Тензометрический преобразователь давления и способ его изготовления Советский патент 1990 года по МПК G01L9/16 

Ф(г.1

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления.

Цель изобретения - уменьшение габаритов преобразователя и упрощение технологии его изготовления.

На фиг. 1-7 изображен тензометриче- скмй преобразователь давления.

Тензометрический датчик (фиг. 1)содер- жит мембрану 1 из кремния с, мембранной областью 2. На пленарной стороне мембраны сформированы тензорезисторы 3 и коммутационные участки 4 на поверхности со стороны тензорезисторов, а также на боковой цилиндрической поверхности 5 и на поверхности непланарной стороны мембраны. Коммутационные участки соединяют тензорезисторы с металлизированными площадками 6, к которым присоединены внешние выводы 7. Корпус 8 преобразователя с отверстием 9 над мембраной соединен с мембраной со стороны тензорезисторов по области 10.

Преобразователь работает следующим образом.

Измеряемое давление, попадая в мембранную область, деформирует тензорезисторы и увеличивает выходное напряжение мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы.

Наружный диаметр преобразователя определяется диаметрам мембраны, т.е. отсутствует необходимость увеличения диаметра мембраны для размещения со стороны тензорезисторов контактных площадок .при постоянной, необходимой для обеспечения прочности и герметичности со- единения, площади стыковочной области 10.

На фиг. 2 изображена исходная пластина кремния, на которой травлением сформированы мембраны 11 и сквозные отверстия 12 для соединения коммутационных участков с обеих сторон мембраны; на фиг. 3 - пластина после создания окон в окисле под коммутационные участки на пленарной 13 и непланарной 14 поверхностях мембраны; на фиг. 4 - пластина после диффузии бора в коммутационные участки с обеих сторон кристалла 15 и 16 и в боковые стенки сквозных отверстий 17; на фиг. 5 - кристалл со сформированными тензорезисторами 18 и контактными площадками 19, созданными на непланарной поверхности по периферии кристалла через окна в окисле 20.

Планарная и непланарная стороны мембраны преобразователя (фиг. 6 и 7) содержат тензорезисторы 21, коммутацион-.

ные участки 22, мембрану 23 и контактные площадки 24. Мембрана сформирована из кремния с ориентацией 100, тензорезисторы ориентированы вдоль направления 011, 5 а линия выхода коммутационных участков на торец кристалла находится под углом 45° к направлению 011, что обеспечивает при анизотропном травлении кремния перпендикулярность торцовых коммутационных

0 участков плоскости кристалла.

Сущность способа изготовления преобразователя заключается в следующем.

На кремниевой пластине анизотропным травлением в растворе КОН при т 98 С

5 формируют профили кристаллов и сквозные отверстия вне кристаллов 25. Маска под сквозные отверстия 26 располагается под углом 45°С к направлению 011 и на расстоянии, рассчитанном с учетом бокового трав0 ления кремния d и обеспечения пересечения поверхности кристалла с гранью отверстия на хорде I, соответствующей ширине коммутационных участков. Методами двусторонней фотолитографии в окисле крем5 ния на планарной и непланарной сторонах мембраны создают окна под коммутационные участки, в которые проводят диффузию бора при 1050-1150°С в течение 60-120 мин до получения легированного р-слоя с вели0 чиной удельного поверхностного сопротивления (RS) 4-10 Ом/и . Формируют окна в окисле под тензорезисторы, в которые также проводят диффузию бора при 950- 1050°С в течение 30-60 мин до получения

5 р-слоя с RS 80-100 Ом/а. На непланарной стороне мембраны вскрывают окна для контакта с металлизацией, напылением и фотолитографией создают алюминиевые контактные площадки. Разделяют пластину на

0 отдельные кристаллы электрозрозионным способом по окружности 27. Корпус из стекла методом анодной сварки при t 450°С и напряжении 1,0 кВ присоединяют к кристаллу со стороны тензосхемы, а в качестве

5 внешних выводов используют гибкую контактную пластину на основе полиимидной пленки с алюминиевыми пленочными проводниками, присоединяемую к жестким внешним выводам, закрепленным на корпу0 се.

Преимуществами преобразователя и способа его изготовления являются возможность создания микроминиатюрных преобразователей давления диаметром до 2 мм за

5 счет уменьшения площади мембраны, упрощение процесса сборки преобразователя и присоединения внешних выводов за счет - исключения пайки выводов в труднодоступных областях, а также повышение метрологических характеристик преобразователя

(чувствительности и точности измерений) за счет улучшения центрирования при сборке преобразователя кристалла и корпуса, имеющих одинаковые габаритные размеры.

Формула изобретения 1. Тензометрический преобразователь давления, содержащий корпус с осевым отверстием и наружной боковой цилиндрической поверхностью, кремниевую п-типа проводимости мембрану с утоненной центральной частью и периферийной частью, по которой мембрана своей планарной стороной закреплена соосно с корпусом, причем на планарной стороне мембраны на ее центральной утоненной части над осевым отверстием корпуса сформированы четыре тензорезистора р-типа проводимости, которые проводящими участками р-типа проводимости соединены соответственно с четырьмя контактными металлизированными площадками и между собой, при этом контактные металлизированные площадки соединены проводниками с внешними выводами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, в нем контактные металлизированные площадки выполнены на непланарной периферийной части мембраны, на этой же части мембраны выполнены проводящие участки р-типа проводимости и соединены с контактными металлизированными площадками, при этом на боковой цилиндрической поверхности мембраны выполнены четыре грани, на каждой из которых сформированы проводящие участки р-типа проводимости, которые соединены с соответствующими проводящими участками р-типа проводимости на планарной и непланарной сторонах мембраны, причем на боковой цилиндрической поверхности корпуса закреплены внешние выводы, а проводники выполнены пружинными в виде полиамидной пленки, на которую нанесено алюминиевое пленочное покрытие, при зтом диаметры наружной боковой цилиндрической поверхности мембраны и корпуса равны,

2, Способ изготовления тензометриче- ского преобразователя давления, включаю- щий формирование методом травления профилированных мембран на пластине кремния п-типа проводимости, формирование на планарной стороне мембран в поверхностном слое окисла окон под тензорези- 0 стором и проводящие участки методом фотолитографии, формирование в окнах тензо- резисторов и проводящих участков р-типа проводимости методом диффузии бора, формирование методом напыления метал- 5 лизированных площадок, разрезание пластины на отдельные мембраны и соединение корпуса с планарной стороной мембраны, причем металлизированные площадки соединяют гибкими проводниками с внеш- 0 ними выводами корпуса, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения габаритов и упрощения изготовления, перед формированием тензорезисторов и проводящих участков в пластине на конце каждого окна под 5 проводящие участки выполг.яют сквозное отверстие прямоугольного сечения, одна из строн которого расположена по хорде диаметра мембраны, а длина хорды равна ширине окна под проводящий участок, затем 0 одновременно при формировании окон под проводящие участки на планарной стороне мембраны выполняют окна под проводящие участки на непланарной стороне мембраны и одновременно при формировании подво- 5 дящих участков на планарной стороне формируют проводящие участки р-типа проводимости на непланарной стороне мембргмы и на стенках прямоугольных отверстий, после чего формирование металлизированных 40 площадок производят на проводящих участках непланарной стороны мембраны, а разрезание пластины на отдельные мембраны производят с вскрытием сквозных отверстий в местах пересечения хорды с диамет- 45 ром мембраны.

If

,1 Й/е.г

ятеа.

20.

.5

Фиг. 7

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при разработке и изготовлении миниатюрных преобразователей давления в электрический сигнал. Преимущественно преобразователя обеспечивается тем, что в нем полупроводниковая мембрана 1 соединена с корпусом 8 своей планарной стороной, а металлизированные площадки 6 для соединения с внешними выводами выполняют на непланарной стороне. Для соединения тензорезисторов 3, выполненных на планарной стороне мембраны, с металлизированными площадками 6 выполняют проводящие участки P-типа проводимости с планарной и непланарной стороны мембраны, а также по боковой цилиндрической поверхности мембраны, для чего выполняют сквозные прямоугольные отверстия и затем их вскрывают. 2 с.п. ф-лы, 7 ил.