ТЕПЛОВОЙ МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2025 года по МПК G01P15/08 G01P15/00 

Изобретение относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, а именно к акселерометрам на тепловом принципе действия. Предлагаемое изобретение предназначено для использования в качестве датчика ускорения в электронных системах автомобильного транспорта.

Известен тепловой МЭМС-акселерометр, позволяющий измерять ускорение по трем осям (X, Y, Z) и включающий в себя плоскую подложку с полостью, сформированную в подложке и заполненную жидкостью или газом, нагревательный элемент и, по меньшей мере, первый и второй элементы измерения температуры /1/. Нагревательный элемент подвешен над полостью, а первый и второй термочувствительные элементы расположены вдоль оси X или Y в плоскости подложки на противоположных сторонах и на равных расстояниях от нагревательного элемента. Тепловой акселерометр использует дифференциальные температуры, определяемые термочувствительными элементами, для определения ускорения в направлениях X или Y. Кроме того, тепловой акселерометр использует среднюю составляющую постоянного тока нагревательного элемента в виде синфазной температуры, обнаруженную термочувствительными элементами, чтобы обеспечить измерение ускорения вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и Y, так как, определяя теплопередачу от нагревательного элемента, можно получить векторную сумму ускорений по трем осям. Данную теплопередачу можно определить по изменениям сопротивления нагревателя или мощности потребляемой нагревателем. Недостатком данного теплового акселерометра является невозможность прямого измерения разности температур для определения ускорения по оси, перпендикулярной плоскости подложки. Кроме того, расположение элементов измерения температуры в плоскости подложки приводит к значительному уменьшению чувствительности определения ускорения по осям, расположенным в плоскости подложки.

Известен тепловой МЭМС-акселерометр с вертикальной асимметрией рабочей полости 121. Такая конфигурация полости создается тем, что нижняя полость под мостом формируется в результате микрообработки в объеме кремния, а верхняя полость над мостом, на котором расположены нагреватель и термоэлементы, корпусом устройства. Таким образом, реализация внеплоскостной чувствительной оси в основном является вопросом схемы обработки сигналов (для обнаружения изменений синфазной температуры) и не предполагает каких-либо радикальных модификаций конструкции датчика или технологии изготовления. Очевидно, что размеры верхней и нижней полостей будут влиять на характеристики акселерометра по оси Z. Недостатком конструкции данного теплового акселерометра является невозможность прямого измерения разности температур для определения ускорения по оси, перпендикулярной плоскости подложки. Расположение элементов измерения температуры в плоскости подложки уменьшает чувствительность измерения ускорения по осям в плоскости подложки. В качестве недостатка можно отметить также, что измерение синфазной температуры хотя и позволяет обнаружить ускорение в перпендикулярной плоскости, но знак его остается неизвестен.

Наиболее близким по технической сути является тепловой МЭМС-акселерометр, содержащий плоскую подложку, полость, сформированную в подложке, нагревательный элемент и, по меньшей мере, первый и второй элементы измерения температуры /3/. Нагревательный элемент подвешен над полостью, а первый и второй термочувствительные элементы расположены вдоль оси X или Y в плоскости подложки на противоположных сторонах и на равных расстояниях от нагревательного элемента. Используются дифференциальные температуры, определяемые термочувствительными элементами, для определения ускорения в направлениях X или Y. Кроме того, тепловой МЭМС-акселерометр использует среднюю составляющую постоянного тока в виде синфазной температуры, определяемую термочувствительными элементами, чтобы обеспечить индикацию ускорения вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и Y. Определяя теплопередачу от нагревательного элемента, можно получить вектор ускорений по трем осям. Такую теплопередачу можно определить по изменениям потока или мощности, подаваемой на нагреватель. Наконец, среди всех возможных решений, описана структура, включающая в себя четыре группы нагревателей и термобатарей для значений Х+, Х-, Y+и Y-. Каждая группа имеет нагреватель в центре и два термодатчика с каждой стороны нагревателя. Один из термодатчиков расположен близко к центру полости, другой термодатчик - между нагревателем и стенкой камеры. Чтобы создать полезный сигнал ускорения по оси Z, в этом устройстве полость над поверхностью кремния больше, чем полость, вытравленная в подложке под поверхностью кремния. Из-за этой асимметрии, сигнал ускорения по оси Z может быть обнаружен по разнице температур между внутренним и внешним датчиками температуры. Недостатком конструкции данного теплового акселерометра является невозможность прямого измерения разности температур для определения ускорения по оси, перпендикулярной плоскости подложки. Расположение элементов измерения температуры в плоскости подложки приводит к значительному уменьшению чувствительности определения ускорения по осям, расположенных в плоскости подложки. Измерение синфазной температуры при дает возможность обнаружить ускорение в перпендикулярной плоскости без определения знака его величины. Кроме того, наличие нескольких групп нагревателей и термодатчиков может приводить к росту потребляемой мощности и сильно усложняет саму конструкцию и схему усиления и обработки сигналов.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности измерения ускорения в плоскости перпендикулярной подложке с учетом знака и повышение чувствительности измерения вдоль осей в плоскости подложки.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый тепловой МЭМС-акселерометр содержит плоскую подложку, полость, сформированную в подложке, нагревательный элемент, расположенный по центру полости и по меньшей мере одну или несколько групп элементов измерения температуры и состоит из четырех кремниевых подложек, имеющих лицевую и тыльную стороны, первая, из которых, содержит сквозную полость, мостовую структуру на лицевой стороне с нагревательным элементом и элементом измерения температуры по центру полости, вторая и третья - сквозную полость, геометрические размеры и форма которой совпадают с размерами и формой полости на первой подложке и группу элементов измерения температуры, содержащую пять или более термоэлементов, расположенную на подвесах над полостью на лицевой стороне подложек так, чтобы центральный элемент измерения температуры был расположен на оси симметрии полости перпендикулярной к плоскости подложек, а другие - попарно по двум взаимно перпендикулярным осям симметрично относительно центрального элемента на некотором расстоянии в одной плоскости с ним, а четвертая -глухую полость, открытую с тыльной стороны, геометрические размеры и форма которой совпадают с размерами и формой полости на первой подложке, которые собраны в единую сборку методом низкотемпературного термокомпрессионного бондинга так, что тыльная сторона первой подложки герметично соединяется с лицевой стороной второй подложки, тыльная сторона третьей подложки герметично соединяется с лицевой стороной первой подложки, а тыльная сторона четвертой подложки герметично соединяется с лицевой стороной третьей подложки, причем при бондинге подложки совмещаются так, что образуется единая внутренняя полость, которая заполняется одноатомным газом, предпочтительно ксеноном, а электрические контакты каждой из подложек доступны для внешнего подключения, при этом, в качестве элементов измерения температуры могут использоваться термопары из поликристаллического кремния р- и n-типа, «холодный спай» которых расположен на подложке, а «горячий» - в точке измерения температуры.

Устройство теплового МЭМС-акселерометра поясняется на фиг. 1, где представлена сборка в разрезе предлагаемого теплового МЭМС-акселерометра с отдельным изображением всех подложек, фиг. 2, где приведено изображение лицевой стороны первой подложки со сквозной полостью, мостовой структурой с нагревательным элементом и элементами измерения температуры над полостью, фиг. 3 и 4, где приведено изображение второй и третьей подложки со сквозной полостью и группой элементов измерения температуры на подвесах над полостью и фиг. 5, где приведено изображение тыльной стороны четвертой подложки с глухой полостью. Введены следующие обозначения: 1 - первая подложка; 2 - вторая подложка; 3 - третья подложка; 4 -четвертая подложка; 5 - сквозная полость; 6 - мостовая структура; 7 - нагревательный элемент; 8 - подвес; 9 - измерительный элемент; 10 - глухая полость; 11 - электрические контакты.

Предлагаемый тепловой МЭМС-акселерометр функционирует следующим образом. Мостовая структура 6 с нагревательным элементом 7, расположенная на лицевой стороне первой подложки 1 над сквозной полостью 5 при подключении электрических контактов 11 нагревательного элемента к источнику и пропускании через нагревательный элемент тока, создает тепловое облако. Смещение теплового облака во внутренней полости теплового МЭМС-акселерометра при возникновении линейных ускорений детектируется элементами измерения температуры 9 над сквозной полостью на подвесах 8, которые расположены на второй 2 и третьей подложке 3. Четвертая подложка 4 с глухой полостью 10 служит для формирования единой внутренней полости МЭМС-акселерометра при сборке подложек термокомпрессионным бондингом. Возможность непосредственного измерения величины разности температур, обусловленной ускорением перпендикулярным плоскости подложки с учетом его знака и повышении чувствительности по всем трем осям достигается за счет разделения плоскостей размещения термоэлементов и нагревателя и расположения двух групп термоэлементов над и под плоскостью размещения нагревателя на равном расстоянии от нее в параллельной плоскости. Причем, каждая группа термоэлементов содержит пять или более термоэлементов, один из которых (центральный) расположен на оси, проходящей через центр симметрии нагревателя перпендикулярно плоскости его размещения, а другие - попарно по двум взаимно перпендикулярным осям симметрично относительно центрального элемента в одной плоскости с ним. Применение пяти или более термоэлементов в каждой группе позволяет расширить диапазон измеряемых ускорений при детектировании смещения теплового облака элементами, размещенными дальше от центральной оси акселерометра.

В качестве примера конкретного исполнения предлагаемого устройства может служить тепловой МЭМС-акселерометр с размерами 6×6×2,6 мм³, создаваемый из кремниевых подложек, формируемых из пластин КДБ-12 диаметром 150 мм, толщиной 675 мкм или 300-400 мкм и ориентацией (100). Тепловой МЭМС-акселерометр изготавливается из четырех кремниевых подложек, имеющих разную толщину и выполняющих различные функции в собранном устройстве. Подложки представляют собой кремниевые пластинки (чипы) со сформированными нагревательным, измерительными элементами и полостями на их лицевой или тыльной поверхности. Для получения отдельной подложки необходимо применение операции кристальной резки кремниевой пластины после проведения на ней процессов формирования полостей и нагревательного или измерительных элементов.

Первая подложка содержит полость, элемент измерения температуры и нагревательный элемент, расположенный на мосту над полостью так, чтобы нагревательный элемент находился в центре полости, полость, при этом, выполняется сквозной. Вторая и третья содержат сквозную полость геометрические размеры и форма которой совпадают с размерами и формой полости на первой подложке, и измерительную группу содержащую пять или более термоэлементов, расположенную на подвесах над полостью так, чтобы один из термоэлементов (центральный) был расположен на оси, проходящей через центр симметрии полости перпендикулярно плоскости, а другие -попарно по двум взаимно перпендикулярным осям симметрично относительно центрального элемента в одной плоскости с ним. Четвертая подложка имеет глухую полость, открытую с тыльной стороны, при этом, ее геометрические размеры и форма совпадают с размерами и формой полости на первой подложке. Вторая подложка со сквозной полостью и группой термоэлементов используется как основание для сборки теплового МЭМС-акселерометра методом «кристалл к пластине» (die-to-wafer, D2W). На основание вторая подложка после разделения на отдельные подложки кристальной резкой монтируется первая подложка, содержащая сквозную полость и нагревательный элемент, расположенный на мостовой структуре над полостью так, чтобы нагревательный элемент находился в центре полости, затем сверху третью и четвертую подложку со сквозной полостью и группой термоэлементов, и глухой полостью соответственно.

Первая подложка, содержащая полость, нагревательный и измерительный элемент изготавливается следующим образом. Начальная группа операций включает в себя процесс формирования диэлектрического покрытия из комбинации слоев оксида и нитрида кремния - SiO₂/Si₃N₄/SiO₂ с целью создания мостовой структуры над полостью путем окисления кремниевой пластины и последующего плазмохимического осаждения слоев нитрида кремния и оксида кремния из газовой фазы (PECVD). На полученных слоях формируют нагреватель и заготовки под термоэлементы, представляющие собой термопары р- и n-типа из поликремния толщиной 450 нм с помощью PECVD осаждения, фотолитографии и реактивно-ионного травления. Термопары формируются из подготовленных поликремниевых заготовок ионной имплантацией примесями n- и р-типа (фосфор и бор соответственно) с дозой 5⋅10¹⁵ см^-2 и энергией 80 кэВ и активационным отжигом при температуре 950°С в течение 30 мин в атмосфере азота. Изоляционный слой из SiO₂ толщиной 400 нм формируется аналогично нагревателю и термопарам с использованием PECVD осаждения, фотолитографии и реактивно-ионного травления. Металлизация к поликремнию на подложке формируется вакуумным распылением слоя алюминия с толщинами 500 нм и диффузионно-барьерного слоя из структуры титан-нитрид тантала-тантал (10 нм - 20 нм - 10 нм), который формируется между слоями алюминия и поликремния с последующим реактивно-ионным травлением нанесенных слоев. Для контактных площадок проводится нанесение дополнительного слоя алюминия толщиной 1,1 мкм для упрощения процесса приваривания электрических контактов к акселерометру. Завершающей операцией является глубокое Bosch-травление с обратной стороны подложки для высвобождения мостовой структуры с нагревателем и измерительным элементом.

Вторая и третья подложка создаются по аналогичному относительно друг друга маршруту за исключением того, что толщина второй подложки составляет 675 мкм, а третьей - 300-400 мкм. Процесс изготовления второй и третьей подложки следующий. На поверхности кремниевой пластины формируется многослойное диэлектрическое покрытие оксид/нитрид/оксид кремния SiO₂/Si₃N₄/SiO₂ окислением кремниевой пластины и плазмохимическим осаждением слоев Si₃N₄ и SiO₂ из газовой фазы. На полученном многослойном покрытии формируются заготовки для измерительных элементов-термопар из поликремния толщиной 450 нм с помощью PECVD осаждения, фотолитографии и реактивно-ионного травления. Ионная имплантация примесей р- и n-типа и активационный отжиг в слое поликремния позволяет сформировать измерительные термопары. Далее происходит формирование изоляционного слоя оксида кремния SiO₂ толщиной 400 нм процессами PECVD осаждения, фотолитографии и реактивно-ионного травления. Металлизация для измерительных термопар второй и третьей подложки формируется с помощью вакуумного распыления алюминия и реактивно-ионного травления нанесенного слоя. Операция глубокого Bosch-травления с обратной стороны кремниевой пластины позволяет высвободить поликремниевые термопары на сформированных подвесах.

Четвертая подложка, имеющая глухую полость, изготавливается по сокращенному маршруту без формирования нагревательных или измерительных элементов. Полость в подложке формируется с помощью операций фотолитографии и глубокого Bosch-травления так, чтобы геометрические размеры и форма полости на этой подложке совпадали с размерами и формой полости на первой подложке.

Сборка теплового МЭМС-акселерометра производится с использованием низкотемпературного термокомпрессионного бондинга таким образом, что тыльная сторона первой подложки герметично соединяется с лицевой стороной второй подложки, тыльная сторона третьей подложки герметично соединяется с лицевой стороной первой подложки, а тыльная сторона четвертой подложки герметично соединяется с лицевой стороной третьей подложки, при этом формируется единая внутренняя полость. Для проведения компрессионного бондинга на соединяемых сторонах подложек формируются слои металлов молибден-индий-золото (50 нм - 2-4 мкм - 30 нм). В процессе бондинга подложки размещаются в рабочей камере 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.

Таким образом, в предлагаемом тепловом МЭМС-акселерометре по сравнению с прототипом одновременно решаются задачи обеспечения возможности измерения ускорения в плоскости перпендикулярной подложке с учетом знака за счет прямого измерения разности температур и повышения чувствительности измерения вдоль осей в плоскости подложки за счет раздельного размещения нагревательного и измерительных элементов на разных подложках.

Для апробации технических характеристик теплового МЭМС-акселерометра была изготовлена опытная партия на пластинах диаметром 150 мм с использованием контактной фотолитографии с минимальными размерами 2 мкм. Проведенные исследования образцов теплового МЭМС-акселерометра подтвердили его высокие технические характеристики в области измерения ускорений в диапазоне до 10 g.

Источники информации:

1. Единый европейский патент №1615038.

2. Патент США №7392703.

3. Патент США №7424826 - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к акселерометрам на тепловом принципе действия. Технический результат – обеспечение возможности измерения ускорения в плоскости, перпендикулярной подложке, с учетом знака и повышение чувствительности измерения вдоль осей в плоскости подложки. Мостовая структура с нагревательным элементом, расположенная на лицевой стороне первой подложки над сквозной полостью, при подключении электрических контактов нагревательного элемента к источнику и пропускании через нагревательный элемент тока создает тепловое облако. Смещение теплового облака во внутренней полости теплового МЭМС-акселерометра при возникновении линейных ускорений детектируется элементами измерения температуры над сквозной полостью на подвесах, которые расположены на второй и третьей подложках. Четвертая подложка с глухой полостью служит для формирования единой внутренней полости МЭМС-акселерометра при сборке подложек термокомпрессионным бондингом. Каждая группа термоэлементов содержит пять или более термоэлементов, один из которых расположен на оси, проходящей через центр симметрии нагревателя перпендикулярно плоскости его размещения, а другие - попарно по двум взаимно перпендикулярным осям симметрично относительно центрального элемента в одной плоскости с ним. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тепловой МЭМС-акселерометр, содержащий плоскую подложку, полость, сформированную в подложке, нагревательный элемент, расположенный по центру полости, и, по меньшей мере, одну или несколько групп элементов измерения температуры, отличающийся тем, что состоит из четырех кремниевых подложек, имеющих лицевую и тыльную стороны, первая из которых содержит сквозную полость, мостовую структуру на лицевой стороне с нагревательным элементом и элементом измерения температуры по центру полости, вторая и третья - сквозную полость, геометрические размеры и форма которой совпадают с размерами и формой полости на первой подложке, и группу элементов измерения температуры, содержащую пять или более термоэлементов, расположенную на подвесах над полостью на лицевой стороне подложек так, чтобы центральный элемент измерения температуры был расположен на оси симметрии полости, перпендикулярной к плоскости подложек, а другие - попарно по двум взаимно перпендикулярным осям симметрично относительно центрального элемента на некотором расстоянии в одной плоскости с ним, а четвертая - глухую полость, открытую с тыльной стороны, геометрические размеры и форма которой совпадают с размерами и формой полости на первой подложке, которые собраны в единую сборку методом низкотемпературного термокомпрессионного бондинга так, что тыльная сторона первой подложки герметично соединяется с лицевой стороной второй подложки, тыльная сторона третьей подложки герметично соединяется с лицевой стороной первой подложки, а тыльная сторона четвертой подложки герметично соединяется с лицевой стороной третьей подложки, причем при бондинге подложки совмещаются так, что образуется единая внутренняя полость, которая заполняется одноатомным газом, предпочтительно ксеноном, а электрические контакты каждой из подложек доступны для внешнего подключения.

2. Тепловой МЭМС-акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве элементов измерения температуры используются термопары из поликристаллического кремния р- и n-типа, «холодный спай» которых расположен на подложке, а «горячий» - в точке измерения температуры.