ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕФОРМАЦИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых высокочувствительных преобразователей деформации.

Известен преобразователь деформации, содержащий металлопленочные тензорезисторы, нанесенные на гибкую диэлектрическую пленку (1).

Недостатком данного преобразователя является низкая чувствительность, обусловленная малым коэффициентом тензочувствительности металлопленочных тензорезисторов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности являются преобразователь деформации и способ его изготовления и установки, базирующие на формировании интегральных кремниевых тензорезисторов (2).

Общими признаками предлагаемого изобретения и прототипа являются:
для устройства кремниевый кристалл, воспринимающий деформацию, на котором сформированы интегральные тензорезисторы и контактные площадки для присоединения внешних выводов;
для способа формирование на пластине кремния интегральных тензорезисторов и металлизированных контактных площадок, разделение пластины на отдельные преобразователи и присоединение кристалла с тензорезисторами на измеряемый объект.

Недостатками известного устройства и способа являются низкая чувствительность, не обеспечивающая измерение малых деформаций, обусловленная ограничениями в минимальной толщине кристалла, так как при толщинах кристалла менее 0,05 мм он подвержен механическому разрушению при изготовлении, измерении параметров тензорезисторов, транспортировке,присоединении внешних выводов и установке на измеряемый объект. В предлагаемом изобретении достигается повышение чувствительности и повышение выхода годных. Согласно изобретению преобразователь деформаций, содержащий воспринимающий механическое воздействие кремниевый кристалл с интегральными тензорезисторами, имеющими металлизированные контактные площадки для присоединения внешних выводов, снабжен металлическими шинами толщиной 0,01.0,05 мм и рамкой из кремния толщиной 0,3. 1,0 мм, на которой расположены контактные площадки для внешних выводов, причем металлические шины, связывающие тензорезисторы с контактными площадками для внешних выводов, выполнены в виде плоских пружин.

Согласно изобретению, в способе изготовления преобразователя деформаций, включающим формирование на пластине кремния интегральных тензорезисторов и металлизированных контактных площадок к ним для присоединения внешних выводов, разделение пластины на отдельные преобразователи и присоединение кристалла с тензорезисторами на измеряемый объект, после формирования на пластине тензорезисторов создают с непланарной стороны пластины разнотолщинные маски под кристаллами и под рамками, напыляют на планарную сторону пластины пленку металла, формируют на ней маску из фоторезиста с окнами под контактные площадки и шины металлизации, имеющие зигзагообразную конфигурацию, электрохимическим методом наносят в окна пленку металла толщиной 0,01.0,05 мм, удаляют фоторезист, травят кремний с непланарной стороны сначала между рамками и между рамками кристаллами на глубину, соответствующую толщине кристалла, удаляют защитную маску под кристаллами, дотравливают кремний до получения заданной толщины кристалла и сквозных отверстий между рамками и между рамками и кристаллами, стравливают сплошной слой металла с планарной стороны, а при установке преобразователя прижимают кристалл к поверхности измеряемого объекта, опуская его на пружинистых металлических шинах относительно планарной поверхности рамки.

На фиг.1 и 2 изображен преобразователь деформации, содержащий воспринимающий механическое воздействие кристалл 1 со сформированными на нем интегральными тензорезисторами 2, соединенными с контактными площадками 3 при помощи металлических шин 4. Кристалл с помощью данных шин закреплен на рамке из кремния 5. Контактные площадки находятся на рамке на слое диэлектрической пленки 6. Минимальная толщина кристалла составляет 0,01 мм, так как при меньшей толщине из-за хрупкости кристалла сложно его закрепить к объекту без разрушения. Минимальная толщина металлических шин выбрана 0,01 мм, так как меньшей толщине возможен обрыв шин при их растяжении при установке преобразователя, а максимальная толщина шин выбрана 0,05 мм, так как при большей толщине они приобретают жесткость и затрудняют опускание кристалла при его установке толщина шин выбрана 0,05 мм, так как при большей толщине они приобретают жесткость и затрудняют опускание кристалла при его установке. Толщина рамки выбрана исходя из толщины исходных кремниевых пластин, используемых при изготовлении преобразователей, при диаметре пластин 60 мм толщина пластин составляет 0,3 мм, а при диаметре пластин 120 мм толщина пластин составляет до 1,0 мм.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем: деформация измеряемого объекта передается на закрепленный на него кристалл, воздействует на тензорезисторы, изменяя их сопротивление. Через металлические шины резисторы связаны со схемой обработки сигнала и регистрирующей аппаратурой. Ввиду малой толщины кристалла и высокой тензочувствительности кремниевых резисторов достигается высокая чувствительность преобразователя.

На фиг. 3 изображена пластина кремния 7 со сформированными тензорезисторами 2 на планарной стороне и масками под рамкой 8 и под кристаллами 9, причем последняя тоньше первой. На планарной стороне сформированы электрохимическим наращиванием, через маску из фоторезистора шины металлизации толщиной 0,01.0,05 мкм. Первичный слой металла, выполняющий функции проводника тока при наращивании и защиты поверхности кристаллы при травлении кремния, не показан.

На фиг.4 изображена пластина после первого этапа травления кремния с непланарной стороны пластины на глубину, соответствующую толщине кристалла, в областях между рамками 10 и между рамками и кристаллами 11 и удаления защитной маски под кристаллами 12.

На фиг. 5 изображена пластина после завершения травления кремния до сквозных отверстий между рамками 13 и между рамками и кристаллами 14 и до требуемой толщины кристалла 1 и после удаления первичного слоя металла.

На фиг. 6 изображен преобразователь после его установки на поверхность измеряемого объекта 14 по нижней плоскости кристалла 15.

Пример. На кремниевой рамке толщиной 0,4 мм, покрытой слоем двуокиси кремния на медных шинах толщиной 0,04 мм, выполненных в виде плоских пружин, закреплен кремниевый кристалл n-типа проводимости толщиной 0,05 мм. На кристалле сформированы тензорезисторы р-типа проводимости, электрически связанные с шинами. На рамке шины соединены с контактными площадками для присоединения внешних выводов. На кремниевой пластине марки КЭФ 4,5 (100) методом термического окисления формируют пленку SiO₂ толщиной 1,0 мм, с планарной стороны в пленке SiO₂ вскрывают окна под тензорезисторы и проводят легирование бора в окна. С непланарной стороны пластины формируют участки SiO₂ той же толщины под рамкой и участки утоньшенной пленки SiO₂ до толщины 0,2 мкм под кристаллом. Создают напылением, фотолитографией и вжиганием алюминиевые контакты к резисторам, напыляют на планарную сторону пленки ванадия и меди с толщиной 0,1 и 1,0 мкм соответственно, и электрохимически подращивают медь до толщины 5 мкм по всей поверхности. Наносят фоторезист и формируют в нем окна под шины и площадки на рамке, причем окна перекрывают контакты к резисторам из алюминия. Наращивают в окна медь до толщины 45 мкм, удаляют фоторезист и проводят с непланарной стороны травление кремния в растворе КОН в открытых участках пластины на глубину 50 мкм. Затем стравливают пленку SiO₂ под кристаллом и продолжают травление кремния до толщины кристалла 50 мкм и полного удаления кремния между рамками и между рамками и кристаллами. Стравливают с планарной стороны медь на 5 мкм и ванадий до выявления шин. Возможно использование никеля, золота и др. металлов при создании шин и в качестве защиты при травлении кремния, а травление кремния можно проводить в плазме фторосодержащих газов. Устанавливают преобразователь на объект измеряемой деформации, приклеивая рамку и опущенный на пружинистый шинах кристалл к поверхности объекта, например, клеем ВК-9. Присоединяют пайкой к контактным площадкам, находящимся на рамке, внешние выводы.

Использование: для малогабаритных полупроводниковых высокочувствительных преобразователей деформации. Преобразователь деформаций, содержащий воспринимающий механическое воздействие кремниевый кристалл с интегральными тензорезисторами, имеющими металлизированные контактные площадки для присоединения внешних выводов, снабжен металлическими шинами толщиной 0,01...0,05 мм и рамкой из кремния толщиной 0,3...1,0 мм, на которой расположены контактные площадки для внешних выводов, причем металлические шины, связывающие тензорезисторы с контактными площадками для внешних выводы, выполнены в виде плоских пружин. При изготовлении преобразователя деформации формируют на пластине кремния интегральные тензорезисторы и металлизированные контактные площадки к ним для присоединения внешних выводов, разделяют пластины на отдельные преобразователи и присоединяют кристаллы с тензорезисторами на измеряемый объект. После формирования на пластине тензорезисторов создают с непланарной стороны пластины тензорезисторов создают с непланарной стороны пластины разнотолщинные маски под кристаллами и под рамками, напыляют на планарную сторону пластины пленку металла, формируют на ней маску из фоторезиста с окнами под контактные площадки и шины металлизации, имеющие зигзагообразную конфигурацию, электрохимическим методом наносят в окна планку металла толщиной 0,01...0,05, удаляют фоторезист, травят кремний с непланарной стороны сначала между рамками и между рамками и кристаллами на глубину, соответствующую толщине кристалла, удаляют защитную маску под кристаллами, дотарвливают кремний до получения заданной толщины кристалла и сквозных отверстий между рамками и между рамками и кристаллами, стравливают сплошной слой металла с планарной стороны, а при установке преобразователя прижимают кристалл к поверхности измеряемого объекта, опуская его на пружинистых металлических шинах относительно планарной поверхности рамки. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления преобразователя деформации, заключающийся в формировании на пластине кремния интегральных тензорезисторов и металлизированных контактных площадок к ним, разделении пластины кремния на отдельные преобразователи для последующего присоединения к измеряемому объекту, отличающийся тем, что после формирования тензорезисторов на непланарной стороне пластины создают разнотолщинные маски под кристаллами и под областями для рамок, на планарную сторону пластины наносят металлическую пленку, формируют на ней маску из фоторезиста с окнами под контактные площадки, расположенные в областях рамок, и шины металлизации, имеющие загзагообразную конфигурацию в виде плоских пружин и соединяющие тензорезисторы с контактными площадками, производят электрохимическое осаждение в окнах пленки металла толщиной 0,01 0,05 мм, удаляют фоторезист, производят травление кремния с непланарной стороны последовательно между областями рамок и между этими областями и кристаллами на глубину, соответствующую толщине кристалла, удаляют защитную маску под кристаллами, производят дополнительное травление кремния до получения заданной толщины кристалла и сквозных отверстий между рамками и кристаллами, и производят дополнительное травление сплошного слоя металла с планарной стороны до появления плоских пружин и контактных площадок. 2. Преобразователь деформации, содержащий воспринимающий механическое воздействие кремниевый кристалл с интегральными тензорезисторами, металлизированные контактные площадки которого соединены с внешними выводами, отличающийся тем, что он снабжен металлическими шинами толщиной 0,01 0,05 мм и рамкой из кремния толщиной 0,3 1,0 мм, на которой расположены контактные площадки для внешних выводов, при этом металлические шины, соединяющие тензорезисторы с контактными площадками для внешних выводов, выполнены в виде плоских пружин.