Емкостный преобразователь давления

 

Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью. Сущность: повышение точности и технологичности достигается тем, что на полупроводниковой мембране сформирован на диэлектрическом слое подвижный электрод, причем он соединен металлизированным проводником через отверстия, выполненные в диэлектрическом слое, с полупроводниковой областью в кремниевой подложке, имеющей другой тип проводимости. Это позволяет обойти металлизированный поясок. 2 ил.

СО!ОЗ СО8ЕТСКИХ

СО! 1ИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕспУБлик (я)5 6 01 (9/12

ГОСУДАРСТ8Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 4

> (21) 4809581/10 (22) 01,02.90 (46) 30,11.92. Бюл, N. 44 (71) Ленинградский политехнический институт им.M.È.Êàëèíèíà и Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (72) В.А.Шеленшкевич, В.М.Артемов, Э.А.Кудряшов и А.И.Шульга (56) Патент США N 4628400, кл. G 01 l 9/1Г, 1986.

Заявка Великобритании

N. 2165652, кл. G 01 1 9/12, 1980.

Изобретение относится к измерительной технике, а йменно к микромеханическим устройствам-датчикам, предназначенным для измерени неэлектрических величин электрическими методами.

Известны конструкции и способ изготовления емкостного датчика давления, состоящего иэ верхней стеклянной пластины, кремниевой пластины и нижней стеклянной. пластины, соединенных вместе методом электростатического соединения анодной сварки, Основным недостатком такой конструкции и способа соединения является невозможность обеспечения при электростатическом соединении герметичного соединения между кремниевой пластиной, в которой сформирована мембрана и первый электрод чувствительного элемента (ЧЭ), и стеклянной пластиной, имеющей на поверхности:лой металлизации, служащей ответным (вторым) электродом ЧЭ. Кроме того снижается надежность изделия из-за. Ы ;, 1778576 А1 (54) ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью. Сущность: повышение точности и технологичности достигается тем. что на полупроводниковой мембране сформирован на диэлектрическом слое подвижный электрод, причем он соединен металлизированным проводником через отверстия, выполненные в диэлектрическом слое, с полупроводниковой областью в кремниевой подложке, имеющей другой тип проводимости. Это позволяет обойти металлизированный поясок. 2 ил, возможной коррозии металлизации не защищенной от влияния окружающей среды, Известна также конструкция преобразователя и способ его изготовления, согласна которым преобразователь включает две основные части — упругий элемент, сформированный в кремниевой пластине ориентации (100) и содержащей первую обкладку конденсатора и стеклянную подложку (Согп!пц Glass 7070 и Schoft 8284), на которой расположена вторая обкладка чувствительного к давлению конденсатора. Для обеспечения электрического контакта между проводящей областью стеклянной подложки и кремниевой пластиной в стеклянной подложке выполнено углубление, проходящее сквозь слой стекла до кремниевой подложки. Часть проводящей металлической пленки расположена над областью этого углубления, К недостаткам прототипа следует отнести: — сложность технологии изготовления:

1778576

40 мембраны, по два отверстия в диэлектрическом покрытии к локальным ле-. гированным участкам и не менее од- 45 ного к кремниэзой подложке, замкнутой ме50

55 а) при соединении стеклянной подложки с проводящей областью с кремниевым упругим элементом за счет толщины проводящей области возникает перекос при анодной сварке, который может быть устранен только при проведении дополнительных технологических операций, например вытравливания в кремнии под проводящую область выемки глубиной меньшей или равной толщине металлической пленки, что увеличивает трудоемкость изготовления; б) необходимость формирования в стекле сквозного отверстия, что усложняет конструкцию и, как следствие, трудоемкость изготовления; в) сложность формирования и обеспечения надежности контакта, что связано с размером сквозного отверстия и проводимостью кремния. Обеспечение надежности контакта требует увеличения размера сквозного отверстия, что увеличивает размеры конструкции; — для изготовления датчика используется только низкоомный полупровОдниковый материал, так как в противном случае резко возрастает сопротивление между проводящими слоями стеклянной подложки и кремниевой пластины.

Целью изобретения является повышение точности и технологичности изготовления емкостного преобразователя давления, Цель достигается тем, что конструкция емкостного преобразователя давления помимо подвижного и неподвижного электродов и контактных площадок к ним содержит кремниевую подложку любого типа проводимости и различного удельного сопротивления со сформированной мембраной с диэлектрическим покрытием, локальные легированные участки противоположного по отношению к кремниевой подложке типа проводимости и расположенные вне зоны таллизированный поясок, охватывающий мембрану и проходящий над локальными легированными участками и между отверстиями к ним и над отверстиями к кремниевой подложке обеспечивая электрический контакт с последней, первую контактную площадку неподвижного электрода между металлизированным пояском и мембраной, обеспечивающую электрический контакт со второй контактной площадкой неподвижного электрода, расположенной на стеклянной подложк», Предлагаемый емкостный преобразователь давления отличается от прототипа;

1) наличием локальных легированных участков с типом проводимости, противоположным типу проводимости кремниевой подложки, и расположенных вне мембраны;

2) наличием замкнутого металлизированного пояска. охватывающего мембрану;

3) наличием отверстия или отверстий в диэлектрическом покрытии к кремниевой подложке для обеспечения электрического контакта между металлизированным пояском и подложкой, что обеспечивает снижение рабочего напряжения при электростатическом соединении кремниевой и стеклянной подложек;

4) исключением механических операций, например сверления и т,п.;

5) возможностью создания многоэлектродного емкостного преобразователя, Такие признаки в известных источниках не обнаружены, что говорит об их новизне.

Конструкция предлагаемого емкостного преобразователя давления представлена на фиг.1, где дано поперечное сечение преобразователя; на фиг.2 — вид сверху на кремниевую подложку.

Предлагаемый емкостный преобразователь давления содержит кремниевую подложку 1 с диэлектрическим покрытием 2, в которой сформирована выемка и мембрана

3, на которой находится подвижный электрод 4 с металлизированным проводником

4", вне мембраны имеются локальные легированные участки 5, отверстия 6 к легированным участкам, отверстие 7 к кремниевой подложке и металлизированный поясок 8, проходящий над отверстием 7 и между отверстиями 6 к легированному участку 5, первая контактная площадка 9 между металлизированным пояском и мембраной. а вне поверхности, ограниченной металлизированным пояском, расположены выводные контакные площадки 10 подвижного и неподвижного электродов для внешнего присоединения емкостного преобразователя давления; кремниевая подложка 1 электростатически соединена со стеклянной подложкой 11, на которой находится неподвижный электрод 12 с металлизированным проводником 12 и вторая контактная площадка 13, которая при соединении должна совпасть с первой контактной площадкой 9 кремниевой подложки 1.

При корпусировании ЧЭ емкостного преобразователя давления может быть присоединен со стороны глубокой выемки мембраны непосредственно к корпусу или к стеклянной подложке, имеющей отверстие для соединения с внешней средой, давление которой измеряют, а затем к корпусу.

1778576

Кремниевая подложка емкостного пре0 образовятеля давления разм "ром 8 8 мм со сформированными мембраной, локальными легированными зонами, подвижным электродом. металлизираванным пояском, меTàëëèçирОваннb! ми правадниками и

5 контактными площадками получалась после разделения кремниевой пластины 76 мм на отдельные чипы. Стеклянная подложка 11, ня которой формировались неподвижные электроды 12 метяллизировянный провод0 ник 12 и вторая контактная площадка 13 изготавливались следующим образом, В качестве стеклянных подложек использовались стекла марки ЛК-105 или "пирекс". Толщиной 1 мм на стеклянную подложку методом вакуумного напыления наносили проводящий слой из алюминия или хрома. Зятем с помощью фоталитографическага процесса формировали конфигурацию неподвижного электрода размером

2,8 х2,8 мм, металлизированный проводник размерал 1,5х 1,0 мм, соединяющий электрод и вторую контактную площадку размером 0.4х 0,9 мм.

Стеклянная подложка с металлизацией подваргялгсь обжигу при температуре

450" С в те«ение 15 мин в атмосфере аргана.

Кремниевая и стеклянная подложки соединялись между собой электростатическим спocoooM и ри Т = 400 С, Unp = 400-1500

В и(=5мА.

После удаления боросиликатного стекла, в случае диффузионного легирования 45

Емкостный преобразователь давления изготавливали следующим образом.

В кремниевой подложке 1 толщиной

380 мкм ориентации (100) марки КЭ е, уд.сопротивлением 0,30 м см формируют мембрану 3, при этом для измерения давления до 1 атм выемка с лицевой стороны подложки составляла 5-10 мкм, а с обратной стороны вытравливалась выемка глубиной 270 мкм, которая была расположена под выемкой лицевой стороны; толщина мембраны 3, образованная обеими выемками, составляла 100 мкм.

Для формирования мембраны 3 на обе поверхности кремниевой подложки наносилось диэлектрическое покрытие 2, либо окисел толщиной 1,2 мкм, полученный газофазным осаждением, либо композиция, состоящая из пленок термического окисла толщиной 0,05 мкм, нитрида кремния 0.1 мкм и осажденного окисла 0,3 мкм. С помощью двухсторонней фотолитографии или последовательных фотолитографий формировались в покрытии соответствующие отверстия (окна) для формирования мембраны.

Травлением в янизотропном травителе

КОН формировались выемки, лежащие друг над другом и образующие мембрану 3 размером 4,5 4,5 мм. Затем диэлектрическое покрытие удалялось, вновь формировалось диэлектрическое покрытие — термический окисел — термическим окислением при Т =

1150 С для получения окисла толщиной 0,61,0 MKM в атмосфере влажного кислорода. В этом окисле с помощью фатолитогряфического процесса вскрывались отверстия (окна), в которые проводилось легирование баром при Т = 950 С с последующей разгонкой при Т =- 1050 С ва влажном кислороде для создания локальных легированных зон 5, имеющих тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки, бором из жидкого или твердого источника, вновь проводилась термоабработка в окислительной атмосфере для формирования окисла над легированными областями. Затем с помощью фоталитагряфического процесса формировались отверстия (окна) па два отверстия (акна) 6 к каждому локальному легированному участку и одно или несколько отверстий (окан) 7 к подложке, Для обеспечения лучшего электрического контакта на лицеву о поверхность кремниевой подложки 1 методом вакуумного распыления

HPнОсили слой ял О" 1иния толщиноЙ 1,3

0,15 мкм, Этот проводящий слой подвергал5

2Г, 3

4 ся фоталитаграфическому процессу, в pe3yrlbTaTe которого фармирОВялись подВижный электрод 4, расположенный на мембране, с металлизированным проводником 4, металлиэированный поясок 8, проходящий над отверстием 7 и между отверстиями 6 к локальным легированным участкам 5, Первую контактную площадку 9 между металлизированным пояском 8 и мембраной 3 вне проводимости ограничивают металлизированным пояском, выводятся контактные площадки 10. При этом следует отметить, что металлизированный поясок проходит между отверстиями 6 к локальным легированным участкам 5, не закорачивая отверстия 6 между собой, Размер проводящего (металлизированного) подвижного электрода имел размер 2,7х 2,7 мм, размер проводника 1,5 х1,0 мм, размер контактных площадок 0.5 х1,0 мм.

Все эти размеры могут быть и другими при использовании соответствующих шаблонов при фотолитографии.

Для обеспечения адгезии и лучшего контакта к подложке и легированным областям проводилась термообработка А1-слоя при Т = 450 С в течение 30 мин.

1778576

Формула изобретения

Емкостный преобразователь давления, содержащий кремниевую подложку, в которой выполнена за одно целое с ней мембрана, а на мембране сформирован подвижный электрод измерительного конденсатора, скрепленную с кремниевой подложкой стеклянную подложку, на которой сформированы выводная контактная площадка с металлизированным проводником, соединенным вторым своим концом с подвижным электродом, неподвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный с межэлектродным зазором от подвижного электрода, металлизированный поясок, охватывающий мембрану, и кремниевую подложку, причем выводная контактная площадка неподвижного электрода расположена вне поверхности, ограниченной металлизированным пояском, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и технологичности, в нем на кремниевой подложке и мембране под подвижным электродам. металлизированным проводником и контактными площадками сформирован диэлектрический слой, на котором между металлизированным пояском и мембраной выполнена первая контактная площадка, а вне поверхности. ограниченной металлизированным пояском, расположена выводная контактная площадка по5 движного электрода, на стеклянной подложке размещена вторая контактная площадка, соединенная металлизированным проводником с неподвижным электродом, в диэлектрическом слое под вторым

10 концом металлизированного проводника, первой контактной площадкой, выводными контактными площадками и металлизированным пояском выполнены отверстия, а в кремниевой подложке — участки с проводи15 мостью другого типа, чем в ней, причем через эти участки и через отверстия первая контактная площадка неподвижного электрода и второй конец металлизированного проводника соединены соответственно с

20 выводной контактной площадкой неподвижного электрода и выводной контактной площадкой подвижного электрода, стеклянная подложка скреплена по своей периферии с металлизированным пояском, а

25 первая и вторая контактные площадки неподвижного электрода скреплены между собой.

1770576

Составитель В.Шеленшкевич

Тех ред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.Ìàêcèìèøèíåö

Редактор

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

Заказ 4185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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