Интегральный тензопреобразователь и способ его изготовления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным механоэлектрическим преобразователям. Сущность: предложен интегральный тензопреобразователь механического воздействия. Тенэочувствительные компоненты расположены на пленарной (верхней) стороне упругого элемента, металлизированные контактные площадки расположены внутри канавок массивной части кристалла преобразователя , обрамляющей упругий элемент преобразователя , причем толщина жестких центров существенно меньше толщины исходной кремниевой пластины. Таким образом достигается уменьшение геометрических размеров тензопреобразователя. при этом расширяется диапазон линейного преобразования . Поскольку тензорезисторы расположены не внутри тонкой части мембраны, поэтому снимаются ограничения на уменьшение толщины тонкой части упругого элемента . 2 с.п. и 2 з.п, ф-лы. 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 8 7/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР . (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4902188/28 (22) 14.01.91 (46) 15.07.93. Бюл, ru. 26 . (71) Московский инженерно-физический институт (72) В.И.Ваганов и Г.Д,Пряхин (56) Патент США N 4023562, кл. 128-2,05, 1986.

Патент США f4. 4065970. кл. 73 — 727, 1988. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится . к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным механоэлектрическим преобразователям. Сущность: предложен интегральный тенэопреобраэоИзобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным тензопреобразователям.

Целью изобретения является увеличение чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров, увеличение диапазона линейного преобразования и частотного диапазона интегрального тенэопреобразователя.

На фиг. 1 изображен предлагаемый интегральный тенэопреобразователь.

Интегральный тензопреобразователь представляет собой кристалл кремния 1, в котором имеется воспринимающая .давление профилированная мембрана прямоугольной формы 2. Плоскость мембраны совпадает с кристаллографической плоско,, Я2,, 1827531 Al ватель мвханического воздействия. Тенэочувствительные компоненты расположены на планарной (верхней) стороне упругого элемента. металлизированные контактные площадки расположены внутри канавок массивной части кристалла преобразователя, обрамляющей упругий элемент преобразователя, причем толщина жестких центров существенно меньше толщины исходной кремниевой пластины. Таким образом достигается уменьшение геометрических размеров тенэопреобраэователя, при этом расширяется диапазон линейного преобразования. Поскольку тензорезисторы расположены не внутри тонкой части мембраны, поэтому снимаются ограничения на уменьшение толщины тонкой части упругого элемента. 2 с.п, и 2 з.п. ф-лы. 2 ил. стью (100), а стороны мембраны ориентиро- ваны вдоль взаимно перпендикулярных кристаллографических направлений семейства

<110>. Тензорезисторы р-типа проводимости размещены на поверхности мембраны:тензорезиеторы одного знака чувствительности (периферийные тензорезисторы R>) расположены на ТоНКНх частях в середине длинных сторон мембраны, тензореэисторы и ротивоположного знака чувствительности (центральные тензорезисторы Йц) — в ее центре, а ориентированы все тензорезисторы вдоль длинных сторон мембраны. Причем структура упругого элемента сложного профиля с неоднородной по толщине мембранной состоит из последовательно расположенных слоев двуокиси кремния 3, рекристаллизо1827531 ванного кремния 4, двуокиси кремния 5, структура тенэочувствительных компонентов состоит из двуокиси кремния, перекристаллиэованног0 кремния 6, двуокиси кремния. 5

Внешние металлические выводы к тензочувствительным компонентам представляют собой металлизированные контактные площадки 7, расположенные внутри канавок массивной части кристалла преобразователя 8.

На фиг, 2 изображена также последовательность операций для изготовления интегральных механоэлектрических г1реобразователей. 15

Увеличение чувствительности измерительного тензопреобраэователя дает возможность вместе с ослаблением требований по вторичной аппаратуре уменьшить величину напряжения питания тензопреобраэовате- 20 ля, что оказывается важным в микромоющих измерительных системах, в частности в биомедицинских. Расположение тензочувстви. тельных компонентов на планарной стороне профилированной мембраны по- 25 зволяет изготавливать тонкие части неплоской мембраны меньшей толщины.

Поскольку чувствительность S (a/h),ãäe а -. длина короткой стороны мембраны; h— - толщина тонкой части профилированной мемб- 30 раны, то уменьшение толщины тонкой части упругого элемента связано с увеличением чувствительности. По сравнению с чувствительностью мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на врототи- 35 пе, чувствительность мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на предлагаемом тензопреобразователе, увеличивается в 10,89 раза. Результаты проведенного сравнения относятся к случаю 40 . одинаковых геометрических размеров мембраны прототипа и предлагаемого тензопреобразователя, Другим важным обстоятельством, которое связано с увеличением чувствительно- 45 сти. является возможность при сохранении первоначальной чувствительности уменьшить внешние размеры преобразователя.

Так для нашего случая возможность увеличить чувствительность прототипа в 10,89 ра- 50 за позволяет, не изменяя значения чувствительности уменьшить ширину мембраны в 3,3 раза, Поскольку без потери в чувствительности уменьшаются размеры тензопреобразователя, поэтому снижается 55 стоимость кристаллов тензоп реобразователей при их производстве, Формула изобретеиия

1. Интегральный тензопреобразователь, содержащий мембрану с тенэочувствйтельными компонентами, внешние металлические выводы, злектросвязанные с тензочувствительными компонентами, и охватывающее мембрану основание,о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геометрических размеров, увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона,мембрана выполнена переменной толщийы с одной плоской и противоположной ступенчатой поверхностями и трехслойной иэ последовательно расположенных первого слоя двуокиси кремния, слоя кремния и второго слоя двуокиси кремния, тен- зочувствительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, размещены на плоской поверхности соответствующих утоненных участках мембраны, основание выполнено с канавкой, расположенной со стороны ступенчатой поверхности мембран, а внешние металлические выводы размещены внутри канавки и выполнены в виде металлизированных контактных площадок, 2. Тенэопреобразователь по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что в качестве материала второго слоя мембраны использован поликристаллический кремний.

3. Способ изготовления интегрального тензопреобразователя, заключающийся в том, что выращивают слой термического окисла кремния на каждой стороне кремниевой пластины, формируют мембрану с помощью локального анизотропного травления пластины, формируют тенэочувствительные компоненты и внешние металлические выводы, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геометрических размеров, увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона преобразователя, после термического окисления кремниевой пластины вскрывают окна в двуокиси кремния в местах, предназначенных для расположения внешних выводов и тенэорезйсторов, на пластину наносят первый слой поликристаллического кремния, наносят первый слой двуокиси кремния, фотолитографией вскрывают окна в первом слое двуокиси кремния sместах,,предназначенных для расположения внешних выводов, последовательно наносят слой нитрида кремния, второй слой поликристаллического кремния, второй слой двуокиси кремния, производят перекристаллизацию слоя поликристаллического кремния и двухстороннюю фотолйтографию пластины, формируют тензочувствител ьные компоненты локальным удалением перекристаллизоваиного кремния, наносят третий слой

1827531 двуокиси кремния, производят фотолитографию на обратной месту формирования тензочувствительных компонентов стороне пластины в местах, предназначенных для размещения внешних выводов, производят травление двуокиси кремния и формируют лунки для размещения в них внешних металлических выводов, формирование лунок прекращают при достижении поверхностью каждой лунки слоя.нитрида кремния, окис6 ляют поверхности лунок, а формирование металлических выводов осуществляют напылением на лунки металлического слоя и фотолитографией из напыленного слоя кон5 тактных площадок.

4. Способ по п.3,отл ича ющи йся тем, что после нанесения первого слоя поликристаллического кремния проводят пе10 рекристаллиэацию этого слоя.

1827531

Редактор С.Кулакова

Заказ 2352 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Рауаская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель Е,Вакумова

Техред М.Моргентал Корректор M.Ïåòðoàà