух сторон кремниевые пластины и-типа проводимости с ориентацией поверхности в плоскости (100).

Выращивали термический окисел 1 толщиной 0,7 мкм при Т = 1200 С на двух сторонах пластины 2 в высокотемпературной печи марки СДО 125-4А.

Проводили фотолитографию для того, чтобы вскрыть окна 3 в двуокиси кремния в месте расположения внешних выводов.

На установке УВП-2М наносили слой плаэмохимического нитрида кремния толщиной 0,15 мкм.

Проводили фотолитографию для того. чтобы оставить слой нитрида кремния в окнах 3 в месте расположения внешних выводов.

На установке УВН-5 проводили нанесение поликристаллического кремния 4 толщиной 1,2 мкм.

Проводили пиропитическое осаждение слоя двуокиси кремния 5 толщиной 0,5 мкм при Т = 710 С с помощью тетраэтаксисилана.

На лазерной установке ЛТН-103 проводили перекристаллизацию слоя поликристаллического кремния 4 толщиной 1,2 мкм.

Проводили фотолитографию дпя формирования тензочувствительнь(х компонентов из рекристаллизованного кремния.

Формирование тензочувствительных компонентов 6 осуществляли локальным удалением рекристаллизованного кремния аниэотропным травлением рекристаллизованного кремния в 33%-ном водном растворе едкого кали при Т = 100 С, Затем проводили пиролитическое осаждение слоя двуокиси кремния 7 толщиной

0,2 мкм при Т = 710 С с помощью тетраэтаксисипана.

На установке УВН-5 проводили нанесение поликристаллического кремния 8 толщиной 15 мкм.

Проводили пиропитическое осаждение слоя двуокиси кремния 9 толщиной 0,5 мкм при Т = 710ОС с помощью тетраэтаксисипана.

Далее проводили фотолитографию для вскрытия окон для травления слоя поликристаллического кремния 8, Травление слоя поликристаллического кремния 8 осуществляли в 33%-ном водном растворе едкого кали при Т = 100 С.

Проводили фотолитографию на обратной стороне пластины для вскрытия окон 10 для формирования упругого элемента и под внешние выводы.

Формирование упругого элемента 11 и лунки под внешние металлические выводы осуществляли аниэотропным тралением кремния в 33%-ном водном растворе едкого кали при Т = 100 С.

Выращивали термический окисел 12 толщиной 0,2 мкм при Т - 1200 С в высокотемпературной печи марки СД0-125-4А.

Затем проводили удаление слоя нитрида кремния 3 толщиной 0,15 мкм со дна лунки под внешние металлические выводы с помощью плазмохимического травления в реакторе "Плазма 600Т" с применением

SI F4.

На установке УВН-5 проводили напыление алюминия толщиной 0,7 мкм.

Проводили фотолитографию для формирования контактных площадок 13 из алюминия.

Увеличение чувствительности измерительного тензопреобразователя дает возможность вместе с ослаблением требований к вторичной аппаратуре уменьшить величину напряжения питания тенэопреобраэоватепя. что оказывается важным в микромощных измерительных системах, в частности в биомедицинских. Поскольку тенэочувствитепьные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, то возможно изготавливать тонкие части неплоской мембраны меньшей толщины. Поскольку чувствительность

S-(й2 где а — длина короткой стороны мембраны;

h — толщина тонкой части профилированной мембраны, то уменьшение толщины тонкой части упругого элемента связано с увеличением чувствительности. По сравнению с чувствительностью мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на прототипе, чувствительность мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на предлагаемом тенэопреобраэователе, увеличивается в 10,89 раза.

Результаты проведенного сравнения относятся к случаю одинаковых геометрических размеров мембраны прототипа и предлагаемого тензопреобразователя.

Другим важным обстоятельством, которое связано с увеличением чувствительности, является возможность при сохранении первоначальной чувствительности умень1778571 шить внешние размеры преобразователя.

Так, для нашего случая возможность увеличить чувствительность прототипа в 10,89 раза позволяет, не изменяя значения чувствительности S, уменьшить ширину мембраны в 3,3 раза.

Поскольку без потери в чувствительности уменьшаются размеры тензопреобразователя, поэтому снижается стоимость кристаллов тенэопреобразователей при их производстве.

Формула изобретения

1. Интегральный тензопреобразователь механического воздействия, содержащий корпус, внутри которого размещен кристалл чувствительного элемента тензопреобразователя, состоящий из основания с массивной частью, на которой расположены контактные площадки. профилированной с одной стороны мембраны. на которой размещены тензочувствительные компоненты, а также внешние металлические выводы, о тл и ч а ю шийся тем. что, с целью повышения чувствительности, расширения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона тензопреобразователя, а также уменьшения габаритных размеров, профилированная мембрана выполнена трехслойной, причем крайние слои выполнены из двуокиси кремния. а средний — иэ поликристаллического или рекристаллизованного кремния, тензочувствительные компоненты изолированы слоем двуокиси кремния и размещены внутри тонких частей, профилированной мембраны со стороны ее плоской части, профилированная сторона мембраны и массивная часть основания . расположены с противоположных сторон кристалла чувствительного элемента тензопреобразователя, в массивной части основания выполнены канавки, на дне которых расположены контактные площадки, а внутри — внешние металлические выводы, при этом тензочувствительные компоненты контактные площадки и внешг ние металлические выводы расположены с одной стороны кристалла чувствительного элемента тензопреобразователя.

2. Способ изготовления интегральных

5 тензопреобразователей механического воздействия, заключающийся в термическом окислении поверхности кремниевой пластины, формировании на ней тензочувствительных компонентов, профилированной с

10 одной стороны мембраны путем локального анизотропного травления кремниевой пластины, и внешних металлических выводов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности. расширения

15 диапазона линейного преобразования и частотного диапазона тензопреобразователя, а также уменьшения габаритных размеров, после термического окисления кремниевой пластины выполняют окна в полученном

20 слое двуокиси кремния, наносят слой нитрида кремния на поверхность кремниевой пластины с последующим удалением этого слоя с ее поверхности, эа исключением слоя нитрида кремния в окнах, затем наносят пер25 вый слой поликристаллического кремния и слой окисла, проводят рекристаллизацию первого слоя поликристаллического кремния и формируют тензочувствительные компоненты локальным удалением ре30 кристаллизованного кремния, после чего осуществляют окисление кремниевой пластины, при формировании профилированной с одной стороны мембраны вначале наносят второй слой поликристаллического

35 кремния и слой окисла, затем проводят травление второго слоя поликристаллического кремния, рекристаллизуют этот слой или не рекристаллиэуют его, после чего проводят глубокое травление кремниевой пла40 стины до образования на дне канавок слоя нитрида кремния, а также окисление, после удаления нитрида кремния со дна канавок внешние металлические выводы присоединяют к контактным площадкам на дне кана45 вок.

1778571

Составитель В.Ваганов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А Мотыль

Редактор H.Koitÿäà

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4184 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5