ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Российский патент 2007 года по МПК G01P5/12 G01F1/688 H01L21/44 

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве датчиков расхода и изменения уровней жидкостей и газов.

Известен датчик перемещения, используемый в автомобилях в качестве датчика массового расхода воздуха [1, 2]. Изготовление этого датчика осуществляется по технологии дискретных резисторов типа МЛТ или планарной технологии методом напыления на диэлетрической подложке. Недостатками данных устройств является высокое энергопотребление и невозможность выполнения датчика и схем обрамления (вторичных источников питания, усилителей и т.д.) в виде интегральной схемы, что требуется для современных электронных устройств массового применения.

Наиболее близким техническим решением к предложенному устройству служит кремниевый датчик, выполненный по микроэлектронной технологии [3] с размещением чувствительных элементов - термочувствительных резисторов на тонкой диэлектрической мембране, выполненной на кремниевой рамке-основании, на которой расположены контактные площадки. Микроэлектронная технология позволяет выполнить датчик и схемы обрамления на рамке-основание в едином технологическом процессе с элементами датчика. Недостатком данного устройства служит наличие на лицевой стороне кристалла чувствительных элементов и контактных площадок. В этом случае любое соединение кристалла с кристаллодержателем приводит к возникновению неровностей в плоскости расположения чувствительных элементов, что вызывает завихрения потока в зоне чувствительных элементов, причем характер турбулентности будет зависеть от случайных факторов: диаметра провода, его расположения, вида заливки и т.д. Таким образом, идентичность аэро- и гидродинамических характеристик датчиков в данном устройстве исключена, и можно говорить только о разбросе параметров. Это требует индивидуальной калибровки каждого датчика в соответствующих жидкостях или газах, что в условиях массового производства крайне не выгодно.

Технической задачей, которую должно решить данное изобретение, является такое конструктивное выполнение кристалла, которое позволило бы полностью освободить поверхность кристалла от неровностей и тем самым обеспечить ламинарные идентичные потоки жидкостей и газов в плоскости чувствительных элементов датчика.

В предложенном изобретении задача решается благодаря тому, что в датчике перемещения жидкостей и газов, выполненном на основе термочувтвительного резистора, содержащего кремниевую рамку-основание, диэлектрическую мембрану на рамке-основании, термочувствительный резистор на мембране, основные контактные площадки на поверхности рамки-основании, выполнены сквозные отверстия, примыкающие к контактным площадкам; дополнительно в кристалле на поверхности отверстий выполнен диэлектрический слой, на котором выполнен металлический слой; на обратной стороне кристалла выполнены дополнительные контактные площадки, причем металлический слой соединяет основные и дополнительные контактные площадки.

На фигуре 1 проведен разрез, на фигуре 2 показана последовательность технологических операций изготовления датчика.

Датчик содержит кремниевую рамку-основание 1, диэлектрическую мембрану 2, термочувствительный резистор 3, контактные площадки 4.

На кристалле в области, примыкающей к контактным площадкам, выполнены сквозные отверстия 5, слой диэлектрика 6 на поверхности отверстия, слой металла 7, дополнительные контактные площадки 8.

Слой металла 7 соединен с основными контактными площадками 4 и образует одновременно дополнительные площадки 8 на обратной стороне кристалла.

Для изготовления кристалла датчика используется стандартная кремниевая пластина кэф. 4,5 (100), диаметр 100 мл. Методом двухсторонней фотолитографии выполняются знаки совмещения основной и обратной стороны пластины (кристалла), поз.1. В областях, прилегающих к контактным площадкам 4 (фиг.1), вытравливаются прямоугольные отверстия на глубину 3-6 мкм, поз.2. На поверхности пластины выполняется диэлектрическая мембрана, состоящая из чередующихся слоев SiO₂ и Si₃N₄, поз.3. Освобождается мембрана и одновременно травится сквозное отверстие, поз.4, поверхность отверстия окисляют, поз.5.

Методом магнетронного напыления выполняется термочувствительный резистор и контактные площадки (для простоты - в одном процессе). При этом напыление контактных площадок осуществляют под углом 45-60° к поверхности пластины так, что запыляется поверхность сквозных отверстий кристалла 6.

С обратной стороны через маску и под углом к поверхности напыляется металл, соединяющий контактные площадки с обратной стороной кристалла и образующий на ней дополнительные контактные площадки 7.

Новая конструкция датчика обеспечивает ламинарные потоки жидкостей и газов на рабочей поверхности кристалла при строгой идентичности, причем посадка кристалла на кристаллодержателе может быть осуществлена эвтектикой, исключающей процессы приклейки и соединения контактных площадок кристалла с шинами кристаллодержателя проводами.

Литература

1. United States Patent №4903001: feb. 20, 1990.

2. United States Patent №5084694. Jan. 28, 1992.

3. C.L.Johnson, К.D.Wise and J.W.Schwanl2.

A Thin-film gas Detector for Semiconductor Process Gases Digest Inf. Conf IEDM 88 p.662-665.

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве датчиков расхода и изменения уровней жидкостей и газов. Сущность: в кристалле датчика выполнены дополнительные сквозные отверстия. На поверхности отверстий выполнен диэлектрический слой, на который нанесен металлический слой. На обратной стороне кристалла выполнены дополнительные контактные площадки для посадки кристалла эвтектикой, соединенные с основными контактными площадками через металлический слой в отверстиях. При этом металлический слой на основных и металлических контактных площадках и в сквозных отверстиях нанесен на обе поверхности рамки основания в едином цикле под углом 45°-60° к поверхности рамки-основания для исключения разрывов металлизации на границе отверстий. 2 ил.

Датчик перемещения жидкостей и газов на основе термочувствительного резистора, содержащий кремниевую рамку-основание, диэлектрическую мембрану на рамке-основании, термочувствительный резистор на мембране, основные контактные площадки на поверхности рамки-основания, отличающийся тем, что в области рамки-основания, примыкающей к контактным площадкам, дополнительно выполнены сквозные отверстия в кристалле, на обратной стороне кристалла выполнены дополнительные контактные площадки для посадки кристалла эвтектикой, на поверхности сквозных отверстий выполнены диэлектрический слой и металлический слой, соединяющий основные и дополнительные контактные площадки, причем металлический слой на основных и дополнительных контактных площадках и в сквозных отверстиях нанесен на обе поверхности рамки-основания в едином цикле под углом 45-60° к поверхности рамки-основания для исключения разрывов металлизации на границе отверстий.