Кремниевый микроэлектромеханический преобразователь соколова

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к микроэлектромеханическим преобразователям. Кремниевый микроэлектромеханический преобразователь содержит тонкую квадратную мембрану и тензорамку с тензорезисторами мостовой схемы, при этом тензорамка выполнена монолитной с трапецеидальным сечением и неразъемно соединена своим широким основанием через слой стекла с мембраной. Оси симметрии мембраны и тензорамки совпадают с прецизионной точностью, а тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии. Длина тензорамки L меньше линейного размера мембраны на величину 0,2...4,5(H-h)ctgγ, где Н - высота кремниевого кристалла с мембраной, h - толщина мембраны, γ - угол, образованный кристаллографическими плоскостями {100} и {111} при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния. Технический результат - повышение долговременной стабильности преобразовательной характеристики, увеличение тензочувствительности микромеханического преобразователя, расширение диапазона рабочих температур. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к микроэлектромеханическим преобразователям, и позволяет повысить долговременную стабильность преобразовательной характеристики, увеличить тензочувствительность, а также расширить диапазон рабочих температур.

Известна разработка микроэлектромеханических преобразователей (микрогироскопов) на основе структуры кремния и стекла [1].

Известен кремниевый преобразователь давления [2], на тонкой мембране которого сформированы тензорезисторы с помощью диффузии или ионного легирования подложки.

Главным недостатком такого преобразователя является то, что кремниевая подложка имеет конечную величину сопротивления. По этой причине между резисторами будут протекать токи утечки, величина которых меняется в зависимости от изменения температуры подложки.

Кроме этого на границах раздела кремния с диоксидом кремния образуются объемные электрические заряды и обусловленные ими электрические поля, величины которых меняются при изменении условий окружающей среды.

Тензорезисторы, сформированные в мембране, вызывают в ней локальные упругие напряжения, которые релаксируют как во времени, так и в условиях изменения параметров окружающей среды.

Поскольку вышеперечисленные физико-технологические процессы имеют случайный характер, то и преобразовательная характеристика нестабильна во времени.

Сущность изобретения: кремниевый микроэлектромеханический преобразователь содержит монолитную тензорамку трапецеидального сечения 2 (фиг.1 и 2) с тензорезисторами мостовой схемы, неразъемно соединенную своим широким основанием через тонкий слой стекла с тонкой мембраной 1 (фиг.2), при этом оси симметрии мембраны и рамки совпадают с прецизионной точностью, а рамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, длина рамки L меньше линейного размера квадратной мембраны на величину 0,2...4,5(H-h)ctgγ.

В основу работы преобразователя положено изменение величины сопротивления тензорезисторов мостовой схемы монолитной кремниевой рамки в зависимости от величины внешнего механического воздействия на тонкую мембрану 1, вызывающего упругие деформации в мембране, отличающиеся как по величине, так и по знаку (растяжение или сжатие) в различных областях мембраны.

Целью изобретения является повышение долговременной стабильности преобразовательной характеристики, увеличение тензочувствительности микроэлектромеханического преобразователя, расширение диапазона рабочих температур.

Повышение долговременной стабильности микроэлектромеханических преобразователей является необходимым условием для создания высокоточных датчиков механических величин с цифровым выходным сигналом [3]. Кремниевый микроэлектромеханический преобразователь 5 в датчике абсолютного давления с цифровым выходным сигналом показан на фиг.3, 6 - микроконтроллер.

Поставленная цель достигается тем, что тензорезисторы мостовой схемы выполнены в виде монолитной тензорамки трапецеидального сечения, неразъемно соединенной своим широким основанием через тонкий слой стекла с тонкой мембраной, при этом оси симметрии мембраны и рамки совпадают с прецизионной точностью, а рамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, длина рамки L меньше линейного размера квадратной мембраны на величину

0,2...4,5(H-h)ctgγ,

где Н - высота кремниевого кристалла с мембраной,

h - толщина мембраны,

γ - угол, образованный кристаллографическими плоскостями {100} и {111} при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния.

Совмещение осей координат мембраны и тензорамки с прецизионной точностью обеспечивает высокую линейность преобразовательной характеристики при высокой тензочувствительности, поскольку тензорезисторы мостовой схемы позиционируются с прецизионной точностью в соответствующих областях на поверхности мембраны (в областях равной тензочувствительности), что показано в результатах исследований распределения упругих напряжений (деформаций) в кремниевых интегральных преобразователях давления [4].

Тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии рамки, а длина рамки L меньше линейного размера 2а квадратной мембраны на величину 0,2...4,5(H-h)ctgγ.

Максимальное приближение длинных сторон тензорамки к продольной оси преобразователя, а также меньшая длина L рамки по сравнению с линейным размером стороны квадратной мембраны 2а на величину 0,2...4,5(H-h)ctgγ позволяют повысить тензочувствительность преобразователя, так как максимум тензочувствительности тензорезисторов, работающих на растяжение, находится вблизи контура защемления мембраны, а работающих на сжатие - вблизи продольной оси симметрии рамки, а именно в области пересечения продольной и поперечной осей симметрии рамки. Н - высота кремниевого кристалла с мембраной, h - толщина мембраны, γ=54,74° - угол, образованный кристаллографическими плоскостями {100} и {111} при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния [5].

В случае равенства или превышения длины рамки L по сравнению с линейным размером стороны квадратной мембраны 2а увеличивается жесткость мембраны и снижается тензочувствительность.

Интервал значений 0,2...4,5(H-h)ctgγ выбран из соображения технологической возможности (максимального разрешения), обеспечиваемой современным и перспективным оборудованием для процессов литографии.

Устройство интегрального микроэлектромеханического преобразователя на основе многослойной структуры кремния и стекла и сформированной тензорамки трапецеидального сечения, сопрягающейся широким основанием с тонким слоем стекла, имеющим бесконечное электрическое сопротивление и конечное тепловое сопротивление, позволяет исключить токи утечки, их зависимость от температуры, расширить рабочий диапазон температуры, а также минимизировать нагрев тензорезисторов.

Отсутствие контакта кремния с диоксидом кремния исключает образование объемных электрических зарядов и обусловленных ими электрических полей, а значит зависимости преобразовательной характеристики от условий окружающей среды.

Отсутствие операций диффузии или имплантации для формирования тензорезисторов исключает образование локальных упругих напряжений в мембране, а значит и релаксационные процессы.

Укрепленный на поверхности слоя 3 стеклянный колпачок 4 позволяет решить ряд проблемных задач: создать вакуумный тензоузел преобразователя для измерения абсолютных давлений, при этом обеспечить защиту тензорамки от загрязнений, вносимых внешней средой.

При использовании этого колпачка для преобразователей избыточного или дифференциального давлений существенно снижается вероятность загрязнения тензорамки, обуславливающего появление миграционных токов, которые носят случайный характер.

Принимая во внимание, что в данной конструкции преобразователя, базирующейся на предложенных технических решениях, исключаются выше указанные физико-химические процессы случайного характера, то по этой причине долговременная стабильность преобразовательной характеристики должна улучшаться.

В настоящее время в соответствии с предлагаемыми техническими решениями разработаны топологические чертежи на изготовление фотошаблонов для создания ряда унифицированных экспериментальных микроэлектромеханических преобразователей и датчиков давления на их основе с выходным сигналом в цифровом виде (фиг.3) с целью проведения натурных испытаний датчиков для измерения давления воздуха, топлива, масла как на входе в авиационный двигатель, так и в соответствующих магистралях двигателя, согласно совместного с ФГУП "Завод им. В.Я.Климова" решения по вопросу разработки перспективных датчиков давления от 14.04.2005 г.

Ожидаемые технические характеристики указанных преобразователей и датчиков на их основе предполагают их применение и в различных общесамолетных системах, а также в автомобильной и нефтегазовой промышленности, в бытовой и медицинской технике, в робототехнике и автоматизации промышленного оборудования.

По прогнозам на 2006 год европейский рынок по сенсорам давления может выйти на уровень 488,2 миллионов долларов. Наиболее крупный сектор этого рынка составят интегральные микроэлектромеханические преобразователи и датчики давления на их основе [6].

Источники информации

1. Погалов А.И., Тимошенков В.П., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А. Разработка микрогироскопов на основе многослойных структур кремния и стекла // Микросистемная техника, №1, 1999, с.36-40.

2. Авторское свидетельство СССР №1404852, кл. G01L 9/04, 1986.

3. Соколов Л.В., Школьников В.М. Временная стабильность интегральных датчиков как важнейшее условие их применения в авиационных микропроцессорных системах // Измерительная техника. 2002. №4, с.27-29.

4. Sokolov L.V. Investigation and optimization from minimym nonlinearity of integral presser trundusers // Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems and Components. "SENSOR TECNO". St.Peterburg. 1993, p.53-57.

5. К.Э.Петерсен. Кремний как механический материал ТИИЭР, 1982, том 70, №5, с.5-49.

6. Слепов В.И. Европейский рынок датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. №3, с.55-57.

Кремниевый микроэлектромеханический преобразователь, содержащий тонкую квадратную мембрану и тензорамку с тензорезисторами мостовой схемы, при этом тензорамка выполнена монолитной с трапецеидальным сечением и неразъемно соединена своим широким основанием через слой стекла с мембраной, оси симметрии мембраны и тензорамки совпадают с прецизионной точностью, а тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, длина тензорамки L меньше линейного размера мембраны на величину 0,2...4,5(H-h)ctgγ, где Н - высота кремниевого кристалла с мембраной,

h - толщина мембраны,

γ - угол, образованный кристаллографическими плоскостями {100} и

{111} при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния.