ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к технике измерения постоянного или переменного давления газообразных и жидких веществ с помощью тензорезисторных датчиков давления.

Изобретение направлено на увеличение точности и чувствительности преобразователя и повышение технологичности его изготовления.

На фиг.1 изображен преобразователь со сварной мембраной, осевой разрез; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг.3 преобразователь, скрепленный стеклоцементом.

Конструкция мембран и тензорезисторов, их кристаллографическая ориентация, как и ориентация тензорезисторов на мембране, известны поэтому здесь описаны только особенности, вызванные предложенным изобретением, т.е. скреплением мембраны из отдельных деталей. К краю плоской пластинки 1 жестко, прочно и герметично приварена рамка 2, образующая утолщенное периферийное основание мембраны. Рамка 2 выполнена из того же материала, что и пластинка 1, в данном примере как у прототипа, из монокристаллического сапфира. Однако, если пластинка 1 выполнена из кремния (карбида кремния и т.д.), то и рамка 2 выполнена из кремния (карбида кремния и т.д.). Квадратная рамка 2 выполнена с той же кристаллографической ориентацией, что и пластинка 1, в данном примере в плоскости (102), причем диагональ рамки 2 ориентирована в направлении [101] Рамка 2 скреплена с пластиной 1 так, что их эквивалентные направления, в данном примере [101] совмещены. На прогибной части 3 выполнены тензорезисторы 4, соединенные металлизированными площадками 5 в измерительную схему, в данном случае мостовую. Таким образом, рамка 2 с пластинкой 1 скреплены своими эквивалентными плоскостями (свойства которых одинаковы) при совпадении эквивалентных направлений и образуют единую деталь с точки зрения ее механических свойств, поэтому такая сварная мембрана имеет свойства цельной монокристаллической мембраны.

Рамка 2 может быть скреплена с пластинкой 1 прослойкой 6 связующего, например стеклоцемента или клея, образуя слоеную профилированную мембрану (фиг.3). Тонкая прослойка 6 практически не снижает свойства слоеной мембраны по сравнению со сварной, ибо прослойка 6 находится между деталями 1 и 2 с одинаковыми свойствами и в значительной степени воспринимает их свойства, т. к. атомы прослойки 6 находятся под одинаковым влиянием атомов пластинки 1 и рамки 2. Например, иной температурный коэффициент линейного расширения материала прослойки 6 не вызывает термомеханических напряжений в деталях 1 и 2. Площадки 5 служат также для подсоединения к электрической измерительной системе (не показана). Если не использовать анизотропию деталей 1 и 2 для особых случаев, то оптимальной ориентацией для них является изотропная плоскость, например (0001) для сапфира, что исключает необходимость ориентации в этой плоскости, а следовательно, и погрешности преобразователя, вызванные погрешностями ориентации. На плоскости (0001) сапфира тензорезисторы могут быть сформированы только в плоскости (111), которая также изотропна, следовательно, возможно дополнительное уменьшение погрешности преобразователя. Рамка 2 может иметь различную форму, например, круглую, прямоугольную и т. д. и располагаться на любой стороне пластинки 1. На пластинке 1 может быть несколько рамок 2, как на одной, так и на обеих ее сторонах, а также жесткий центр или "островки" на прогибной части.

Способы изготовления иллюстрируются следующими примерами.

Изготовление по п.2 формулы изобретения.

Операции изготовления мембран и тензорезисторов, диффузионной сваpки в вакуум, скрепления монокристаллических деталей связующими материалами, например стеклоцементом, известны, поэтому здесь описаны только особенности, вызванные соединением мембраны из отдельных деталей.

Кристаллографически ориентированной резкой монокисталлического слитка сапфира, например, по плоскости (102) получают заготовку первого элемента в виде пластины, из которой будут выполнены элементы 1, ее плоскости шлифуют и полируют. Из того же (или такого же) слитка так же получают заготовки второго элемента в виде пластины, толщиной, равной толщине рамки 2 (с припуском на обработку), вырезают в ней группу окон заданного размера на заданном расстоянии друг от друга и кристаллографически ориентированных, например, диагональю квадратного окна в направлении [101] т.е. изготавливают многооконный второй элемент. Окно является внутренним размером рамки 2. Механическая обработка по плоскости, в т.ч. прорезание окон, являются простыми операциями, что существенно повышает технологичность изготовления преобразователя, причем все размеры пластинки 1 и рамки 2 получаются с наивысшей точностью, поэтому толщина и форма прогибной части 3 получаются с очень небольшими допусками.

Особенно выгоден этот способ при труднообрабатываемых монокристаллах (сапфира, карбида кремния и т.д.) однако и при других материалах он перспективен, ибо позволяет получить более точную форму прогибной части 3, чем, например, анизотропным травлением кремния.

Вторую пластину совмещают с первой при совпадении их эквивалентных направлений и скрепляют их, например сваривают, т.е. изготавливают сварную пластину, после чего на плоской стороне сварной пластины наращивают эпитаксиальный слой кремния. Из этого слоя травлением групповым методом формируют тензорезисторы 4 и соединяют их напылением металлизированных площадок 5 в измерительные схемы. Затем сварную пластину разделяют на отдельные преобразователи известными способами, например с помощью механической или лазерной резки. Разделение облегчается, если на месте границ между будущими преобразователями в первой и второй пластинах были сделаны незамкнутые прорези или канавки (в т. ч. замкнутые). В этом случае разделение может быть выполнено размыванием, ибо деформацией при размалывании не передадутся на прогибные части и не выведут их из строя, так как они защищены жесткими рамками 2.

Этим способом можно изготавливать профилированные мембраны других форм, например, с жестким центром, с жесткими "островками" и т.д.

Изготовление упрощается, если заготовки 1-й и 2-й пластины вырезают в изотропной плоскости (в плоскости (0001) для сапфира); в этом случае отпадают все последующие операции кристаллографической ориентации, даже для тензорезисторов 4, ибо эпитаксиальный слой кремния наращивается только в плоскости (111),т.е. в изотропной плоскости.

Изготовление преобразователя по п.3 формулы изобретения.

Первую пластину изготавливают описанными операциями. Рамки 2 изготавливают путем поперечной резки трубки, выращенной по методу Степанова из того же материала, что первая пластина, по плоскостям, эквивалентным плоскости первой пластины. Форма поперечного сечения трубки должна соответствовать форме рамки 2 с учетом того, что резка трубки не обязательно должна быть перпендикулярной оси трубки, резка обязательна по эквивалентной плоскости, т.е. она может быть под углом к оси трубки. Внутренним поверхностям рамки 2 может быть придана расчетная форма и размеры. Рамки помещают в гнезда плиты, накладывают на 1-ю пластину и скрепляют их с 1-й пластиной. Затем производят те же операции, что и в способе по п.2. По этому способу можно изготавливать отдельную профилированную мембрану, скрепляя одну пластину 1 с одной рамкой 2.

Изготовление по п. 4 формулы изобретения.

Наилучшее качество преобразователя получается при соединении 1-й и 2-й пластин или 1 пластины с рамками 2 диффузионной сваркой в вакууме, для чего их помещают в вакуумную камеру соответствующей установки, сжимают до контактного давления (1-2) кгс/мм² и нагревают до приблизительно 0,7 от абсолютной температуры плавления, т.е. до 1600 К. Остальные операции такие же, как описано выше. При этом способе сварные мембраны имеют точные размеры, что повышает точность преобразователя.

Диффузионную сварку в вакууме можно выполнить с помощью легкоплавких прослоек 6 между 1-й и 2-й пластинами, например, если на скрепляемых поверхностях этих пластин нарастить эпитаксиальные слои кремния. Поскольку сварку ведут при температуре, составляющей 0,7 от температуры плавления свариваемых материалов, а температура плавления кремния 1690 К, поэтому сваривать можно при 1180 К, а не при 1600 К (при сваривании сапфира с сапфиром), что позволяет снизить расход энергии. Кроме того, можно сначала изготовить тензорезисторы 4 с площадками 5 из металла с температурой плавления между 1200 и 1600 К (или сначала без площадок 5), а потом приварить 2-ю пластину к 1-й пластине с любой стороны, ибо при 1180 К слой кремния не будет плавиться.

Более просто изготовление слоеных преобразователей (фиг. 3). Для этого сначала формируют на первой пластине тензорезисторы и соединяют их в измерительную схему, а затем скрепляют с ней с помощью связующего, например стеклоцементом или клеем, вторую пластину с окнами или отдельные рамки при совмещении эквивалентных направлений. При этом скрепление должно происходить при температуре ниже температуры соединения тензорезисторов в схему, чтобы не вывести ее из строя. Количество матеpиала для прослойки 6 должно быть минимальным, чтобы он не попал на край прогибной части 3, а удерживался бы силами смачивания между пластинкой 1 и рамкой 2.

По этому способу возможно крепление рамки 2 на любой стороне пластинки 1 на стороне со схемой или на противоположной. Такая технология перспективна и для изготовления других профилированных деталей из труднообрабатываемых материалов, например для изготовления упругочувствительных элементов различных датчиков.

Работа преобразователя.

Преобразователь может быть установлен в стенке камеры, герметично закрыв в ней отверстие своим утолщенным основанием, тогда с его помощью можно измерять разность давлений по обе стороны этой стенки. Преобразователь может быть установлен в корпусе датчика давления, например, как в прототипе. В обоих типах конструкций он может быть присоединен любой стороной, как непосредственно рамкой 2, так и краем пластинки 1. Оптимальной схемой крепления преобразователя является такая, при которой мембрана во время работы давлением прижата к месту ее крепления, а следовательно, прослойка 6 работает на сжатие.

Работа преобразователя давления известна, поэтому здесь описаны только ее особенности, вызванные отличительными признаками. Благодаря точным размерам прогибной части 3 ее толщина постоянна, тензорезисторы 4 расположены в расчетном положении относительно внутреннего контура рамки 2, поэтому они работают в расчетных режимах, что и обеспечивает точность. Также благодаря равной толщине прогибной части она может изготавливаться меньшей толщины без риска образования в ней отверстий или прорыва измеряемым давлением, что повышает чувствительность преобразователя. Кроме того, ступенчатое изменение толщины мембраны по внутреннему контуру рамки 2 обеспечивает увеличение деформаций по краю прогибной части 3, где размещены тензорезисторы 4, что также увеличивает чувствительность.

Простота технологии, вызывающая повышение точности и чувствительности преобразователя, ставит его в ряд наиболее перспективных датчиков давления.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидкостей и газов. Цель изобретения увеличение точности и чувствительности преобразователя и повышение технологичности его изготовления. Сущность изобретения: профилированная мембрана преобразователя образована плоской пластинкой 1 и рамкой 2, выполненными из одинакового монокристаллического материала, при совпадении их эквивалентных кристаллографических направлений. Пластинка 1 и рамка 2 могут быть скреплены различными способами: диффузионной сваркой в вакууме как непосредственно, так и через более легкоплавкую прослойку, а также тонким слоем связующего, например стеклоцементом, клеем и т.д. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Интегральный полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, на которой выполнены тензорезисторы, соединенные металлизированными площадками в измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и чувствительности, в нем утолщенное периферийное основание мембраны образовано введенной в преобразователь рамкой, выполненной из материала и с кристаллографической ориентацией, идентичными материалу и ориентации мембраны и закрепленной по периферии мембраны, причем эквивалентные кристаллографические направления рамки и мембраны совмещены. 2. Способ изготовления интегрального полупроводникового преобразователя давления, включающий изготовление первого элемента в виде пластины путем разрезания монокристаллического слитка, механическую обработку путем шлифования и полирования поверхностей пластины, формирование на поверхности пластины тензорезисторов, соединение их металлизированными площадками в измерительную схему и формирование отдельных мембранных модулей, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, из монокристалла изготавливают многооконный второй элемент, подвергают его аналогичной механической обработке, совмещают первый и второй элементы по эквивалентным направлениям и жестко соединяют их полированными поверхностями, после чего формируют тензорезисторы над окнами второго элемента. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при изготовлении многооконного второго элемента изготавливают монокристаллическую трубку и разрезают ее на рамки по кристаллографическим плоскостям, эквивалентным кристаллографической плоскости первого элемента. 4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что соединение первого и второго элементов осуществляют при помощи диффузионной сварки в вакууме.