МЭМС-ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, а именно к датчикам давления.

Известна реализация бипланарного датчика перепада давления на емкостном принципе работы /1/. Датчик давления содержит электронно-индикаторный и мембранный блоки, а также два плоских присоединительных фланца, между которыми размещается мембранный блок измерителя, содержащий емкостную ячейку с измерительной мембраной. Недостатком такого емкостного датчика перепада давлений является его достаточно большие габариты и механическая сборка конструкции, подразумевающая большое количество сварных соединений.

Известна также реализация емкостного МЭМС-датчика давления, который может быть изготовлен с применением микроэлектронной технологии бондинга и осаждения и травления тонких слоев 121. Предлагаемый МЭМС-датчик давления состоит из пары электродов, жесткого и гибкого для детектирования изменения давления, которые электрически изолированы друг от друга камерой с низким давлением атмосферы внутри, причем электроды имеют выступы, геометрические параметры которых будут определять диапазон измеряемого давления датчика. Недостатком такого емкостного датчика давления является нелинейность зависимости емкости от измеряемого давления, связанная с проявлением краевых эффектов, возникающих при использовании конструкции нижнего электрода датчика с выступами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является емкостной датчик давления с двумя мембранами /3/. Датчик изготавливается из двух подложек: стеклянной и подложки типа кремний на изоляторе помощью методов микроэлектронной технологии (травление и осаждение слоев, фотолитография, бондинг). Конструкция датчика содержит одну тонкую цельную мембрану, рассчитанную на измерение малых давлений и одну толстую мембрану с отверстием для измерения больших давлений. Диапазон измеряемых давлений может регулироваться вариацией толщины мембран датчика при его изготовлении. Недостатком предлагаемого устройства является возможность попадания влаги в корпус датчика, что может привести к выходу его из строя.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности датчика и расширение диапазона измерения давления за счет возможности настройки датчика на необходимый режим работы.

Поставленная задача решается за счет того, что в МЭМС-датчике давления, содержащем нижнюю мембрану, полость в подложке и верхнюю чувствительную к внешнему давлению мембрану, на нижней перфорированной фиксированной мембране размещается нагреватель и по меньшей мере одна термопара, фиксирующая изменение температуры нижней мембраны при изменении внешнего давления, а над верхней цельной гибкой мембраной располагается дополнительная верхняя цельная гибкая мембрана, выполненная из алюминия толщиной 15 мкм, при этом герметичное пространство между верхней цельной гибкой мембраной и подложкой заполнено ксеноном, а пространство между двумя верхними мембранами заполнено маслом.

Настройка предлагаемого МЭМС-датчика давления на необходимый режим работы, т.е. на определенный диапазон давлений может осуществляться подбором материала и толщины дополнительной верхней цельной гибкой мембраны, например, с жесткостью в несколько раз превышающей жесткость верхней цельной гибкой мембраны, и типа используемого масла, например, вакуумного масла. При этом, этап заполнения полости маслом и установки дополнительной верхней цельной гибкой мембраны является последним в технологическом маршруте изготовления датчика, что дает возможность настройки каждого отдельного датчика в составе подготовленной партии на требуемый диапазон давлений.

Чувствительность предлагаемого МЭМС-датчика давления (отношение изменения выходного сигнала термопар к изменению внешнего измеряемого давления) будет определяться следующим выражением:

,

где: - коэффициент Зеебека чувствительной термопары, N_T- количество термопар, I- ток нагревателя, R₀ - сопротивление нагревателя, λ_gas - теплопроводность газа в камере датчика, A_st - площадь мембраны, W- прогиб верхней мембраны, - коэффициент теплоотдачи нагревателя, Р₀ - внутреннее давление в камере датчика, Р_ех - внешнее измеряемое давление, А_р - функция прогиба центра для предварительно напряженной верхней мембраны, H_gb - расстояние от нагревателя до подложки, h₀ - изначальное расстояние от верхней мембраны до нагревателя, L_st - характерный размер нагревателя, L_m - характерный размер мембраны.

Как видно из формулы (1), увеличение количества термопар приводит к увеличению чувствительности датчика. Чувствительность датчика возрастает в n раз при использовании n термопар. Количество используемых термопар при этом будет ограничиваться, по сути, двумя факторами: занимаемой термопарами площадью на кристалле и величиной потребляемой мощности. Положительный эффект увеличения количества термопар оказывает также на минимально разрешаемую разность давлений - с

увеличением количества термопар она будет уменьшаться в

где: k-постоянная Больцмана, Т- температура, p_w - удельное сопротивление термопар, измеряемое в Ом/квадрат, l_T- длина термопары, w_T - ширина термопары, Δƒ-шумовая полоса частот.

На Фиг. 1 представлен предлагаемый МЭМС-датчика давления в разрезе, где: 1 -корпус датчика, 2 - дополнительная верхняя цельная гибкая мембрана, 3 - верхняя цельная гибкая мембрана, 4 - слой масла, 5 - камера с газом ксеноном, 6 - нагреватель, 7 - термопара, 8 - нижняя перфорированная фиксированная мембрана, 9 - подложка.

Предлагаемый МЭМС-датчик давления функционирует на мембранно-тепловом принципе следующим образом. При воздействии давления на дополнительную верхнюю цельную гибкую мембрану 2, происходит ее прогиб, при этом воздействие передается на верхнюю цельную гибкую мембрану 3 через слой масла 4. Прогиб верхней гибкой мембраны изменяет величину перегрева нагревателя 6 внутри камеры с газом ксеноном 5. Пропорционально изменению температуры нагревателя меняется выходной сигнал одной или нескольких термопар 7 на нижней перфорированной фиксированной мембране 8, одна или несколько термопар при этом должны быть подключены к специальной схеме обработки сигналов.

В качестве примера конкретного исполнения предлагаемого устройства может служить МЭМС-датчик давления с размерами 5,8×5,8×2 мм³, создаваемый на кремниевых пластинах КДБ-12 диаметром 150 мм и толщиной 670 мкм. Данный датчик состоит из трех кристаллов: кристалла, содержащего нижнюю перфорированную фиксированную мембрану с нагревателем и термопарами на ней; кристалла, содержащего верхнюю цельную гибкую мембрану; кристалла подложки. Кристалл, содержащий нижнюю перфорированную фиксированную мембрану с нагревателем и термопарами на ней, изготавливается следующим образом. Первая группа операций представляет из себя процесс формирования трехслойного диэлектрического покрытия оксид/нитрид/оксид кремния (SiO₂/Si₃N₄/SiO₂) с целью создания нижней перфорированной фиксированной мембраны датчика путем окисления кремниевой пластины и последующего плазмохимического осаждения слоев нитрида кремния и оксида кремния из газовой фазы (PEC VD). На этом этапе производится формирование сквозных отверстий в нижней перфорированной фиксированной мембране. Далее на полученном покрытии формируют нагреватель и заготовки под термопары из поликремния толщиной 450 нм с помощью PECVD-осаждения, фотолитографии и реактивно-ионного травления. Термопары создаются из поликремниевых заготовок ионной имплантацией примесями n- и р-типа и активационным отжигом. Слой изоляции из SiO₂ толщиной 400 нм формируется аналогично нагревателю и термопарам с использованием PECVD-осаждения, фотолитографии и реактивно-ионного травления. Вакуумное распыление и реактивно-ионное травление позволяет сформировать слои металлизации кристалла, содержащего нижнюю перфорированную фиксированную мембрану с нагревателем и термопарами на ней. Завершающей операцией формирования кристалла является глубокое Bosch-травление с обратной стороны пластины для высвобождения нижней перфорированной фиксированной мембраны. Кристалл, содержащий верхнюю цельную гибкую мембрану, формируется окислением кремниевой пластины КДБ-12 диаметром 150 мм и толщиной 670 мкм с последующим вытравливанием углубления глубиной ~15 мкм в кристалле жидкостным химическим травлением. Вакуумное напыление и травления слоя алюминия и слоя индия предназначено для создания верхней цельной гибкой мембраны толщиной ~0_;8-1,0 мкм и специальной рамки для проведения процесса соединения кристалла, содержащего нижнюю перфорированную фиксированную мембрану с нагревателем и термопарами на ней, и кристалла верхней цельной гибкой мембраны. Затем с обратной стороны от углубления вакуумным напылением и ПХТ травлением формируется металлическая маска для открытия (высвобождения) глубоким Bosch-травлением верхней цельной гибкой мембраны.

Сборка датчика давления производится с помощью термокомпрессионного бондинга трех кристаллов: кристалла, содержащего нижнюю перфорированную фиксированную мембрану с нагревателем и термопарами на ней, кристалла верхней цельной гибкой мембраны и кристалла подложки, который представляет собой кремниевый кристалл с предварительно нанесенным слоем индия. В процессе бондинга кристаллы помещаются в рабочую камеру установки, из которой производится откачка воздуха до давления 0,8 мбар, а затем камера заполняется ксеноном (Хе). Соединение кристаллов производится при прижимном усилии 15 кг, температуре нагрева 140°С и 5 минутах выдержки. Последним этапом в производстве предлагаемого датчика давления являются операции заполнения полости над верхней цельной гибкой мембраной маслом, например, вакуумным маслом и ультразвуковой пайки дополнительной верхней цельной гибкой мембраны, выполненной из алюминия толщиной 15 мкм. При таком исполнении датчика диапазон измеряемого давления будет составлять 0-10 атм. Изготовление датчика, рассчитанного на другой диапазон измеряемых давлений, производится путем выбора другого материала (например, титана) дополнительной верхней цельной гибкой мембраны с большей толщиной.

Таким образом, в предлагаемом МЭМС-датчике давления одновременно решается задача повышения чувствительности датчика и расширение диапазона измерения давления за счет возможности настройки датчика на необходимый режим работы подбором материала, из которого изготавливается дополнительная верхняя цельная гибкая мембрана датчика. Вместе с этим, решается проблема уязвимости датчика давления, взятого в качестве прототипа, к попаданию влаги в корпус, т.к. корпус предлагаемого датчика обладает высокой степенью герметичности.

Источники информации:

1. Патент РФ №2545085.

2. Патент США №20180188127.

3. Патент США№11099090-прототип.

Использование: для изготовления микроэлектронных и микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, а именно датчиков давления. Сущность изобретения заключается в том, что МЭМС-датчик давления содержит нижнюю мембрану, полость в подложке и верхнюю чувствительную к внешнему давлению мембрану, при этом на нижней перфорированной фиксированной мембране размещается нагреватель и по меньшей мере одна термопара, фиксирующая изменение температуры нижней мембраны при изменении внешнего давления, а над верхней цельной гибкой мембраной располагается дополнительная верхняя цельная гибкая мембрана, выполненная из алюминия толщиной 15 мкм, при этом герметичное пространство между верхней мембраной и подложкой заполнено ксеноном, а пространство между двумя верхними мембранами заполнено маслом. Технический результат обеспечение возможности повышения чувствительности МЭМС-датчика давления и расширения диапазона измерения давления за счет возможности настройки датчика на необходимый режим работы. 1 ил.

МЭМС-датчик давления, содержащий нижнюю мембрану, полость в подложке и верхнюю чувствительную к внешнему давлению мембрану, отличающийся тем, что на нижней перфорированной фиксированной мембране размещается нагреватель и по меньшей мере одна термопара, фиксирующая изменение температуры нижней мембраны при изменении внешнего давления, а над верхней цельной гибкой мембраной располагается дополнительная верхняя цельная гибкая мембрана, выполненная из алюминия толщиной 15 мкм, при этом герметичное пространство между верхней мембраной и подложкой заполнено ксеноном, а пространство между двумя верхними мембранами заполнено маслом.