ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям механических величин в электрический сигнал, основанный на тензорезистивном эффекте, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред.

Для преобразования давления в электрический сигнал используется тензорезистивный эффект.

Известны тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «Кремний на сапфире (Белоглазов А.В., Стучебников В.М., Хасиков Е.Е., Евдокимов В.И., Шадтина А.Г. Полупроводниковые тензопреобразователи силы и давления на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Приборы и системы управления, 1982, N5, с.21, а.с. РФ №1404850, оп. 23.06.88, пол. мод. РФ №45526, оп. 10.05.2005), выполненные в виде одномебранных или двухмембранных устройств, в которых на круглую металлическую мембрану напаян твердым припоем чувствительный элемент в виде сапфировой пластины с нанесенной на нее гетероэпитаксиальной тензочувствительной мостовой схемой.

В качестве материала металлической упругой мембраны тензопреобразователя используют дисперсионно-твердеющие титановые сплавы (ВТ-9).

Измеряемое давление подается либо непосредственно на измерительную мембрану с чувствительным элементом, либо на воспринимающую мембрану, соединенную с измерительной мембраной жестким штоком.

Один из основных элементов данной конструкции гетероэпитаксиальная тензочувствительная мостовая схема.

На монокристаллической подложке сапфира методом эпитаксии выращивается монокристаллический слой кремния с уровнем легирования около 10²⁰ 1/см³ и толщиной 1,5-2,0 мкм.

Затем выполнением операций фотолитографии, травления формируются тензорезисторы, объединенные в замкнутую мостовую схему. Путем окисления мостовая схема закрывается слоем термического окисла.

Выводы к мостовой схеме формируются путем вскрытия окон в слое окисла кремния на контактных площадках.

Внешние выводы устанавливаются на контактные площадки ультразвуковой сваркой

Данная конструкция имеет следующие положительные стороны:

- полная диэлектрическая изоляция тензорезисторов,

- высокий уровень выходного сигнала,

- тензопреобразователь сохраняет герметичность даже при разрушении кристалла от перегрузки (защита от разгерметизации),

- стабильность механических свойств сапфировой подложки,

- не требуется специальных мер по защите кристалла от измеряемой среды, в средах, инертных по отношению к титановым сплавам, кристалл защищен непосредственно металлической мембраной.

Основной недостаток данной конструкции - недостаточная повторяемость характеристик во времени, наличие температурного гистерезиса. Эффекты временной нестабильности и гистерезиса ограничивают применение данных тензопреобразователей в высокоточных датчиках давления.

Один из источников нестабильности - влияние на электрофизические параметры монокристаллического слоя кремния ионных загрязнений, влияние поверхности раздела между монокристаллическим кремнием и защитной пленкой из окиси кремния, между монокристаллическим кремнием и сапфиром.

Существует также непредсказуемое влияние сопротивления контакта алюминий-кремний в контактных окнах.

Кроме того, значительная разница в коэффициентах теплового расширения сапфира и титана приводит к деформации чувствительного элемента при изменении температуры и, как следствие, к температурной зависимости начального выходного сигнала тензопреобразователя.

Известен тензопреобразователь давления, содержащий мембрану, выполненную из монокристаллического кремния с тензорезисторами из поликристаллического кремния (пол. мод. РФ №42894, оп. 20.12.2004, пат. РФ №1830138, оп. 23.07.1993).

Основной элемент тензопреобразователя профилированная мембрана из монокристаллического кремния, установленная на стеклянном столбике.

Тензорезисторы из поликристаллического кремния отделены от кремниевой мембраны тонким слоем изолирующей пленки окисла кремния.

Основным недостатком тензопреобразователей давления, содержащих кремниевую мембрану, является необходимость дополнительных мер по защите кристалла тензопреобразователя от измеряемой среды. К таким мерам относится отделение лицевой стороны кристалла от измеряемой среды разделительной стальной мембраной, образованная при этом внутренняя полость заполнена силиконовой жидкостью, посредством которой передается давление на кристалл.

Эти дополнительные меры ухудшают температурную стабильность, затрудняют измерение давления высокотемпературных сред и повышают стоимость датчиков.

Известны тензопреобразователи давления с тензорезисторами из поликристаллического кремния на стальной мембране, покрытой тонким слоем изолятора (пленка SiO₂) (www.adz.de). Чувствительный элемент датчика - мембрана из нержавеющей стали 17-4РН, покрытая тонким слоем изолятора - пленка окиси кремния, на которую методом тонкопленочной технологии нанесена измерительная схема из поликристаллического кремния. Расположение тензорезисторов из поликристаллического кремния непосредственно на металлической мембране, изолированной от тензорезисторов тонким слоем окиси кремния, обуславливает невысокую диэлектрическую прочность изоляции тензопреобразователей.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является тензопреобразователь давления на основе структуры «кремний на сапфире», содержащий двухслойный упругий элемент в виде металлической мембраны, жестко соединенной с монокристаллической сапфировой подложкой, на которой расположены монокристаллические кремниевые тензорезисторы, соединенные в мостовую схему (а.с. РФ №1451566, оп. 15.01.1989). К недостаткам прототипа относится временная и температурная нестабильность характеристик тензопреобразователя давления и высокая стоимость структур «кремний на сапфире».

Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является повышение температурной и временной стабильности тензопреобразователя, путем уменьшения температурного гистерезиса при сохранении основных положительных качеств тензопреобразователей давления на основе структуры «кремний на сапфире», снижение стоимости тензопреобразователей.

Задача решается следующим образом.

В тензопреобразователе давления, включающем двухслойный упругий элемент в виде металлической мембраны, жестко соединенной с диэлектрической подложкой, на которой расположены тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, согласно изобретению тензорезисторы выполнены из поликристаллического кремния, а диэлектрическая подложка выполнена из окиси алюминия. При этом окись алюминия используют как монокристаллической, так и немонокристаллической (неориентированной) структуры.

На чертеже схематично изображен заявляемый тензопреобразователь давления, который содержит двухслойный упругий элемент (металл-диэлектрик), выполненный в виде металлической мембраны 1, например из титанового сплава ВТ9, жестко соединенной, например пайкой, с диэлектрической подложкой 2, выполненной из окиси алюминия, например монокристаллического сапфира толщиной 120-180 мкм. На диэлектрической подложке 2 расположены тензорезисторы 3 из поликристаллического кремния, объединенные в мостовую схему. Металлическая мембрана 1 соединена сваркой, например лазерной, со штуцером 4, который служит для подачи давления.

При изготовлении тензопреобразователей на диэлектрическую подложку путем осаждения из парогазовой смеси при температуре 500-700°С осаждается поликристаллический кремний толщиной около 1 мкм. Затем этот слой поликристаллического кремния легируется бором путем диффузии до значений поверхностного сопротивления 20-30 Ом/кв.

Путем фотолитографии и плазмохимического травления образуются тензорезисторы, объединенные в замкнутую мостовую схему. Тензорезисторы сверху закрываются слоем пассивирующего пиролитического окисла кремния (на чертеже не показан). Выводы к мостовой схеме формируются путем вскрытия окон в слое окисла кремния на контактных площадках, на которые напыляется алюминий. Внешние выводы при помощи ультразвуковой сварки устанавливаются на контактные площадки.

В дальнейшем кристалл с мостовой схемой паяется на металлическую мембрану.

Тензопреобразователь давления работает следующим образом. При подаче давления двухслойный упругий элемент, содержащий металлическую мембрану и диэлектрическую подложку, изгибается, деформируя тензорезисторы из поликристаллического кремния, которые под действием деформации изменяют свое сопротивление, в результате чего на выходе мостовой схемы появляется электрический сигнал, пропорциональный давлению.

Данная конструкция позволяет повысить временную и температурную стабильность характеристик тензопреобразователя, за счет использования материала тензорезисторов, обладающего меньшей чувствительностью к дефектам поверхности тензорезисторов и большей стабильностью контактов между внешними выводами и материалом тензорезисторов. Снижение температурного гистерезиса после многократного термоциклирования по сравнению с прототипом происходит в 5-10 раз при сохранении основных положительных качеств тензопреобразователей на основе структуры «кремний на сапфире», например высокая диэлектрическая прочность, отсутствие разделительной жидкости в датчике. Поликристаллический кремний обладает меньшим температурным коэффициентом сопротивления - (0,5-0,8)·10^-3 1/°С по сравнению со значением (1,2-1,5)·10^-3 1/°C в прототипе.

Использование поликристаллического кремния позволяет в качестве подложки применять не только монокристаллический сапфир, но и не монокристаллическую (неориентированную) подложку из окиси алюминия, например керамику, что обеспечивает снижение стоимости тензопреобразователя.

Использование диэлектрической подложки из окиси алюминия обеспечивает хорошую надежность, радиационную стойкость, устойчивость тензопреобразователя к механическим и температурным воздействиям, повышенную диэлектрическую изоляцию и стабильность характеристик тензопреобразователей давления.

Сущность: тензопреобразователь давления содержит двухслойный упругий элемент в виде металлической мембраны, жестко соединенной с диэлектрической подложкой, на которой расположены тензорезисторы, соединенные в мостовую схему. Тензорезисторы выполнены из поликристаллического кремния, а диэлектрическая подложка выполнена из окиси алюминия, как монокристаллической, так и немонокристаллической структуры. Технический результат заключается в повышении температурной и временной стабильности тензопреобразователя, снижении его стоимости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тензопреобразователь давления, включающий двухслойный упругий элемент в виде металлической мембраны, жестко соединенной с диэлектрической подложкой, на которой расположены тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, отличающийся тем, что тензорезисторы выполнены из поликристаллического кремния, а диэлектрическая подложка выполнена из окиси алюминия.2. Тензопреобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из окиси алюминия монокристаллической структуры, например монокристаллического сапфира.3. Тензопреобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из окиси алюминия не монокристаллической структуры.