ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/22 G01L9/04 

Изобретение относится к конструированию и технологии производства чувствительных элементов для датчиков давления, расходомеров и акселореметров.

Известен чувствительный элемент для датчиков давления, расходомеров, акселерометров [1].

Чувствительный элемент включает тонкую мембрану, вытравленную в теле полупроводникового материала. На лицевой стороне мембраны формируются резисторы, соединенные по мостовой схеме. Контактные площадки к резисторам и металлизация расположены на утолщениях полупроводникового материала, которое образуется в результате травления и заделывает края мембраны с тыльной стороны.

При воздействии давления на мембрану параметры резисторов изменяются, что приводит к изменению выходного сигнала.

Известный чувствительный элемент обладает следующими недостатками.

а) Механические свойства мембраны существенно зависят от того, с какой стороны мембраны, подается давление. Прочность мембраны значительно выше при приложении давления с лицевой стороны мембраны чем при приложении давления с тыльной стороны [1].

б) При приложении давления с лицевой стороны (когда стремятся реализовать большую прочность мембраны) требуется тщательная ее защита, так как расположенные на лицевой стороне резисторы могут изменять свои свойства под действием влаги, агрессивной среды и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому является чувствительный элемент [2], содержащий мембрану из полупроводникового материала с резистором на лицевой стороне, основное утолщение для заделки края мембраны с тыльной стороны, выполненное из того же материала, и контактные площадки к резисторам.

Известный чувствительный элемент обладает следующим недостатком: прочность тонкой мембраны снижена, так как давление подается с тыльной стороны. Анализ указанного недостатка показывает, что возможной причиной его является несимметричная заделка мембраны указанной конструкции: с тыльной стороны край мембраны заделан, а с лицевой стороны заделка отсутствует.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является увеличение прочности мембраны, при подаче давления с тыльной стороны, точнее выравнивание механических свойств мембраны, т.е. создание такой конструкции чувствительного элемента, у которой механические свойства мембраны не зависят от направления приложения давления.

Указанный результат достигается тем, что в чувствительном элементе, содержащем мембрану из полупроводникового материала с резисторами на лицевой стороне, основное утолщение для заделки края мембраны с тыльной стороны, выполненное из того же материала, и контактные площадки к резисторам, дополнительное утолщение, выполненное из того же материала, расположенное на лицевой стороне между краем мембраны и контактными площадками, дополнительным утолщением выполняют заделку края мембраны с лицевой стороны.

На фиг. 1 показан предлагаемый чувствительный элемент, разрез; на фиг. 2 - то же вид, сверху.

На фиг. 1 и 2 обозначены: 1 - мембрана из полупроводникового материала; 2, 3 - резисторы на лицевой стороне мембраны; 4 - основное утолщение, заделывающее края мембраны с тыльной стороны; 5, 6, 7, 8, 9 - контактные площадки; 10 - дополнительное утолщение; 11 - угол заделки мембраны; 12, 13, 14, 15 - дорожки, симметрично расположенные относительно центра мембраны; 16 - изолирующая пленка SiO₂; 17, 18 - диффузионные дорожки.

Конструкция чувствительного элемента содержит тонкую кремниевую мембрану 1, вытравленную в толще кремниевой пластины, в результате чего образовалось утолщение 4, заделывающее края мембраны с тыльной стороны. На лицевой поверхности мембраны, рядом с ее краями сформированы четыре резистора, которые соединены по мостовой схеме (на фиг. 1 показаны только два резистора 2, 3) и изолированы пленкой SiO₂ 16. Контактные площадки 5, 6, 7, 8, 9 к резисторам расположены на основном утолщении и соединены с резисторами диффузионными дорожками 17, 18, находящимися под изолирующей пленкой SiO₂ 16. На основном утолщении 4 между краем мембраны и контактными площадками сформировано дополнительное утолщение 10 из кремния. Его изготавливают таким образом, чтобы внутренний край дополнительного утолщения совпадал с краем мембраны с лицевой стороны и таким образом осуществлялась заделка края мембраны с лицевой стороны. На фиг. 1 показан тупой угол заделки 11. В дополнительном утолщении 10 выполнены симметрично расположенные относительно центра мембраны дорожки 12, 13, 14, 15, которые позволяют подавать электрический потенциал на дополнительное утолщение, в случае необходимости присоединения к дополнительному утолщению стеклянной крышки для формирования замкнутой полости над лицевой поверхностью мембраны.

Данная конструкция чувствительного элемента позволяет оптимизировать механические свойства мембраны, которые не зависят от того, с какой стороны подается давление.

Кроме того, конструкция позволяет при необходимости формировать замкнутую полость с лицевой стороны мембраны, путем присоединения к дополнительному утолщению стеклянной крышки анодной сваркой. При этом мембрана остается изолированной от электрического напряжения.

Чувствительный элемент можно использовать для датчиков давления, силы, расходомеров, акселерометров. Чувствительный элемент содержит мембрану из полупроводникового материала с резисторами на лицевой стороне, основное утолщение из того же материала для заделки края мембраны с тыльной стороны. Чувствительный элемент снабжен дополнительным утолщением для заделки края мембраны с лицевой стороны, выполненным из того же материала. Дополнительное утолщение расположено под тупым углом к поверхности мембраны, а его внутренний край совпадает с краем мембраны с лицевой стороны. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Чувствительный элемент, содержащий мембрану из полупроводникового материала с резисторами на лицевой стороне, основное утолщение для заделки края мембраны с тыльной стороны, выполненное из того же материала, и контактные площадки к резисторам, отличающийся тем, что он снабжен выполненным из того же материала дополнительным утолщением для заделки края мембраны с лицевой стороны, расположенным под тупым углом к поверхности мембраны, причем внутренний край дополнительного утолщения совпадает с краем мембраны с лицевой стороны. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в дополнительном утолщении выполнены симметрично расположенные относительно центра мембраны ответвления в виде узких дорожек для технологических целей.