Интегральный балочный тензопреобразователь

 

Использование: в устройствах измерения перемещений, ускорений, потока, силы и давления. Сущность изобретения: интегральный балочный тензопреобразователь представляет собой прямоугольный модуль из кремния с концентратором механических напряжений в виде поперечного углубления заданных размеров, на рабочей поверхности которого сформирован тензорезистивный мост. Кроме того, для улучшения эксплуатационных характеристик прибора в противоположном от концентратора конце со стороны поперечного углубления может быть расположено углубление или сквозное отверстие, которое является самосовмещенным с границами концентратора механических напряжений. Каждая контактная площадка преобразователя может состоять из двух частей, одна из которых является алюминевой, а на поверхности второй имеется бугорок припоя. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным полупроводниковым тензопреобразователям.

Известен интегральный балочный тензопреобразователь [1] , представляющий собой микроконструкцию. Она состоит из кремниевого кристалла с рабочей поверхностью, ориентированной в плоскости (100). Кристалл имеет кольцевую пассивную часть, внутри которой имеется активная часть, отделенная от пассивной воздушным зазором. Активная и пассивная части соединены более тонким концентратором напряжений, на котором расположен тензочувствительный резистор р-типа. На пассивной части имеется аналогичный опорный резистор р-типа. Эти резисторы соединены друг с другом и выведены на три контактные площадки. При перемещении активной части относительно пассивной в поперечном к поверхности кристалла направлении, вызванном воздействием механической нагрузки или движением с ускорением, механические напряжения, возникающие в концентраторе, вызывают изменение тензорезистора, которое фиксируется и преобразовывается внешней электронной схемой.

Недостатками такого тензопреобразователя являются наличие лишь одного тензорезистора на концентраторе напряжений, что снижает чувствительность, а также выводы и соединение резисторов с помощью высоколегированных областей, а не металлизации, что ухудшает точность и линейность преобразования.

Указанные недостатки устранены в интегральном балочном тензопреобразователе, имеющем аналогичную конструкцию из монокристаллического кремния, т. е. кольцевую пассивную часть, внутри которой находится отделенная от пассивной части узким сквозным отверстием активная часть - балка, соединенная с пассивной частью более тонким концентратором механических напряжений [2] . Чувствительным элементом является полная мостовая тензорезистивная схема, изготовленная по планарной технологии интегральных микросхем на поверхности концентратора напряжений близко к месту его соединения с основанием (т. е. с пассивной частью). С помощью алюминиевой металлизации тензорезисторы объединены в мостовую схему, внешние узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные на пассивной части преобразователя.

К недостаткам этого преобразователя относятся наличие кольцевой пассивной части, которая не выполняет никаких функций, так как для крепления пассивной части достаточно того, что расположено со стороны соединения с концентратором. Это приводит к увеличению материалоемкости самого преобразователя и усложнению технологии его изготовления, а также к увеличению габаритов всего устройства в целом; расположение контактных площадок схемы на пассивной части приводит к необходимости увеличения ее размеров и, следовательно, и увеличению материалоемкости изделия; так как интегральные тензорезисторы расположены на поверхности одного монокристалла, имеющего, следовательно, значительно более низкую степень легирования, то между ними возможно возникновение поверхностных токов утечки в результате воздействия попавших на поверхность ионов или в результате возникновения инверсионного слоя под шиной металла с низким потенциалом, образующей с поверхностью кристалла паразитную МОП-структуру. Кроме того, наличие только мостовой тензорезистивной схемы не дает возможности контроля величины утечек и отбраковки негодных кристаллов. Расположение тензорезисторов ближе к месту соединения концентратора напряжений с основанием (пассивной частью) приводит к неравномерным напряжениям в различных областях тензорезисторов и, следовательно, к ухудшению линейности преобразователя.

Изобретение решает следующие задачи: снижение материалоемкости интегрального тензопреобразователя, упрощение технологии изготовления и уменьшение габаритов всего устройства, в котором он применяется; повышение линейности выходного сигнала мостовой схемы тензопреобразователя; повышение качества тензопреобразователя за счет ликвидации возможности поверхностных утечек и автоматизированной отбраковке кристаллов с утечками; улучшение качества метрологических измерений и монтажа преобразователя в конечное устройство; расширение возможностей соединения преобразователя с внешней электронной схемой.

Сущность изобретения заключается в следующем. Интегральный балочный тензопреобразователь (ИБТ) представляет собой микроконструкцию из монокристалла кремния с рабочей поверхностью, ориентированной в кристаллографической ориентации (100). Кристалл состоит из трех основных частей: активной части, воспринимающей внешнюю нагрузку и перемещающейся в результате воздействия относительно пассивной части, служащей для крепления тензопреобразователя во внешнем устройстве, и концентратора напряжений, имеющего меньшую, чем активная и пассивная части толщину. На рабочей поверхности концентратора напряжений расположены изготовленные с помощью интегральной технологии диффузионные тензорезисторы р-типа, соединенные с помощью алюминиевой металлизации в полную мостовую схему, узлы которой с помощью этой же металлизации выведены на контактные площадки за пределы концентратора напряжений, при этом два тензорезистора параллельны линии соединения концентратора напряжений с активной и пассивной частями, а два перпендикулярны ей. Интегральный балочный тензопреобразователь отличается тем, что неподвижная часть так же, как и активная, представляет собой со стороны рабочей поверхности прямоугольник, сторона которого, примыкающая к концентратору напряжений, равна аналогичной стороне активной части. Центры тензорезисторов расположены на одной линии на оси концентратора. Вокруг тензорезисторов расположены, изготовленные также с помощью интегральной технологии, высоколегированные охранные n⁺-области, окружающие тензорезисторы на расстоянии 3-8 мкм от них. На рабочей поверхности преобразователя имеется не менее одного омического контакта к кристаллу, сформированного с помощью или охранной или дополнительной n⁺-области и выводимого металлизацией на внешнюю контактную площадку.

Изобретение имеет дополнительные отличительные признаки. В противоположном от концентратора конце активной части и/или в пассивной части со стороны нерабочей поверхности может быть расположено углубление или сквозное отверстие, которое является самосовмещенным с границами концентратора механических напряжений. Контактные площадки могут быть расположены на активной части преобразователя. Кроме того, каждая контактная площадка может состоять из двух частей, одна из которых является традиционной для технологии микросхем, т. е. алюминиевой, а в другой - над алюминием имеется припой.

Изменение геометрии пассивной части приводит с одной стороны к снижению материалоемкости самого тензопреобразователя, так как при равных размерах активной части и концентратора общая площадь кристалла в предлагаемом техническом решении меньше. С другой стороны предлагаемая геометрия тензопреобразователя обеспечивает существенное упрощение и, следовательно, удешевление технологии его изготовления. Это обусловлено тем, что конструкция прототипа изготавливается с помощью сочетания глубокого травления кремния для формирования концентратора напряжений и сквозного протравливания кремниевой подложки для отделения активной части от кольцевой пассивной. Для изготовления предлагаемой конструкции достаточно только одного глубокого травления кремния при формировании концентратора напряжений, а формирование геометрии активной и пассивной частей может быть осуществлено путем традиционного для технологии интегральных схем скрайбирования кремниевых пластин на кристаллы.

Расположение центров тензорезисторов на одной линии посредине между активной и пассивной частями преобразователя обеспечивает повышение линейности выходного сигнала мостовой тензорезистивной схемы благодаря их симметричному нахождению относительно эпюры напряжений в концентраторе, а также благодаря симметричному теплоотводу выделяемой на них мощности к более массивным активной и пассивной частям и, следовательно, выполнения условия одинаковой температуры на всех тензорезисторах. Наличие высоколегированных охранных областей n-типа проводимости вокруг тензорезисторов приводит к ликвидации поверхностных утечек между ними, которые могли бы возникнуть как в результате загрязнения поверхности различными ионами, так и в результате возникновения инверсионного слоя на поверхности кристалла под шинами металлизации, где образуется паразитная МДП-структура. Вероятность возникновения инверсионного слоя особенно велика под шинами наиболее низкого потенциала схемы, так как их потенциал практически на величину напряжения питания схемы ниже потенциала кристалла. Расстояние от областей тензорезисторов до охранных областей определяется требованиями к пробивным напряжениям р-n-переходов. Уменьшение данного расстояния менее 3 мкм приводит к возрастанию вероятности смыкания указанных областей и уменьшению пробивных напряжений до 5-8 В, что может оказаться недостаточным для работы схемы, а увеличение расстояния более 8 мкм уже не приводит к увеличению пробивных напряжений (составляющих около 60 В) даже на кристаллах с удельным сопротивлением 4,5 Ом см и не представляется целесообразным. Наличие омического контакта к кристаллу позволяет производить автоматизированный контроль и отбраковку кристаллов с утечками р-n-переходов тензорезисторов, например, еще до разделения кремниевой пластины на отдельные кристаллы аналогично тому, как это делается при изготовлении интегральных микросхем.

Предлагаемый ИБТ применяется, как правило, следующим образом. Пассивная часть закрепляется во внешнем устройстве (например, в параллелограмме Роберваля), а на активную часть осуществляется механическое воздействие в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности. Активная часть перемещается относительно пассивной, вызывая изгиб кристалла в основном в концентраторе напряжений, так как он тоньше других частей, в результате чего изменяется сигнал на выходе тензорезистивной схемы, который фиксируется и обрабатывается внешней электронной схемой. Наличие углубления или отверстия в противоположном от концентратора конце активной части обеспечивает повышение технологичности при монтаже преобразователя в конечное устройство благодаря уже обозначенному месту приложения механического воздействия. Аналогичное углубление или отверстие в пассивной части дают тот же эффект для операции крепления тензопреобразователя. Кроме того, каждый из данных дополнительных признаков и оба вместе обеспечивают упрощение и, следовательно, повышение производительности труда при измерении чувствительности изготовленных преобразователей. Самосовмещение данных углублений или отверстий с концентратором напряжений приводит к повышению воспроизводимости характеристик преобразователя благодаря точному соблюдению расстояний от концентратора до точек крепления и приложения механического воздействия. Расположение контактных площадок на активной части преобразователя дает возможность дополнительно уменьшить размеры кристалла, благодаря уменьшению размеров пассивной части. Это обусловлено тем, что для обеспечения приемлемого с точки зрения внешнего устройства, которое изготавливается, как правило, механически диапазоны перемещения точки приложения механического воздействия в несколько десятых долей миллиметра, данная точка должна быть отнесена от концентратора на расстояние не менее 4-5 мм, что более чем достаточно для размещения контактных площадок схемы. Применение двойных контактных площадок позволяет использовать промышленные зондовые установки для разбраковки еще не разделенных кристаллов на пластине, контактируя к стандартным алюминиевым частям площадок, и припаивать ко вторым частям площадок, покрытых припоем, например медные провода требуемой длины для каждого конкретного случая применения преобразователя.

На фиг. 1 показан продольный разрез ИБТ; на фиг. 2 - рабочая поверхность ИБТ; на фиг. 3 - разрез интегральной структуры в области тензорезистора и омического контакта к кристаллу; на фиг. 4 - разрез структуры контактной площадки.

ИБТ состоит из монокристалла кремния, вырезанного из кремниевой подложки КЭФ-4,5 с ориентацией поверхности в кристаллографической плоскости (100). Данный монокристалл имеет активную 1 и пассивную 2 части равной толщины (т. е. толщину исходной подложки) и соединяющий их концентратор 3 механических напряжений. Внешние стороны преобразователя и линии соединения концентратора с двумя другими частями ориентированы в кристаллографических направлениях [110] . На рабочей поверхности концентратора по его оси методами интегральной технологии сформированы диффузионные тензорезисторы 4 р-типа, два из которых направлены вдоль преобразователя, а два поперек. Тензорезисторы окружены сформированными аналогичным образом охранными областями 5. С помощью алюминиевой металлизации 6 тензорезисторы соединены в мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки 7₁-7₆. Кроме контактов к тензорезисторам имеется омический контакт металлизации к кристаллу, который сформирован с помощью аналогичной охранным высоколегированной n⁺-области 8 и выведен на отдельную контактную площадку (7₂).

На фиг. 1 показан также возможный вариант расположения дополнительного углубления 9 и отверстия 10. Углубления сформированы в едином технологическом процессе с формированием концентратора напряжений, что обеспечивает их самосовмещение, т. е. высокоточное (до десятых долей микрона) соблюдение расстояний друг от друга. Отверстия могут быть выполнены обычным механическим способом или с помощью лазера при использовании сформированных углублений в качестве точной разметки для их местонахождения.

На фиг. 4 показан разрез двойной контактной площадки, которая состоит из слоя 6 алюминия, лежащего на пленке 11 оксида кремния, сформированного на поверхности 12 кристалла. Часть контактной площадки состоит только из алюминия, а в другой ее части над алюминием имеется "бугорок" припоя 13, достаточный для осуществления припаивания проволочных проводников.

На фиг. 5 показан пример применения ИБТ. Пассивная часть закрепляется в корпусе 14 внешнего устройства. К активной части через шток 15, который упирается в точку, обозначенную углублением или отверстием, прикладывается усилие, изгибающее концентратор. Выводы 7₁ и 7₆ заземляются, к выводам 7₄ и 7₃ прикладывается положительное напряжение питания. Возникающие при изгибе механические напряжения вызывают разбаланс тензорезистивного моста, который в виде разности потенциалов снимается с выводов 7₂ и 7₅ и обрабатывается необходимым образом внешней электронной схемой. Если механическая система, передающая усилие через шток 15, имеет упругость, много меньшую чем преобразователь, то последний служит датчиком силы. Если же упругость механической системы, воспринимающей внешнюю нагрузку, много большую упругости преобразователя, то он служит в качестве датчика микроперемещения. (56) Roylance L. M. , Angell J. B. A miniature integrated circuit accelerometer. 1978, IEEE ISSCC, Digest of techn; papers, p. 220-221.

2. Baганов В. И. , Гончарова Н. И. Интегральный балочный механоэлектрический преобразователь. - В кн. : Электронная измерительная техника /Под ред. А. Г. Филиппова, М. : Атомиздат, 1978, вып. 1, с. 130-136.

Формула изобретения

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ БАЛОЧНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий выполненные из единого монокристалла кремния n-типа и имеющие общую рабочую поверхность в кристаллографической плоскости (100) пассивную часть, служащую для его крепления, активную часть, служащую для приложения механической нагрузки, и расположенный между ними концентратор механических напряжений, толщина которого меньше толщины активной и пассивной частей, и расположенные со стороны рабочей поверхности в концентраторе диффузионные тензорезисторы p-типа, ориентированные в кристаллографических направлениях [110] и соединенные с помощью металлизации в мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки, отличающийся тем, что рабочие поверхности пассивной и активной частей представляют собой прямоугольники, стороны которых, примыкающие к концентратору, равны, центры тензорезисторов расположены на одной линии, равноудаленной от активной и пассивной частей, каждый тензорезистор окружен охранной высоколегированной областью, расположенной от него на расстоянии 3 - 8 мкм в монокристалле кремния, а на рабочей поверхности дополнительно расположен по крайней мере один омический контакт к кристаллу, выведенный на отдельную контактную площадку.

2. Тензопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в противоположном от концентратора конце активной части и/или в пассивной части выполнено углубление со стороны противоположной рабочей поверхности или сквозное отверстие.

3. Тензопреобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что контактные площадки мостовой схемы и омического контакта к кристаллу расположены на активной части.

4. Тензопреобразователь по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что каждая контактная площадка выполнена из двух частей, на одной из которых расположен бугорок припоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5