Интегральный балочный тензопреобразователь

 

Использование: в устройствах измерения перемещений и силы. Сущность изобретения: интегральный балочный тензопреобразователь представляет собой прямоугольный модуль из кремния с двумя концентраторами механических напряжений в виде поперечных углублений заданных размеров, на рабочей поверхности которых сформирован тензорезистивный мост. Кроме того, для улучшения характеристик прибора в крайних основаниях со стороны поперечных углублений могут быть расположены углубления или сквозные отверстия, которые являются самосовмещенными с границами концентраторов механических напряжений. Каждая контактная площадка преобразователя может состоять из двух частей, одна из которых является алюминиевой, а во второй - над алюминием имеется припой. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

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

Известен интегральный балочный тензопреобразователь, представляющий собой микроконструкцию, состоящую из кремниевого кристалла с рабочей поверхностью, ориентированной в плоскости (100). Кристалл имеет кольцевую пассивную часть, внутри которой имеется активная часть, отделенная от пассивной части 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 движения с ускорением, механические напряжения, возникающие в концентраторе, вызывают изменения тензорезистора, которое фиксируется и преобразовывается внешней электронной схемой [1] Недостатками данного 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. 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 [2] К недостаткам данного преобразователя следует отнести наличие кольцевой пассивной части, которая не выполняет никаких функций, так как для крепления пассивной части достаточно того, что расположено со стороны соединения с концентратором, приводит к увеличению материалоемкости самого преобразователя и усложнению технологии его изготовления, а также к увеличению габаритов всего устройства в целом; 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) приведет к неравномерным напряжениям в различных областях тензорезисторов и, следовательно, к ухудшению линейности выходного сигнала преобразователя.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и линейности выходного сигнала мостовой схемы тензопреобразователя при его использовании в устройствах для измерения силы или микроперемещений параллелограммного типа; повышение качества тензопреобразователя за счет ликвидации возможности поверхностных утечек; обеспечение возможности автоматизированной отбраковки кристаллов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Интегральный балочный тензопреобразователь (ИБТ) представляет собой микроконструкцию из монокристалла кремния с рабочей поверхностью, ориентированной в кристаллографической ориентации (100). Кристалл выполнен в виде прямоугольника, таким образом, что два основания кристалла соединены более тонким концентратором механических напряжений, и преобразователь содержит третье основание, и соединяющий его с одним из первых оснований второй концентратор механических напряжений. На рабочей поверхности концентратора напряжений в монокристалле кремния сформированы диффузионные тензорезисторы р-типа, соединенные с помощью металлизации в мостовую схему, узлы которой с помощью этой же металлизации выведены на контактные площадки, сформированные вне рабочей поверхности концентраторов механических напряжений. При этом два диффузионных тензорезистора сформированы на рабочей поверхности первого концентратора, а два на рабочей поверхности второго. Все тензорезисторы ориентированы либо вдоль, либо поперек концентраторов механических напряжений. Вокруг тензорезисторов сформированы высоколегированные охранные n⁺-области, выполненные в монокристалле на расстоянии 3-8 мкм от края тензорезисторов. На рабочей поверхности преобразователя выполнен по крайней мере один омический контакт к кристаллу, электрически соединенный с дополнительно сформированной контактной площадкой, расположенной вне рабочей поверхности концентраторов механических напряжений.

Изобретение имеет дополнительные отличительные признаки. На крайних основаниях со стороны, противоположной рабочей поверхности, могут быть расположены углубления или сквозные отверстия. Каждая контактная площадка может состоять из двух частей, одна из которых выполнена из алюминия, а на поверхности другой сформирован бугорок припоя.

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 оснований может быть осуществлено путем традиционного для технологии интегральных схем скрайбирования кремниевых пластин на кристаллы. Расположение тензорезисторов на одной линии посередине между основаниями 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 основаниям 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 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 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, 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. Существенное повышение линейности выходного сигнала достигается при применении данного ИБТ в параллелограммных устройствах для измерения силы, когда мостовая схема формируется из одинаково направленных тензорезисторов, расположенных попарно на поверхности обоих концентраторов механических напряжений.

Предлагаемый ИБТ применяется, как правило, следующим образом.

Крайние основания закрепляются во внешнем устройстве, например в параллелограммном устройстве, на которое осуществляется механическое воздействие в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности, при этом первое крайнее основание смещается относительно второго, вызывая изгиб кристалла в основном в концентраторах напряжений, так как они тоньше других частей, в результате чего изменяется сигнал на выходе тензорезистивной схемы, который фиксируется и обрабатывается внешней электронной схемой.

Наличие углублений или отверстий в крайних основаниях обеспечивает повышение технологичности при монтаже преобразователя в конечное устройство благодаря уже обозначенному месту крепления тензопреобразователя и, следовательно, обеспечивает повышение качества преобразователя. 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 ИБТ; на фиг. 2 рабочая поверхность ИБТ; на фиг. 3 разрез интегральной структуры в области тензорезистора; на фиг. 4 разрез интегральной структуры в области омического контакта; на фиг. 5 разрез структуры контактной площадки.

ИБТ состоит из монокристалла кремния, вырезанного из кремниевой подложки КЭФ-4,5 с ориентацией поверхности в кристаллографической плоскости (100). На фиг. 1 показан продольный разрез ИБТ, из которого видно, что данный монокристалл имеет два основания 1 и 2 равной толщины (т.е. толщину исходной подложки) и соединяющий их концентратор 3 механических напряжений, а также третье основание 4 и соединяющий его с одним из первых оснований второй концентратор 5.

На фиг. 2 представлен вид рабочей поверхности ИБТ. На рабочей поверхности концентраторов методами интегральной технологии сформированы диффузионные тензорезисторы 6 р-типа, два из которых сформированы на одном концентраторе преобразователя, а два на другом. Тензорезисторы окружены сформированными аналогичным образом охранными n-областями 7. С помощью алюминиевой металлизации 8 тензорезисторы соединены в мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки 9-13. Кроме контактов к тензорезисторам имеется омический контакт 14 металлизации к кристаллу, который сформирован с помощью аналогичной охранным высоколегированной n-области 15 и выведен на отдельную контактную площадку.

На фиг. 3 представлен разрез интегральной структуры в области тензорезистора 6 и окружающей его охранной области 7.

На фиг. 4 представлен разрез интегральной структуры в области омического контакта 14 к кристаллу в высоколегированной области, выполненного с помощью слоя 16 металлизации.

На фиг. 5 представлен разрез двойной контактной площадки, которая состоит из слоя 16 алюминия, лежащего на пленке 17 оксида кремния, сформированного на поверхности кристалла 18. Часть контактной площадки состоит только из алюминия, а во второй ее части над алюминием имеется "бугорок" припоя 19, достаточный для осуществления припаивания проволочных проводников.

На фиг. 6 показан пример применения ИБТ. Крайние основания закрепляются в корпусе внешнего устройства 20, к которому прикладывается усилие Р, которое изгибает концентраторы. Выводы площадок 9 и 12 заземляются, к выводам контактов 14 и 11 прикладывается положительное напряжение питания. Возникающие при изгибе механические напряжения вызывают разбаланс тензорезистивного моста, который в виде разности потенциалов снимается с выводов площадок 10 и 13 и обрабатывается требуемым образом внешней электронной схемой.

Формула изобретения

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ БАЛОЧНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий выполненные из единого монокристалла кремния первого типа проводимости два основания и соединяющий их более тонкий концентратор механических напряжений, рабочие поверхности которых расположены в одной кристаллографической плоскости (100), расположенные на рабочей поверхности концентратора в монокристалле кремния диффузионные тензорезисторы второго типа проводимости, соединенные с помощью металлизации в мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные вне рабочей поверхности концентратора механических напряжений, отличающийся тем, что рабочая поверхность преобразователя выполнена в виде прямоугольника, а преобразователь дополнительно содержит третье основание и соединяющий его с одним из первых оснований второй концентратор механических напряжений, идентичный по геометрическим размерам первому, при этом два диффузионных тензорезистора сформированы на рабочей поверхности первого концентратора, а два на рабочей поверхности второго, все тензорезисторы ориентированы либо вдоль, либо поперек концентраторов, каждый тензорезистор окружен дополнительно сформированной охранной высоколегированной областью первого типа проводимости, выполненной в монокристалле на расстоянии 3 8 мкм от края тензорезисторов, на рабочей поверхности преобразователя дополнительно выполнен по крайней мере один омический контакт к кристаллу, электрически соединенный с дополнительно сформированной контактной площадкой, расположенной вне рабочей поверхности концентраторов механических напряжений.

2. Тензопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в крайних основаниях выполнены или углубления со стороны противоположной рабочей поверхности, или сквозные отверстия.

3. Тензопреобразователь по пп.1 3, 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, Рисунок 6