Интегральный тензопреобразователь и способ его изготовления Советский патент 1993 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным тензопреобразователям.

Целью изобретения является увеличение чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров, увеличение диапазона линейного преобразования и частотного диапазона интегрального тензопреобразователя.

На фиг. 1 изображен предлагаемый интегральный тензопреобразователь.

Интегральный тензопреобразователь представляет собой кристалл кремния 1, в котором имеется воспринимающая давление профилированная мембрана прямоугольной формы 2 Плоскость мембраны совпадает с кристаллографической плоскостью (100), а стороны мембраны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных кристаллографических направлений семейства 110. Тензорезисторы р-типа проводимости размещены на поверхности мембраны:текзо- резисторы одного знака чувствительности (периферийные тензорезисторы Rn) расположены на тонких частях в середине длинных сторон мембраны, тензорезисторы противоположного знака чувствительности (центральные тензорезисторы Рц) - в ее центре, а ориентированы все тензорезисторы вдоль длинных сторон мембраны. Причем структура упругого элемента сложного профиля с неоднородной по толщине мембранной состоит из последовательно расположенных слоев двуокиси кремния 3, рекристаллизо00

to VJ ел

W

ванного кремния 4, двуокиси кремния 5, структура тензочувствительных компонентов состоит из двуокиси кремния, перекри- стэллизованного кремния 6, двуокиси кремния.

Внешние металлические выводы к тен- зочувствительным компонентам представляют собой металлизированные контактные площадки 7, расположенные внутри канавою массивной части кристалла преобразователя 8.

На фиг. 2 изображена также последовательность операций для изготовления интегральных механоэлектрических Преобразователей.

Увеличение чувствительности измерительного тензопреобразователя дает возможность вместе с ослаблением требований по вторичной аппаратуре уменьщитывеличи- ну напряжения питания тензопреобразовате- ля. что оказывается важным в микромоющих измерительных системах, в частности в биомедицинских. Расположение тензочувстви- тельных компонентов на пленарной стороне профилированной мембраны позволяет изготавливать тонкие части неплоской мембраны меньшей толщины. Поскольку чувствительность S (а/л) ,где а длина короткой стороны мембраны; h - толщина тонкой части профилированной мембраны, то уменьшение толщины тонкой части упругого элемента связано с увеличением чувствительности. По сравнению с чувствительностью мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на прототипе, чувствительность мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на предлагаемом тензопреобразователе, увеличивается в 10.89 раза. Результаты проведенного сравнения относятся к случаю одинаковых геометрических размеров мембраны прототипа и предлагаемого тензоп- реобраэователя.

Другим важным обстоятельством, которое связано с увеличением чувствительности, является возможность при сохранении первоначальной чувствительности уменьшить внешние размеры преобразователя. Так для нашего случая возможность увеличить чувствительность прототипа в 10,89 раза позволяет; не изменяя значения чувствительности уменьшить ширину мембраны в 3,3 раза. Поскольку без потери в чувствительности уменьшаются размеры тензопреобразователя, поэтому снижается стоимость кристаллов тензопреобразовате- лей при их производстве.

Формула изобретения

1. Интегральный тензопреобразова- тель, содержащий мембрану с тензочувствительными компонентами, внешние металлические выводы, электросвязанные с тен- зочувствительными компонентами, и охватывающее мембрану основанием т л и чающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геометрических размеров, увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона,мембрана выполнена переменной

0 толщины с одной плоской и противоположной ступенчатой поверхностями и трехслойной из последовательно расположенных первого слоя двуокиси кремния, слоя кремния и второго слоя двуокиси кремния, тен5 зочуветвительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, размещены на плоской поверхности соответствующих утоненных участках мембраны, основание выполнено с канавкой, располо0 женной со стороны ступенчатой поверхности мембран, а внешние металлические выводы размещены внутри канавки и выполнены в виде металлизированных контактных площадок.

5 2. Тензопреобразователь поп. отличающийся тем, что в качестве материала второго слоя мембраны использован поликристаллический кремний.

3. Способ изготовления интегрального

0 тензопреобразоватеяя, заключающийся в том, что выращивают слой термического окисла кремния на каждой стороне кремниевой пластины, формируют мембрану с помощью локального анизотропного

5 травления пластины, формируют тензочув- ствительные компоненты и внешние металлические выводы, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геометрических размеров,

0 увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона преобразователя, после термического окисления кремниевой пластины вскрывают окна в двуокиси кремния в местах, предназначен5 ных для расположения внешних выводов и тензорезисторов, на пластину наносят первый слой поликристаллического кремния, наносят первый слой двуокиси кремния, фотолитографией вскрывают окна в первом

0 слое двуокиси кремния в местах, предназначенных для расположения внешних выводов, последовательно наносят слой нитрида кремния, второй слой поликристаллического кремния, второй слой двуокиси кремния,

5 производят перекристаллизацию слоя поликристаллического кремния и двухсторон- нюю фотолитографию пластины, формируют тензочувствительные компоненты локальным удалением перекристаллизованного кремния, наносят третий слой

двуокиси кремния, производят фотолитографию на обратной месту формирования тенэочувствительных компонентов стороне пластины в местах, предназначенных для размещения внешних выводов, производят травление двуокиси кремния и формируют лунки для размещения в них внешних металлических выводов, формирование лунок прекращают при достижении поверхностью каждой лунки слоя нитрида кремния, окисляют поверхности лунок, а формирование металлических выводов осуществляют напылением на лунки металлического слоя и фотолитографией из напыленного слоя кон- тактных площадок.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после нанесения первого слоя поликристаллического кремния проводят пе- рекристаллизацию этого слоя.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным механоэлект- рическим преобразователям. Сущность: предложен интегральный тензопреобразователь механического воздействия. Тенэо- чувствительные компоненты расположены на пленарной (верхней) стороне упругого элемента, металлизированные контактные площадки расположены внутри канавок массивной части кристалла преобразователя, обрамляющей упругий элемент преобразователя, причем толщина жестких центров существенно меньше толщины исходной кремниевой пластины. Таким образом достигается уменьшение геометрических размеров тензопреобразователя. при этом расширяется диапазон линейного преобразования. Поскольку тензорезисторы расположены не внутри тонкой части мембраны, поэтому снимаются ограничения на уменьшение толщины тонкой части упругого элемента. 2 с.п. и 2 з.п, ф-лы. 2 ил. Ё

пл

Фиг.1

v

Tjf r.

f -r .-. -r - .f- f Г f JT .. - f f f f f J --Л- f f .

. Г I .. u . . . . .... . .. . . ЗЪЗ Ъ

.Lt;,T.m f,7.f: Т...Д.

p,

vfL .

Lf- J ,lL

.-;.-/

Л

Фиг. 2