Интегральный преобразователь давления

 

Использование: в устройствах измерения давления. Сущность изобретения: интегральный преобразователь давления представляет собой полупроводниковый кристалл с мембраной, на рабочей поверхности которого сформирован тензорезистивный мост. Каждый тензорезистор окружен высоколегированной охранной областью. На поверхности преобразователя имеется не менее одного омического контакта к кристаллу, соединенного с отдельной контактной площадкой.Каждое плечо моста для улучшения характеристик преобразователя образовано парой тензорезисторов. Каждая контактная площадка преобразователя может состоять из двух частей, одна из которых является алюминиевой, в другой - над алюминием имеется припой. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

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

Известен интегральный преобразователь давления, представляющий собой микроконструкцию, состоящую из профилированного кремниевого кристалла с плоской рабочей поверхностью. Кристалл имеет кольцевую пассивную часть, внутри которой имеется мембрана, на которой расположены тензочувствительные резисторы. Эти резисторы, выполненные в виде угла, перпендикулярного краю мембраны, таким образом, что одна сторона угла образует один тензорезистор, а другая другой тензорезистор. Эти пары тензорезисторов расположены посередине края мембраны и соединены друг с другом в мостовую схему и выведены с помощью металла на контактные площадки. При подаче давления на мембрану в ней возникают напряжения, вызывающие изменения тензорезисторов, которое фиксируется.

Недостатками данного преобразователя давления являются: различное положение тензорезисторов на мембране по отношению к возникающим напряжениям, что снижает чувствительность, а также линейность мостовой схемы. Концентрация всех тензорезисторов в одном месте на мембране приводит к большому их разогреву.

Указанные недостатки устранены в интегральном преобразователе давления (ИПД), имеющем аналогичную конструкцию из монокристаллического кремния, выбранного в качестве прототипа. Два резистора в нем расположены радиально к направлению центра мембраны, а два других тангенциально. Тензорезисторы соединены друг с другом в замкнутую мостовую схему и выведены на четыре контактные площадки. Тензорезисторы окружены охранной областью противоположного им типа проводимости, охватывающей весь кристалл. При подаче давления на мембрану в ней возникают напряжения, которые, вызывают изменения тензорезисторов, которые фиксируются.

Недостатки данного преобразователя следующие: у радиальных тензоpезисторов на мембране имеется тангенциальная часть, что снижает чувствительность, а также линейность мостовой схемы; наличие только мостовой тензорезистивной схемы не дает возможности контроля величины утечек и отбраковки негодных кристаллов; так как интегральные тензорезисторы расположены на поверхности монокристалла, имеющего значительно более низкую степень легирования, то 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. Выполненная охрана расположена на значительном расстоянии от тензорезисторов и незначительно снижает вероятность утечек.

Кроме того, наличие только мостовой тензорезистивной схемы не дает возможности контроля величины утечек и отбраковки негодных кристаллов.

Данное изобретение решает следующие задачи: повышение чувствительности мостовой схемы тензопреобразователя; повышение линейности выходного сигнала мостовой схемы тензопреобразователя; повышение качества тензопреобразователя за счет возможности автоматизированной отбраковки кристаллов с утечками и подстройки начального разбаланса моста; повышение качества метрологических измерений и монтажа преобразователя в конечное устройство; расширение возможностей соединения преобразователя с внешней электронной схемой.

Сущность изобретения заключается в следующем. Интегральный преобразователь давления, содержащий выполненные из единого монокристалла кремния 1-го типа проводимости основание и мембрану. Их рабочие поверхности расположены в одной плоскости. На рабочей поверхности мембраны в монокристалле кремния выполнены тангенциальные и радиальные тензорезисторы 2-го типа проводимости, которые окружены высоколегированными охранными областями 1-го типа проводимости, расположенными также в монокристалле, и соединены с помощью металлизации в мостовую схему. Узлы схемы выведены на расположенные на основании контактные площадки. Интегральный преобразователь давления отличается тем, что каждое плечо мостовой схемы образовано двумя тензорезисторами, соединенными последовательно металлизацией или высоколегированной областью 2-го типа проводимости, тензорезисторы расположены на мембране таким образом, что продольные оси каждой пары тангенциальных тензорезисторов совпадают, а радиальных параллельны, при этом поперечные оси радиальных тензорезисторов расположены на расстоянии (0,3-2,5)L от близлежащего края мембраны, где L-расстояние от продольных осей тангенциальных тензорезисторов до близлежащего края мембраны. Охранные области расположены на расстоянии 3-8 мкм от края каждого тензорезистора. На рабочей поверхности выполнено не менее одного омического контакта к кристаллу, электрически соединенного с дополнительно сформированной контактной площадкой, расположенной на основании.

Изобретение имеет дополнительные отличительные признаки. Каждая контактная площадка состоит из двух частей, одна из которых выполнена из алюминия, а на поверхности второй сформирован бугорок припоя.

Предлагаемая геометрия тензорезисторов обеспечивает повышение выходного сигнала мостовой тензорезистивной схемы и его линейности благодаря их симметричному нахождению относительно эпюры напряжений в мембране, а также благодаря симметричному теплоотводу выделяемой на них мощности к более массивному основанию и, следовательно, выполнения условия одинаковой температуры на всех тензорезисторах. Наличие высоколегированных охранных областей 1-го типа проводимости, расположенных вокруг каждого тензорезистора на расстоянии 3-8 мкм приводит к ликвидации поверхностных утечек тензорезисторов на подложку, 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 очевидно 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 напряжением 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, да 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.

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 к вторым частям площадок, покрытых припоем, например медные провода требуемой длины для каждого конкретного случая применения преобразователя.

На фиг. 1 изображен продольный разрез ИПД; на фиг. 2 рабочая поверхность ИПД; на фиг. 3 разрез интегральной структуры в области тензорезистора; на фиг. 4 разрез интегральной структуры в области омического контакта к кристаллу; на фиг. 5 разрез структуры контактной площадки.

ИПД состоит из монокристалла кремния, вырезанного из кремниевой подложки 1-го типа проводимости.

На фиг. 1 представлен продольный разрез данного монокристалла, который имеет кольцевое основание 1 и чувствительную к давлению мембрану 2.

На фиг. 2 представлен вид рабочей поверхности ИПД. На рабочей поверхности мембраны методами интегральной технологии сформированы диффузионные тензорезисторы 3 2-го типа проводимости. Тензорезисторы окружены сформированными аналогичным образом охранными областями 4 1-го типа проводимости. С помощью алюминиевой металлизации 11 тензорезисторы соединены в мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки 6-10. Кроме контактов к тензорезисторам имеется омический контакт металлизации к кристаллу 5, который сформирован с помощью аналогичной охранным высоколегированной n-области 12 и выведен на отдельную контактную площадку.

На фиг. 3 представлен разрез интегральной структуры в области тензорезистора 3 и окружающей его охранной области 4.

На фиг. 4 представлен разрез интегральной структуры в области омического контакта к кристаллу в высоколегированной области 12, выполненного с помощью слоя алюминиевой металлизации 11.

На фиг. 5 представлен разрез двойной контактной площадки, которая состоит из слоя алюминиевой металлизации 11, лежащего на пленке 14 оксида кремния, сформированного на поверхности кристалла 1. Часть контактной площадки состоит только из алюминия, а во второй ее части над алюминием имеется "бугорок" припоя 13, достаточный для осуществления припаивания проволочных проводников.

Формула изобретения

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, содержащий выполненные из единого монокристалла кремния первого типа проводимости основание и мембрану, рабочие поверхности которых расположены в одной плоскости, выполненные на рабочей поверхности мембраны в монокристалле кремния тангенциальные и радиальные тензорезисторы второго типа проводимости, которые окружены высоколегированными охранными областями первого типа проводимости, расположенными также в монокристалле, и соединены с помощью металлизации в мостовую схему, узлы которой выведены на расположенные на основании контактные площадки, отличающийся тем, что каждое плечо мостовой схемы образовано двумя тензорезисторами, соединенными последовательно металлизацией или высоколегированной областью второго типа проводимости, тензорезисторы расположены на мембране так, что продольные оси каждой пары тангенциальных тензорезисторов совпадают, а радиальных параллельны, при этом поперечные оси радиальных тензорезисторов расположены на расстоянии (0,3 2,5)/L от близлежащего края мембраны, где L расстояние от продольных осей тангенциальных тензорезисторов до близлежащего края мембраны, охранные области расположены на расстоянии 3 8 мкм от края каждого тензорезистора, а на рабочей поверхности выполнено не менее одного омического контакта к кристаллу, электрически соединенного с дополнительно сформированной контактной площадкой, расположенной на основании.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждая контактная площадка состоит из двух частей, одна из которых выполнена из алюминия, а на поверхности другой сформирован бугорок припоя.

РИСУНКИ

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