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 преобразовав ния и частотного диапазона интегрального тензопреобразовате- л я.

На фиг. 1 изображен предлагаемый интегральный тензопреобразователь, представляющий собой кристалл кремния 1, в котором имеется воспринимающая давление профилированная мембрана прямоугольной формы 2, плоскость совпадает с кристаллографической плоскостью (100), а

стороны мембраны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных кристаллографических направлений семейством 110 Тензорезисторы р-типа проводимости размещены на поверхности мембраны.

Тензорезисторы одного знака чувствительности (периферийные Тензорезисторы Rn) расположены на тонких частях в середине длинных сторон мембраны, тензорези- сторы противоположного знака чувствительности (центральные тенэорези- сторыРц)-веецентре, а ориентированы все Тензорезисторы вдоль длинных сторон мембран. Причем структура элемента сложного профиля с неоднородной по толщине мембраной состоит из последовательно располо- женных слоев двуокиси кремния 3

00

ю

XI

ел со ю

рекристаллизованного кремния 4, двуокиси кремния 5, структура тензочувствительных компонентов состоит из двуокиси кремния, перекристаллизованного кремния 6, двуокиси кремния. Внешние металлические 5 выводы к тензочувствительным компонентам представляют из себя металлизированные контактные площадки 7, расположенные внутри канавок массивной части кристалла преобразователя 8.10

На фиг, 2 изображена последовательность операций для изготовления интегральныхмеханоэлектрическихп реобразователей.

Увеличение чувствительности измери- 15 тельного тензопреобразователя дает возможность вместе с ослаблением требований ко вторичной аппаратуре уменьшить величину напряжения питания тензопреобразователя что оказывается важ-20 ным в микромощных измерительных системах, в частности в биомедицинских.

Поскольку тензочувствительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, то возможно изготавливать 25 тонкие части плоской мембраны меньшей толщины. Поскольку чувствительность Sv (a/h) , где а - длина короткой стороны мембраны; h - толщина тонкой части профилированной мембраны, то уменьшение 30 толщины тонкой части упругого элемента связано с увеличением чувствительности. По сравнению с чувствительностью мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на прототипе.чувствитель- 35 ность мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на предлагаемом тензопреобразователе, увеличением в 10,89 раза. Результаты проведенного сравнения относятся к случаю 40. одинаковых геометрических размеров мембраны прототипа и предлагаемого тензопреобразователя

Другим важным обстоятельством, кото- 45 рое связано с увеличением чувствительности, является возможность при сохранении первоначальной чувствительности уменьшить внешние размеры преобразователя, Так как вашего случая возможность увели- 50 чить чувствительность прототипа в 10,89 раза позволявшие изменяя значения чувствительности 5; уменьшить ширину мембраны в 3,3 раза.

55

Поскольку без потери в чувствительности уменьшаются размеры тензопреобразо - вателя, поэтому снижается стоимость кристаллов тензопреобразователей при их производстве.

Формула изобретения

1.Интегральный тензопреобразова- тель, содержащий мембрану с тензочувст- вительными компонентами, внешние металлические выводы, электросвязанные с тензочувствительными компонентами, и охватывающее мембрану основание, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геометрических размеров, увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона, мембрана выполнена переменной толщины с одной плоской и противоположной ступенчатой поверхностями и трехслойной из последовательно расположенных первого слоя двуокиси кремния, слоя кремния и второго слоя двуокиси кремния, тензочувствительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния и размещены внутри утоненных участков мембраны на поверхности второго слоя двуокиси кремния, основание выполнено с канавкой, расположенной со стороны ступенчатой поверхности мембраны, а внешние металлические выводы размещены внутри канавки и выполнены в виде металлизированных контактных площадок.

2.Тензопреобразователь поп. t, о т л и- чающийся тем, что в качестве материала второго слоя мембраны использован пере- кристаллизоеанный кремний.

3.Способ изготовления интегрального тензопреобразователя, заключающийся в том, что выращивают слой термического окисла кремния на каждой стороне кремниевой пластины, формируют мембрану с помощью локального анизотропного травления пластины, изготовляют тензочувствительные компоненты и внешние металлические выводы, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при уменьшении геометрических размеров, увеличения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона преобразователя, после термического окисления кремниевой пластины вскрывают окна в двуокиси кремния в местах, предназначенных для расположения внешних выводов, наносят слой нитрида кремния, формируют два углубления, последовательно наносят первый слой двуокиси кремния, первый слой поликристаллического кремния и второй слой двуокиси кремния, производят перекристаллизацию первого слоя поликристаллического кремния, тензочувствительные компоненты формируют локальным удалением перекристаллизованного кремния, наносят третий слой двуокиси кремния и второй слой поликристаллического кремния, сошлифовывают часть второго

слоя поликристаллического кремния до получения гладкой поверхности, травлением кремния формируют лунки для размещения в них внешних металлических выводов, формирование лунок прекращают при достижении поверхностью каждой лунки слоя нитрида кремния, окисляют поверхности лунок, вскрывают окна под внешние металлические выводы, напыляют на них металлический слой и фотолитографией формируют из напыленного слоя контактные площадки.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после нанесения второго слоя поликристаллического кремния проводят перекристаллизацию этого слоя.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным механоэлект- рическим преобразователям. Сущность: предложен интегральный тензопреобрэзо- ватель механического воздействия. Тензочувствительные компоненты расположены на профилированной (нижней) 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 достигаетсяуменьшение геометрических размеров тензопреобразо- вателя (за счет уменьшения толщины жестких центров), при этом расширяется диапазон линейного преобразования. Тен- зорезисторы расположены внутри тонкой части мембраны и покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния. 2 с.п. и 2 з п ф-лы, 2 ил. Ё

с. J s J f f f f

Фив. 1

L

.s- . s s s s ts s

-

3 i Л| / j

J t } J } J 1 t f f f 1 J t J t J f t J J f /V /

О

И

F

V fif f f/ /- J

j j / г-

«JO

..--/../ . / . «/

/ «тлгв ./ / / / f

f и z

t jf j. J J Sl J J . J J /V У УУ У S J J S } j j f

A - - & . - &

. «TV t ir , -7. . . // . . . /v V; , //

. J. J t

Si

f - . ,f 7

Э-9

j j / г-г

(2 «

X .. Ф. -