Высокоточный тензодатчик
Изобретение относится к технике полупроводниковых приборов, в частности к изготовлению тензодатчиков механических величин на основе тензочувствительных полупроводниковых резисторов. Тензодатчик согласно изобретению включает покрытое изоляционным слоем основание, состоящее из недеформируемой части и упругодеформируемой мембраны, на которой расположен мост Уитстона, выполненный из соединенных проводниками полупроводниковых тензочувствительных резисторов, включающих слой полупроводника, снабженного на концах контактами из слоя металла, расположенного на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, при этом тензодатчик содержит дополнительный мост Уитстона, который расположен на недеформируемой части основания, причем проводники и контакты выполнены трехслойными, при этом их первый слой, расположенный на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, выполнен из алюминия, срединный слой выполнен из сплава алюминия с никелем или кобальтом, а внешний слой выполнен из никеля или кобальта. Изобретение обеспечивает повышение точности и чувствительности измерений, снижение погрешности измерений, более низкий уровень собственных шумов тензодатчика, обеспечение возможности быстрых измерений давления при резких изменениях температуры окружающей среды, повышение стабильности электрических параметров во времени и повышение устойчивости к воздействию агрессивных сред. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике полупроводниковых приборов, в частности к изготовлению тензодатчиков механических величин на основе тензочувствительных полупроводниковых резисторов.
Известен датчик давления, включающий установленные на упругодеформируемом основании два тензочувствительных полупроводниковых резистора, выполненных на основе монокристаллов моносульфида самария, которые обладают различной тензочувствительностью за счет различающегося легирования селеном. Одновременное определение давления и температуры производят по результатам измерения сопротивления тензочувствительных полупроводниковых резисторов и расчетов с использованием вычислительных устройств. Известный датчик предназначен для точного измерения давления при исключении температурной составляющей погрешности.
(SU 1657987 A1, G01L 9/10, опубл. 1991.06.23.)
Недостатком известного датчика давления является нестабильность во времени градуировочных характеристик тензочувствительных резисторов (сопротивления резистора как функции давления и температуры), которые используются в расчетах величин давления и температуры. Указанная нестабильность связана с известным недостатком тензочувствительных полупроводниковых резисторов на основе моносульфида самария: деградация или отслаивание металлического контакта (из никеля, кобальта, константана и т.п.) от поверхности полупроводника и высокий уровень собственных шумов.
(SU 238434, Н01L 21/02, опубл. 1994.12.15.)
Кроме того, известный датчик дает значительные погрешности при резком изменении температуры во времени.
Наиболее близким является датчик давления, включающий упругодеформируемое основание, в частности, мембранного типа, покрытое изоляционным слоем из окиси кремния, стекла или слюды толщиной 0,5-10 мкм, и расположенные на нем на разных сторонах основания полупроводниковые тензорезисторы на основе моносульфида самария, соединенные в мост Уитстона. Тензорезисторы включают слой поликристаллического моносульфида самария, выполненный в виде ленты (параллелепипеда) толщиной 0,5-1,0 мкм, который на концах снабжен токосъемными контактами (включая контактные дорожки-соединительные проводники), выполненными из никеля или кобальта методом вакуумного напыления и расположенными на части поверхности слоя моносульфида самария и изоляционного слоя.
(WO 99/24804, G01L 1/22, 25/00, 27/00, опубл. 1999.05.25.)
Недостатками данного датчика давления являются значительные погрешности измерений при динамическом (резком) изменении температуры, изменение электрических параметров датчика со временем, в результате - деградация и отслаивания напыленного металла от подложки, высокий уровень шумов, что снижает эксплуатационные и метрологические характеристики датчика. Кроме того, размещение тензочувствительных элементов по разные стороны упругодеформируемого основания и их электрическое соединение значительно увеличивает трудоемкость изготовления датчика давления и его стоимость.
Задачей изобретения является создание высокоточного тензодатчика на основе тензочувствительных полупроводниковых резисторов.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности измерений, снижение погрешности измерений, более низкий уровень собственных шумов тензодатчика, обеспечение возможности быстрых измерений давления при резких изменениях температуры окружающей среды, повышение стабильности электрических параметров во времени и повышение устойчивости к воздействию агрессивных сред.
Технический результат достигается тем, что тензодатчик включает покрытое изоляционным слоем основание, состоящее из недеформируемой части и упругодеформируемой мембраны, на которой расположен мост Уитстона, выполненный из соединенных проводниками полупроводниковых тензочувствительных резисторов, включающих слой полупроводника, снабженного на концах контактами из слоя металла, расположенного на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, при этом тензодатчик содержит дополнительный мост Уитстона, который расположен на недеформируемой части основания, причем проводники и контакты выполнены трехслойными, при этом их первый слой, расположенный на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, выполнен из алюминия, срединный слой выполнен из сплава алюминия с никелем или кобальтом, а внешний слой выполнен из никеля или кобальта.
Кроме того, слой полупроводника выполнен в виде ленты толщиной 0,1-1,0 мкм; изоляционный слой выполнен толщиной 3-15 мкм из оксида кремния, оксида алюминия, карбида кремния, нитрида кремния; слой полупроводника состоит из вещества, выбранного из группы: моносульфид самария, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия; слой полупроводника имеет поликристаллическую структуру; ширина слоя полупроводника составляет 200-500 мкм; срединный слой выполнен из сплава, содержащего 1-99 мас.% никеля или кобальта, алюминий - остальное; дополнительно включает внешнее защитное покрытие, выполненное из оксида кремния SiO.
Изобретение может быть проиллюстрировано чертежами, представленными на фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 представлен вид датчика сверху, на фиг.2 - вид датчика сбоку, на фиг.3 - разрез полупроводникового тензочувствительного резистора, где
1 - основание;
2 - изоляционный слой;
3 - упругодеформируемая мембрана - деформируемая часть основания;
4 - недеформируемая часть основания;
5 - полупроводниковые тензочувствительные резисторы, соединенные в мост Уитстона на упругодеформируемой мембране;
6 - полупроводниковые тензочувствительные резисторы, соединенные в мост Уитстона на недеформируемой части основания;
7 - проводник - контактная дорожка;
8 - слой полупроводника;
9 - контакт;
10 - первый слой из алюминия;
11 - срединный слой из сплава алюминия с никелем или кобальтом;
12 - внешний слой из никеля или кобальта;
13 - внешнее защитное покрытие.
Тензодатчик по изобретению изготавливают следующим образом. На поверхность основания (1), которое выполнено из металла и состоит из упругодеформируемой мембраны (3) и недеформируемой части (4), известными способам напыления в вакууме наносят изоляционный слой (2) из известных диэлектриков: оксид кремния, оксид алюминия, карбид кремния или нитрид кремния. Толщина изоляционного слоя может составлять 3-15 мкм. На полученном изоляционном слое (2) известными способами по известным правилам формируют два моста Уитстона из полупроводниковых тензочувствительных резисторов (5, 6). Первый мост Уитстона формируют на поверхности упругодеформируемой мембраны (3), а второй дополнительный мост Уитстона - на недеформируемой части (4) основания (1). Для изготовления полупроводниковых тензочувствительных резисторов, как элементов мостов Уитстона, на поверхность изоляционного слоя (2) вакуумным напылением по шаблону наносят слои (8) полупроводника (моносульфид самария, кремний и т.д.) в виде ленты (параллелепипеда) толщиной 0,1-1,0 мкм и шириной 200-500 мкм, который имеет поликристаллическую структуру. Затем напылением в вакууме на концах слоев полупроводников (8) формируют контакты (9) и одновременно - проводники-контактные дорожки (7), которые обеспечивают электрическое соединение полупроводников в мосты Уитстона, а также электрические выводы для подсоединения к средствам измерения сигналов мостов. При этом контактная дорожка может быть использована в качестве плеча измерительного моста Уитстона. Для формирования контакта (9) на часть поверхности полупроводника и изоляционного слоя наносят первый проводящий слой (10) из алюминия требуемой формы, который обеспечивает низкое омическое сопротивление перехода металл - полупроводник, его стабильность во времени, а также увеличение точности чувствительности тензорезисторного датчика, снижение уровня его собственных шумов. Затем наносят срединный проводящий слой (11) требуемой формы путем напыления сплава алюминий-никель или алюминий-кобальт, который содержит 1-99 мас.% никеля или кобальта, алюминий - остальное. Срединный (второй) проводящий слой (11) предназначен для обеспечения стабильности свойств первого слоя (10) из алюминия, уменьшение деградации омического перехода полупроводник - алюминий. Свойства срединного проводящего слоя (11), выполненного из сплава алюминия с никелем или кобальтом, не зависят от выбора никеля или кобальта в качестве компонента сплава с алюминием. После этого наносят внешний (третий) проводящий слой (12) из никеля или кобальта, который защищает нижележащие слои от внешних механических воздействий, стабилизирует механические и электрические свойства нижележащих слоев и обеспечивает простоту и надежность соединения концевых выводов полупроводниковых резисторов и датчика в целом к средствам измерения сигнала датчика. В заключении известными способами наносят внешнее защитное покрытие, выполненное из оксида кремния SiO, которое также стабилизирует механические и электрические свойства контакта, обеспечивает устойчивость полупроводникового резистора по изобретению в агрессивных средах. Одновременно с формированием контакта осуществляют формирование трехслойных контактных (коммутационных) дорожек, соединяющих полупроводниковые тензочувствительные резисторы в мосты Уитстона, а также указанные мосты с выводами датчика, в том числе концевыми для соединения со средствами измерения (не показаны).
Результатом указанных выше технологических операций из полупроводниковых тензочувствительных резисторов формируются два моста Уитстона с трехслойными контактами и проводниками. Один из мостов Уитстона расположен на упругодеформируемой мембране (3), а второй, дополнительный - на недеформируемой части (4) основания.
Достижение технического результата может быть проиллюстрировано примерами. В качестве объекта сравнения были использованы датчик на основе моносульфида самария SmS, полученный по известной технологии, а также стандартные полупроводниковые тензодатчики давления, серийно выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью, на основе КНК (кремний на кремнии), КНС (кремний на сапфире) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник (поликремний)) структур.
В качестве тензочувствительных элементов тензодатчика по изобретению были использованы полупроводниковые тензочувствительные резисторы, включающие изоляционный слой из оксида кремния SiO (вариант А) или оксида алюминия (вариант Б) толщиной 3,5 и 5 мкм соответственно, слой поликристаллического моносульфида самария SmS толщиной 0,5 мкм и шириной 300 мкм или слой поликристаллического арсенида галлия толщиной 0,8 мм и шириной 400 мкм. Первый слой, расположенный на поверхности тензочувствительного полупроводника, был выполнен вакуумным напылением из алюминия, второй - из сплава, содержащего 50 мас.% никеля, алюминий - остальное, а внешний слой - из никеля. Толщина первого слоя составила 0,2 мкм, срединного - 0,15 мкм, внешнего - 0,15 мкм, которые контролировались временем вакуумного напыления и температурой испарителя и подложки. Контактные дорожки (коммутационные дорожки) были одновременно выполнены трехслойными с толщинами отдельных слоев, указанными выше. Внешнее защитное покрытие было выполнено из оксида кремния SiO толщиной 5 мкм.
Полупроводниковые тензочувствительные резисторы 5 (поликристаллические моносульфид самария или арсенида галлия), преобразующие деформацию мембраны (3) в электрический сигнал, расположены по парам в зонах максимальной деформации (растяжения и сжатия), т.е. в центре и на периферии мембраны (3), и соединены в мост Уитстона контактными дорожками (7), так чтобы тензочувствительные резисторы 5, находящиеся в одной зоне деформации, были включены в противоположные плечи моста.
При осуществлении измерений тензодатчиком по изобретению пользуются стандартными средствами. При этом мост Уитстона, расположенный на упругодеформируемой мембране (3), соединен с устройством измерения давления, а дополнительный мост Уитстона, расположенный на недеформируемой части основания (4), соединен с устройством измерения температуры. Дополнительный мост Уитстона для компенсации погрешностей, связанных с изменением температуры и неравномерностей деформации мембраны (3), позволяет заметно повысить точность и чувствительность измерений, если он содержит полупроводниковые тензочувствительные резисторы с контактами и дорожками, выполненными трехслойными.
Пара полупроводниковых резисторов 6 преобразователя температуры расположена на недеформируемой части основания 4 и соединена коммутационными дорожками 7 (номинал сопротивлений которых равен сопротивлению полупроводниковых резисторов) в дополнительный мост Уитсона, поскольку для варианта A αSmS=-2,5×10-3/°C а αNi=+2,5×10-3/°C.
Преимущество тензодатчиков по изобретению составило: по точности и чувствительности - в 1,5-2,5 раза по сравнению с КНК и известным датчиком на основе SmS; по точности и чувствительности - в 3-5 раз по сравнению с КНС и известным датчиком на основе SmS; по точности и чувствительности - в 5-8 раз по сравнению с МДП и известным датчиком на основе SmS; по снижению уровня собственных шумов - в 1,5-3 раза, по снижению погрешности измерений при динамическом изменении температуры от -40 до +125°С - в 10-30 раз по сравнению с известным датчиком на основе SmS. Испытания показали высокую стабильность электрических параметров тензодатчика по изобретению во времени и устойчивость к воздействию коррозионно-активных жидкостей на основе хлорида натрия.
1. Тензодатчик, включающий покрытое изоляционным слоем основание, состоящее из недеформируемой части и упруго деформируемой мембраны, на которой расположен мост Уитстона, выполненный из соединенных проводниками полупроводниковых тензочувствительных резисторов, включающих слой полупроводника, снабженного на концах контактами из слоя металла, расположенного на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, отличающийся тем, что тензодатчик содержит дополнительный мост Уитстона, который расположен на недеформируемой части основания, причем проводники и контакты выполнены трехслойными, при этом их первый слой, расположенный на части поверхности полупроводника и изоляционном слое, выполнен из алюминия, срединный слой выполнен из сплава алюминия с никелем или кобальтом, а внешний слой выполнен из никеля или кобальта.
2. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что слой полупроводника выполнен в виде ленты толщиной 0,1-1,0 мкм.
3. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что изоляционный слой выполнен толщиной 3-15 мкм из оксида кремния, оксида алюминия, карбида кремния, нитрида кремния.
4. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что слой полупроводника состоит из вещества, выбранного из группы: моносульфид самария, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия.
5. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что слой полупроводника имеет поликристаллическую структуру.
6. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что ширина слоя полупроводника составляет 200-500 мкм.
7. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что срединный слой выполнен из сплава, содержащего 1-99 мас.% никеля или кобальта, алюминий - остальное.
8. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает внешнее защитное покрытие, выполненное из оксида кремния SiO.
