ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L9/04 H01L29/84 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических воздействий - давления, силы, а также высокоточного измерения малых давлений газовых сред в температурном диапазоне от минус 60°С до плюс 125°С.

Известен интегральный преобразователь давления с одним жестким центром [Патент Российской Федерации №2469437 С1, МПК H01L 29/84, G01L 9/04, опубл. 10.12.2012, Бюл. №34], выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы, объединенные электрическими связями в мост Уитстона. Со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один жесткий центр. На каждом прямолинейном тонком участке мембраны над дном соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, не менее 10% площади дна тонкой части мембраны расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Монокристаллическая кремниевая пластина ориентирована в плоскости (100) и имеет «-тип проводимости, тензорезисторы имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011]. Боковые стороны кремниевой пластины параллельны, либо перпендикулярны длинной стороне тензорезисторов, т.е. имеют кристаллографическое направление [011].

Известен кремниевый микроэлектромеханический преобразователь Соколова [Патент Российской Федерации №2327125 С2, МПК G01L 9/00, опубл. 20.06.2008, Бюл. №17], содержащий тонкую квадратную мембрану и тензорамку с тензорезисторами мостовой схемы, при этом тензорамка выполнена монолитной с трапецеидальным сечением и неразъемно соединена своим широким основанием через слой стекла с мембраной, оси симметрии мембраны и тензорамки совпадают с прецизионной точностью, тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, длина тензорамки L меньше линейного размера мембраны на величину 0,2…4,5(H-h)ctgγ, где Н - высота кремниевого кристалла с мембраной, h - толщина мембраны, γ - угол, образованный кристаллографическими плоскостями (100) и (111) при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния. Стороны тензорамки с тензорезисторами параллельны кристаллографическому направлению [110].

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является интегральный преобразователь давления [Патент Российской Федерации №2362132, МПК G01L 9/04, H01L 29/84, опубл. 20.07.2009, Бюл. №20. Прототип], выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона, со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из параллельных канавок и соединяющих их концы между собой полостей, имеющих общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую жесткие центры. Каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких диффузионных тензорезисторов, размещено на отдельном прямолинейном тонком участке мембраны над одной соответствующей канавкой, продольная ось которой параллельна продольной оси соответствующего диффузионного тензорезистора, причем прямолинейный тонкий участок со второй стороны мембраны имеет ширину от 5 до 100 мкм и длину не менее 0,7 длины диффузионного тензорезистора, продольные границы тонкого участка мембраны параллельны диффузионному тензорезистору, а в промежутках между этими тонкими участками мембраны расположены три жестких центра. Сопряжение поверхности тонких участков мембраны с боковыми гранями мембраны и жестких центров выполняют криволинейной поверхностью с радиусом скругления от 3 до 10 мкм.

Основным недостатком перечисленных технических решений по патентам является высокая погрешность измерений давления из-за наличия механических напряжений на внешних углах кремниевой пластины, обусловленного сходным кристаллографическим направлением боковых граней пластины и тензорезисторов.

Известно [Kurt E. Petersen. Silicon as a Mechanical. Proceeding Of The IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982], что максимальные механические напряжения в кремниевых кристаллах присутствуют на внешних и внутренних углах кремниевых микроструктур. Такие напряжения распространяются вдоль кристаллографических направлений и плоскостей, образующих внешние и внутренние углы, в объем кристалла, приводя к возникновению напряженно-деформированного состояния объема кремния. Таким образом, в случае выполнения интегрального преобразователя давления в виде монокристаллической кремниевой пластины, стороны которой ориентированы вдоль кристаллографического направления [011], и имеющей тензорезисторы, вытянутые вдоль кристаллографического направления [011], механические напряжения, присутствующие на внешних углах пластины, распространяются вдоль направления [011] в объем кремния, приводя к появлению напряженно-деформированного состояния тензорезисторов. Это приводит к начальному разбалансу мостовой схемы Уитстона, образованной тензорезисторами, что увеличивает погрешность измерения давления.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерений интегрального преобразователя давления за счет снижения механических напряжений в тензорезисторах.

Поставленная цель достигается тем, что в интегральном преобразователе давления, выполненном в виде монокристаллической кремниевой пластины (1) n-типа проводимости, ориентированной в плоскости (100), с первой стороны пластины (1) сформированы тензорезисторы p-типа проводимости R1-R4 (3), вытянутые в направлении [011]. Тензорезисторы R1-R4 объединены электрическими связями в мост Уитстона. Со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление (5), не выходящее на край пластины и образующее тонкую часть мембраны (2), при этом каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на тонком участке мембраны, а стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнены с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100].

Кроме того, тензорезисторы (3) интегрального преобразователя давления выполнены в виде мезаструктуры методом диффузии или ионного легирования, а геометрические размеры и глубина углубления (5) со второй стороны пластины обусловлены диапазонами измеряемого давления.

При выполнении интегрального преобразователя давления в виде монокристаллической кремниевой пластины, стороны которой ориентированы вдоль кристаллографического направления [100], с тензорезисторами, вытянутыми вдоль кристаллографического направления [011], присутствующие механические напряжения на внешних углах кремниевой пластины распространяются в объем кремния по направлению [100]. При этом, при использовании кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), тензорезисторы оказываются нечувствительными к механическим напряжениям, которые распространяются вдоль направления [100].

Таким образом, тензорезисторы остаются свободными от напряженно-деформированного состояния, что устраняет начальный разбаланс мостовой схемы Уитстона, приводя к снижению погрешности измерений.

На фиг. 1 изображен интегральный преобразователь давления, содержащий монокристаллическую кремниевую пластину (1) n-типа проводимости, стороны которой ориентированы вдоль кристаллографического направления [100], с плоской рабочей поверхностью и тонкой квадратной мембраной (2) в центре с обратной стороны. На рабочей поверхности пластины (1) сформированы тензорезисторы R1-R4 (3) p-типа проводимости, вытянутые вдоль кристаллографического направления [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона. Боковые грани (4) монокристаллической кремниевой пластины ориентированы вдоль кристаллографического направления [100]. Геометрические размеры углубления (5) обусловлены диапазонами измеряемого давления.

Интегральный преобразователь давления работает следующим образом: на соединенные контактные площадки П1 и П5, а также контактную площадку П3 подают напряжение питания измерительного моста, равного (6±0,1)В. Значения выходного сигнала снимают с контактных площадок П2 и П4. При отсутствии внешнего давления измерительный мост находится в состоянии равновесия, а при подаче давления происходит деформация мембраны 2. При этом тензорезисторы R1-R4 испытывают механические напряжения от приложенного давления, причем тензорезисторы R1, R4 увеличивают свое сопротивление, тензорезисторы R2, R3 уменьшают свое сопротивление, что приводит к разбалансу измерительного моста Уитстона и появлению напряжения, пропорционального приложенному давлению.

При этом тензорезисторы (3) R1-R4, вытянутые в направлении кристаллографического направления [011] фактически нечувствительны к механическим напряжениям, присутствующим на внешних углах пластины и распространяющихся вдоль кристаллографического направления [100] в объем кремния, что уменьшает погрешность измерений давления интегрального преобразователя давления.

Предложенное техническое решение позволяет уменьшить погрешность измерения давления за счет снижения механических напряжений в тензорезисторах, обусловленного выполнением кремниевой пластины с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100].

Использование: для измерения механических воздействий - давления, силы, а также высокоточного измерения малых давлений газовых сред в температурном диапазоне от минус 60°С до плюс 125°С. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный преобразователь давления выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины и образующее тонкую часть мембраны, при этом каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на тонком участке мембраны, при этом стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнены с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100]. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения погрешности измерения давления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Интегральный преобразователь давления, выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины и образующее тонкую часть мембраны, при этом каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на тонком участке мембраны, отличающийся тем, что стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнены с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100].

2. Интегральный преобразователь давления по п. 1, отличающийся тем, что тензорезисторы интегрального преобразователя давления выполнены в виде мезаструктуры методом диффузии или ионного легирования, а геометрические размеры и глубина углубления со второй стороны пластины обусловлены диапазонами измеряемого давления.