Полупроводниковый преобразователь давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с утолщенным периферийным основанием. Мембрана имеет толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика. Тензорезисторы объединены с помощью проводников, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, в мостовую измерительную схему. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Кроме того, преобразователь содержит дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны и повышение стабильности параметров при повышенных температурах. 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Известны преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [1].

Недостатками данного преобразователя является низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, высокий уровень погрешностей измерений в интервале температур от минус 100 до 600°C.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления и способ его изготовления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, причем мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния, а мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, при этом поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния [2].

Недостатками прототипа являются низкая надежность, низкая прочность мембраны, высокая дополнительная температурная погрешность преобразователя из-за высоких механических напряжений, обусловленных различием свойств кремния, из которого выполнена мембрана, и слоя диэлектрика, изолирующего тензорезисторы от мембраны. Например, коэффициент термического расширения двуокиси кремния (как наиболее типичного диэлектрика) равен $$K_{Si{O}_2}=\mathrm{0,5}\cdot {10}^{-6}{K}^{-1}$$ , а кремния k_Si=4,5·10^-6K^-1 [3, 4]. То есть коэффициенты термического расширения двух слоев отличаются друг от друга приблизительно в 10 раз. Учитывая, что слои занимают эквивалентную площадь и непосредственно соприкасаются друг с другом, в данном преобразователе давления при работе в широком диапазоне температур (от минус 70 до 600°C) будут иметь место значительные механические напряжения, вызванные, помимо различия коэффициентов термического расширения двуокиси кремния и кремния, усадочными явлениями материалов этих слоев, несовершенством проведения технологических процессов, неоднородностью пластической деформации, несоответствием параметров решетки слоев и т.д. [5]. Возникающие высокие механические напряжения растяжения либо сжатия снижают надежность преобразователя и приводят к прогибу мембраны, появлению неинформативного сигнала и, как следствие, - к повышению дополнительной температурной погрешности.

Изобретение направлено на повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны, повышение стабильности параметров при повышенных температурах.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки и содержащую профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, дополнительно сформирован слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов.

Введение предложенной конструкции, содержащей дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов, позволяет снизить уровень механических напряжений, обусловленных различием свойств кремния и диэлектрика.

Предложенная конструкция представляет собой многослойную гетероструктуру, температурные напряжения у которой аналитически определяются из:

где E_f - модуль упругости пленки, ν_f - коэффициент Пуассона пленки, α_s и α_f - температурные коэффициенты линейного расширения слоев, ΔT - диапазон изменения температуры [6]. Согласно выражению (1) кремниевая мембрана при повышении температуры на 50°C по сравнению с нормальными условиями испытывает напряжение порядка 25 МПа, а дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны, так же, как и слой диэлектрика, закрепленный на мембране со стороны тензорезисторов, испытывает напряжение порядка 9 МПа (при этом напряжения слоев диэлектрика равны по значению, но противоположны по знаку), что означает снижение механического напряжения, испытываемого мембраной, на то же значение. Более точные результаты дает численное моделирование в пакете прикладных программ конечно-элементного анализа, по результатам которого усредненное механического напряжение, испытываемое мембраной конструкции-прототипа при повышении температуры на 50°C, составляет порядка 21 МПа, а в предложенной конструкции составляет значение порядка 13 МПа. Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает снижение дополнительных механических напряжений, действующих на тензорезисторы, на значение порядка 62%, что означает снижение дополнительной температурной погрешности на такое же значение, а также повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны. А учитывая, что механические напряжения вызывают деформацию мембраны, особенно при эксплуатации преобразователя при повышенных температурах, то предложенная конструкция также позволяет повысить стабильность параметров при повышенных температурах.

Предлагаемое устройство поясняется фиг.1.

На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану (1) с утолщенным периферийным основанием (2). Мембрана (1) имеет толщину, равную толщине тензорезисторов (3), сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика (4). Тензорезисторы (3) объединены с помощью проводников (5), имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки (6), в мостовую измерительную схему. Мембрана (1) содержит профиль с концентраторами механических напряжений (7) в местах расположения тензорезисторов (3), который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Кроме того, преобразователь содержит дополнительно сформированный слой диэлектрика (8), закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов (3) стороны мембраны (1) и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика (4), закрепленному на мембране (1) со стороны тензорезисторов (3).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Наличие дополнительно сформированного слоя диэлектрика, закрепленного с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равного по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов, обеспечивает взаимную компенсацию механических напряжений, как растяжения, так и сжатия, учитывая идентичность по толщине и физико-механическим свойствам данных слоев, когда деформации, вызванные механическими напряжениями, будут равными по значению, но противоположными по знаку, когда кремниевая мембрана при повышении температуры на 50°C по сравнению с нормальными условиями испытывает напряжение порядка 25 МПа, а дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны, так же, как и слой диэлектрика, закрепленный на мембране со стороны тензорезисторов, испытывает напряжение порядка 9 МПа (при этом напряжения слоев диэлектрика равны по значению, но противоположны по знаку), что означает снижение механического напряжения, испытываемого мембраной, на то же значение. При эксплуатации преобразователя происходит взаимная компенсация механических напряжений, как растяжения, так и сжатия, учитывая идентичность по толщине и физико-механическим свойствам данных слоев, когда деформации, вызванные механическими напряжениями, будут равными по значению, но противоположными по знаку. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снизить уровень механических напряжений, повысить надежность преобразователя, повысить прочность мембраны, повысить стабильность параметров при повышенных температурах.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:

- повышение надежности преобразователя;

- повышение прочности мембраны;

- повышение стабильности параметров при повышенных температурах.

Источники информации

1. А.с. (СССР) №1732199, МКИ G01L 9/04, 1990.

2. Патент 2284613 RU. Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления. Опубл. 27.09.2006. Бюл. №27.

3. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.

4. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия, 1978. - 280 с.

5. В.С. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летагин. Напряжения и деформации в элементах микросхем. М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.: ил.

6. Allyson L. Hartzell, Mark G. da Silva, Herbert R. Shea. MEMS Reliability. - Springer London, Limited, 2013.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки и содержащую профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, отличающийся тем, что в нем дополнительно сформирован слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов.