Интегральный преобразователь давления

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат изобретения: уменьшение погрешностей преобразователя давления (ПД), таких как температурный дрейф, температурный гистерезис выходного сигнала тестовой схемы, и повышение точностных и надежностных характеристик ПД. Сущность: преобразователь давления содержит кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой мембраной в центре кристалла с обратной стороны, на рабочей поверхности которого сформированы радиальные и тангенциальные тензорезисторы р-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему. Соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью специально созданных за пределами мембраны и за ее переходными областями промежуточных высоколегированных областей р⁺-типа проводимости. Высоколегированные промежуточные области р⁺-типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть кремниевого основания. Промежуточные области р⁺-типа проводимости имеют одинаковые размеры и форму. 1 ил.

 

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

Известен интегральный преобразователь давления (ИПД), представляющий собой микроконструкцию, состоящую из профилированного кремниевого кристалла с плоской рабочей поверхностью, внутри которой выполнена тонкая мембрана, на плоской стороне которой размещены пары тензочувствительных резисторов по середине края мембраны, соединенные в мостовую схему и выведенные с помощью металлической разводки на контактные площадки. [1]

Недостатками данного преобразователя давления являются низкая чувствительность, а также высокая нелинейность их выходных характеристик.

Указанные недостатки частично устранены в ИПД, тем, что на поверхности плоской мембраны расположены два тензорезистора, радиально направленные к центру мембраны, а два других - тангенциально. Тензорезисторы соединены друг с другом в замкнутую мостовую схему и выведены на четыре контактные площадки. [2]

Недостатки данного преобразователя давления следующие: у радиальных тензорезисторов на мембране имеется тангенциальная часть, что приводит к снижению чувствительности, а также линейности мостовой схемы; наличие только мостовой тензорезистивной схемы не дает возможности контроля величины утечек и отбраковки негодных кристаллов.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь давления, представляющий собой кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской мембраной. На лицевой поверхности мембраны у ее краев расположены тангенциальные и радиальные тензорезисторы p-типа проводимости, соединенные металлической разводкой в мостовую схему. [3]

Недостатком данного ИПД является высокая температурная погрешность и температурный гистерезис выходного сигнала мостовой схемы, обусловленные тем, что при соединении тензорезисторов с металлической разводкой фрагменты металлической разводки распространяются на мембрану и на участки над переходными областями, образующимися на краях мембраны в процессе анизотропного травления кремния при ее формировании.

Целью изобретения является уменьшение погрешностей преобразователя давления, таких как температурный дрейф, температурный гистерезис выходного сигнала мостовой схемы, и повышение точностных и надежностных характеристик ИПД.

Изобретение направлено на предотвращение присутствия фрагментов металлической разводки на мембране и над переходными областями краев мембраны и, таким образом, предотвращении значительных ухудшений характеристик ИПД.

Цель достигается следующим образом. Интегральный преобразователь давления содержит кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой мембраной в центре кристалла с обратной стороны. На рабочей поверхности кристалла сформированы радиальные и тангенциальные тензорезисторы p-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему. Предотвращение негативных воздействий металлической разводки на характеристики ИПД осуществляется с помощью соединения тензорезисторов с металлической разводкой дополнительно созданными промежуточными высоколегированными областями p⁺-типа проводимости за пределами мембраны и за ее переходными областями. Высоколегированные промежуточные области p⁺-типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть кремниевого основания, как это видно на чертеже. Промежуточные области p⁺-типа проводимости имеют одинаковые размеры и форму.

Исследования характеристик ИПД показали, что присутствие на мембране и над ее переходными областями фрагментов металлической разводки, температурный коэффициент которых (ТКР) в несколько раз отличается от ТКР кремния, вызывает неконтролируемые механические напряжения в области мембраны. При подаче электрического питания на тензорезистивную мостовую схему наблюдаются значительные различия выходных сигналов на образцах с фрагментами металлической разводки и без нее в пределах мембраны и переходных областей. Различия наблюдаются как при отсутствии воздействия внешних давлений, так и при подаче давления на мембрану. Фрагменты металлической разводки в процессе работы изменяют свои характеристики, что вызывает неконтролируемое изменение выходных сигналов, возникновение температурного гистерезиса выходного сигнала и увеличение температурного дрейфа выходных характеристик.

На чертеже представлен пример поперечного разреза интегрального преобразователя давления. ИПД содержит следующие элементы:

6 - кремниевый кристалл n-типа проводимости с концентрацией примеси;

5 - плоская мембрана;

3 - тензорезистор мостовой схемы р-типа проводимости с концентрацией примеси 5·10¹⁸ см^-3 и глубиной 1,5 мкм;

1 - электрическая разводка металлическими дорожками;

4 - диэлектрический слой;

8 - переходная область у краев мембраны. Отличающиеся от аналога элементы:

2 - промежуточная высоколегированная область p⁺-типа проводимости с концентрацией 5·10¹⁹ см^-3 и глубиной 2,5 мкм;

Дополнительный элемент:

7 - n⁺ «охранные» кольца вокруг тензорезисторов и областей p⁺-типа проводимости (в аналоге эти области окружали только тензорезисторы);

Как видно на чертеже, соединение тензорезисторов (3) с внешней металлической разводкой (1) с помощью промежуточных высоколегированных p⁺-областей предотвращает возможность попадания фрагментов металлической разводки на мембрану и переходные области краев мембраны, так как металлические дорожки разводки сдвинуты на кремниевое основание. Переходная область края мембраны скошена, скос возникает в результате применения стандартных технологий анизотропного вытравливания мембраны в щелочных растворах.

Особенностью предлагаемой конструкции ИПД является идентичность переходных высоколегированных p⁺-областей по размерам и рисунку. Геометрия тензорезисторов и промежуточных высоколегированных областей разводки p⁺-типа проводимости 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, выполнению условия одинаковой температуры на всех тензорезисторах. Наличие высоколегированных охранных областей n⁺-типа проводимости, расположенных вокруг каждого тензорезистора и промежуточных областей, позволяет ликвидировать поверхностные утечки тензорезисторов на основания, которые могут 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.

В схеме ИПД предусмотрен контакт к кристаллу, который позволяет производить автоматизированный контроль и отбраковку кристаллов с утечками p-n-лереходов тензорезисторов, например, еще до разделения кремниевой пластины на отдельные кристаллы, аналогично тому, как это делается при изготовлении интегральных микросхем.

Применение в ИПД созданных промежуточных областей p⁺-типа проводимости, выполненных с одинаковыми размерами и рисунком для соединения тензорезисторов с металлической разводкой вне пределов мембраны и ее переходных областей в мостовую схему, позволило значительно повысить точностные характеристики измерительных приборов, например датчиков давления и тензомодулей, изготавливаемых на базе рассматриваемых ИПД.

Для сравнения характеристик ИПД с промежуточными областями p⁺-типа проводимости и без них было изготовлено несколько десятков партий тензомодулей давления серии ТДМ с ИПД исследуемых типов.

Исследование характеристик указанных партий ТДМ показало, что в партиях тензомодулей ТДМ с ИПД без промежуточных областей р⁺-типа проводимости температурный гистерезис колеблется в пределах от 0,4 до 0,6% от максимального выходного сигнала, а в партиях тензомодулей ТДМ с ИПД новых модификаций, в которых созданы промежуточные области p⁺-типа проводимости, гистерезис составляет 0,1÷0,12% от максимального выходного сигнала, что в пять раз меньше, чем в партиях ТДМ с ИПД предыдущих модификаций.

Соответственно, в партиях ТДМ с новыми модификациями ИПД температурные погрешности составляли 0,07÷0,12%/10°С от максимального выходного сигнала, а с предыдущими модификациями - 0,3÷0,5%/10°С от максимального сигнала, что в ˜4 раза больше. Исследования проводились в диапазоне рабочих температур от минус 50°С до плюс 85°С и в диапазоне низких давлений 6÷40 кПа, где максимально проявляются температурные погрешности и температурный гистерезис.

В результате точность тензомодулей датчиков давления, созданных на базе новых модификаций ИПД, увеличилась в 3÷4 раза, а класс точности датчиков давления и измерительных приборов составил 0,1% вместо 0,25 и 0,5% предыдущих конструкций.

Источники информации

1. Ваганов В.И., Беклемишев В.В., Гончарова Н.И. Интегральный тензорезистивный преобразователь давления. В кн.: Электронная измерительная техника. Под ред. А.Г.Филиппова. М.: Атомиздат, 1978, вып. 1, с.136-142.

2. Заявка Японии №63-36153, кл. Н 01 L 29/84, 1988.

3. Патент № RU 2035089 от 22.11.1998 - прототип.

Интегральный преобразователь давления, содержащий кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой мембраной в центре кристалла с обратной стороны, на рабочей поверхности которого сформированы радиальные и тангенциальные тензорезисторы р-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему, отличающийся тем, что соединение тензорезисторов с металлической разводкой выполнено дополнительно созданными промежуточными высоколегированными областями р⁺-типа проводимости за пределами мембраны и ее переходных областей, причем высоколегированные промежуточные области р⁺-типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть основания и имеют одинаковые размеры и форму.