Интегральный тензопреобразователь и способ его изготовления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным механоэлектрическим преобразователям. Сущность: предложен интегральный тензопреобрэзователь механического воздействия. Тензочувствительные компоненты расположены на профилированной (нижней) 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 достигаетсяуменьшение геометрических размеров тензопреобразователя (за счет уменьшения толщины жестких центров), при этом расширяется диапазон линейного преобразования. Тензорезисторы расположены внутри тонкой части мембраны и покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния. 2 с.п. и 2 з п ф-лы, 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК. (м)ю 601 В 7/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4902189/28 (22) 14;01,91 (46) 15.07.93. Бюл. М 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 М 4665970, кл. 73 — 727, 1988. (54) ИНТЕГРАЛ Ь НЫЙ ТЕ НЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к.измерительной технике, в частности к интегральным измерительным механоэлектрическим преобразователям. Сущность: предложен интегральный тенэопреобразователь механического воздействия. ТензоИзобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным тенэопреобраэователям.

Целью изобретения является увеличение чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров, увеличение диапазона линейного преобразова ния и частотного диапазона интегрального тенэопреобразовател я. . На фиг. 1 изображен предлагаемый интегральный тенэопреобраэователь, представляющий собой кристалл кремния 1, в котором имеется воспринимающая давление профилированная мембрана прямоугольной формы 2, плоскость совпадает с кристаллографической плоскостью (100), а

„„. Ж„„1827532 А1 чувствительные компоненты расположены на профилированной (нижней) 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 тензопреобраэователя (за счет уменьшения толщины жестких центров), при этом расширяется диапазон линейного преобразования. Тензорезисторы расположены внутри тонкой части мембраны и покрыты сО всех сторон слоем двуокиси кремния. 2 с.п. и 2 э,п. ф-лы, 2 ил. стороны мембраны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных кристаллогра- 00 фических -направлений семейством <110>. Я

Тензорезисторы р-типа проводимости раэ- с мещены на поверхности мембраны. (Л

Тензорезисторы одного знака чувствительности (периферийные тензорезисторы

R>) расположены на тонких частях в середине длинных сторон мембраны, тензореэисторы противоположного знака чувствительности (центральные тенэорезисторы 1Ч- в ее центре, а ориентированы все тенэарезисторы вдоль длинных сторон мембран. Причем структура элемента сложного профиля с неоднородной по толщине мембраной состоит из последовательно расположенных слоев двуокиси кремния 3, 1827532 рекристаллиэованного кремния 4, двуокиси кремния 5, структура тенэочувствительных компонентов состоит из двуокиси кремния, перекристаллизованного кремния 6, двуокиси кремния, Внешние .металлические выводы к.тензочувствительным компонентам представляют из себя металлизированные контактные площадки 7, расположенные внутри канавок массивной части кристалла преобразователя 8, На фиг, 2 изображена последовательность операций для изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей.

Увеличение чувствительности измерительного тензопреобразователя дает возможность вместе с ослаблением требований ко вторичной аппаратуре уменьшить величину напряжения питания тензопреобрэзователя что оказывается важным в микромощных измерительных системах, в частности в биомедицинских.

Поскольку тензочувствительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, то возможно изготавливать тонкие части плоской мембраны меньшей тол шин ы. Поскольку чувствительность S"" (а/h), где a — длина короткой стороны мембраны; h — толщина тонкой части профилированной мембраны, то уменьшение толщины тонкой части упругого элемента связано с увеличением чувствительности.

По сравнению с чувствительностью мостоьой схемы, состоящей из тенэорезисторов, расположенных на прототипе,чувствительность мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на предлагаемом тензопреобразовэтеле, увеличением в 10,89 раза. Результаты проведенного сравнения относятся к случаю одинаковых геометрических размеров мембраны прототипа и предлагаемого тенэопреобрээователя.

Другим важным обстоятельством, которое связано с увеличением чувствительности, является возможность при сохранении первоначальной чувствительности уменьшить внешние размеры преобразователя, Так кэк вашего случая возможность увеличить чувствительность прототипа в 10,89 раза позволяет> не изменяя значения чувствительности $,уменьшить ширину мембраны в 3,3 раза.

Поскольку беэ потери в чувствительности уменьшаются размеры тензопреобрэзбвателя. поэтому снижается стоимость кристаллов тензопреобразователей при их производстве..Формула изобретения

1, Интегральный тензопреобразователь, содержащий мембрану с тензочувствительными компонентами, внешние металлические выводы, электросвязанные с тензочувствительными компонентами, и охватывающее мембрану основание, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геомет10 рических размеров, увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона, мембрана выполнена переменной толщины с одной плоской и противоположной ступенчатой поверхностями и трехслойной из последовательно расположенных первого слоя двуокиси кремния, слоя кремния и второго слоя двуокиси кремния, тензочувствительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния и раз20 мещены внутри утоненных участков мембраны на поверхности второго слоя двуокиси кремния, основание выполнено с канавкой; располо>кенной со стороны ступенчатой поверхности мембраны, а внешние металличе25 ские выводы размещены внутри канавки и выполнены в виде металлизированных контактных площадок, 2, Тензопреобразователь по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что в качестве материала

30 второго слоя мембраны использован перекристаллизованный кремний.

3, Способ изготовления интегрального тензопреобраэователя, заключающийся в том, что выращивают слой термического

35 окисла кремния на каждой стороне кремниевой пластины, формируют. мембрану с помощью локального анизотропного травления пластины, изготовляют тензочувствительные.компоненты и внешние метал"0 лические выводы, отл и ча ющийсятем, 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, наносят слой нитрида кремния, формируют

50 два углубления; последовательно наносят первый слой двуокиси кремния, первый слой поликристаллического кремния и второй слой двуокиси кремния, производят перекристаллизацию первого слоя

55 поликристаллического кремния, тензочувствительные компоненты формируют локальным удалением перекристаллизованного кремния; наносят третий слой двуокиси кремния и второй слой поликристаллического кремния, сошлифовывают часть второго

1827532 слоя поликристаллического кремния до получения гладкой поверхности, травлением кремния формируют лунки для размещения в них внешних металлических выводов, формирование лунок прекращают при достижении поверхностью каждой лунки слоя нитрида кремния, окисляют поверхности лунок, вскрывают окна под внешние металлические выводы, нэпыляют на них металлический слой и фотолитографией формируют из напыленного слоя контактные площадки.

5 4.Способпоп.3,отличающийся тем, что после нанесения второго слоя поликристаллического кремния проводят перекристаллизацию этого слоя.

1827532 ва

Составитель Е.Вакумо

Редактор С.Кулакова Техред М.Моргентал Корректор М.Петрова

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

Заказ 2352 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35. Раушская наб„4/5