ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК
Изобретение относится к микроэлектронике и касается конструкции высокотемпературных полупроводниковых микромеханических датчиков. Наиболее эффективно его использование при изготовлении датчиков давления и температуры, предназначенных для установки на двигателях внутреннего сгорания.
Известен полупроводниковый датчик (ППД), содержащий подложку, изготовленную из материала, способного к селективному травлению, с размещенным на ней полупроводниковым кристаллом (ППК), служащим чувствительным элементом. ППК снабжен тонкими проволочными соединениями, связывающими его с выходными контактами, причем ППК и проволочные выводы сформованы как единое целое (патент Японии 4-47977, H01L 23/12, 21/56, 23/50, 1992; патент РФ f 2б12411б, H01L 23/28, 1994). Для работы при высоких температурах проволочные соединения могут быть выполнены из золота, меди, никеля и других тугоплавких материалов, (а. с. СССР f 1802652, H01L 21/50, 1996; патент США f 5045639. H01L 23/02, 1991).
Поскольку в ППД могут использоваться проволочные соединения
толщиной не более 100 мкм, они не выдерживают длительных вибраций и разрушаются по месту разварки при температурах , близких к точке
эвтектики. Кроме того, проволочные соединения в ППД не выдерживают работы в турбулентных средах из-за механического воздействия на них пульсирующего входного потока и выбрасываемых микрочастиц. Таким образом, узким местом ППД при работе в области высоких температур и вибрация является проволочное соединение.
Для изъятия из конструкции ППД проволочного соединения в подложке выполняют металлические дорожки, обеспечивающие электрическое подключение к чувствительному элементу и отвод тепла от
М. кл. H01L 29/06, 29/12, 29/44, 29/84
//ГЗГ
- 2
него. Такой ППД вместо проволочного соединения содержит тонкую керамическую пластинку с отверстиями диаметром от 3 до 5 мкм, заполненными металлом, выбранным из группы, содержащей медь, серебро, золото и их сплавы (патент США N 5340947, Н05К 1/0С, 1993).
Однако данный аналог нетехнологичен из-за необходимости изготовления длинных тонких отверстий и их заполнения металлом на всю длину. Кроме того, температурные коэф } ициенты расширения (ТКР) данных металлов несоизмеримо велики по сравнению с ТКР керамической подложки, что при достаточно высоких температурах неизбежно приводит к растрескиванию подложки, вследствие чего происходит разрыв электрической цепи.
Другой путь заключается в Формировании температурной развязки между приемником измеряемого параметра и электрическими элементами чувствительного узла. С этой целью, а также для предотвращения попадания в конструкцию микрочастиц при измерении давления полупроводниковым датчиком в нем формируют чувствительный узел с двумя мембранами, связанными между собой с помощью длинного штока. Первая мембрана воспринимает давление и передает его через шток второй мембране, находящейся в зоне пониженной температуры. Вторая мембрана воздействует на электротензометрические элементы чувствительного узла (см. , например: Техническое описание и инструкция по эксплуатации № 408854.028ТО Тензопреобразователь Д16. Завод приборов, г. Орел).
Однако такая конструкция не является универсальной, поскольку она применима только для измерения с помощью датчика мембранного типа. При этом механические передающие элементы вносят дополнительную погрешность и инерционность, что неприемлемо при высокоскоростных измерениях (например, при определении пиковых значений). Кроме того, механические передающие устройства изготавливают из дорогостоящих материалов (титана, легированной стали и т.д.) требуют ВЫСОКОТОЧНОЙ механической обработки, увеличивают габарит и вес датчика, что приводит к его удорожанию.
Наиболее близким к заявляемому является ППД, включающий корпус, в котором с помощью герметизирующего изолятора закреплены выходные контакты и связанный с ними чувствительный узел, представляющий собой диффузионный резистор, сформированный в кремнийсодержащей пленке, эпитаксиально выращенной на электроизоляционной подложке из сапфира. В ППД, предназначенном для измерения избыточного давления, избирательным травлением части электроизоляционной подложки, соответствующей чувствительному элементу, сформирована мембранная структура (патент Японии 5-10830, H01L 29/84, 1993).
Однако прототипный датчик обладает сложной конструкцией и НИЗКОЙ надежностью работы в условиях вибрации и высокой температуры.
Техническая задача предлагаемого изобретения - упрощение конструкции и обеспечение возможности работы датчика при вибрации и ВЫСОКОЙ температуре.
Решение указанной технической задачи предусматривает выполнение конструкции датчика монолитной из элементов, выдерживающих высокую температуру и вибрацию, и вынесение электрических контактов в зону пониженных температур. Оно заключается в том, что в ППД, включающий корпус, чувствительный узел, выполненный в кремнийсодержащей пленке, эпитаксиально выращенной на электроизоляционной подложке, которая закреплена в корпусе с помощью герметизирующего изолятора, и выходные контакты, связанные с чувствитель5///Г-3
- 3 ным узлом, внесены следующие изменения:
1)подложка выполнена в ФОрме длинной пластины;
2)чувствительный элемент расположен на конце пластины, противоположном выходным контактам (этим самым узкое место конструкции - область разварки вынесено из зоны высоких температур, что стало возможным за счет изменении по п-п 1 и 3);
3)подложка имеет длину, обеспечивающую нахождение выходных контактов в температурной зоне, не разрушающей места их подключения к шине;
4)чувствительный элемент образован избирательным травлением кремнийсодержащеи пленки (диффузионное выполнение данного элемента, как это имеет место в прототипе, неприемлемо из-за его разрушения уже при температуре 125 );
5)вдоль подложки фотолитографически сформированы проводники с образованием термостойкой шины, связывающей выходные контакты с чувствительным узлом (этим самым полностью исключены быстро разрушавшиеся проволочные соединения).
Особенностью данного датчика, непосредственно направленной на решение поставленной технической задачи, является монолитность конструкции: все основные части ППД (несущая конструкция, чувствительный узел, термостойкая шина, выходные контакты) выполнены в подложке в одностадийном технологическом цикле. При таком исполнении исключены навесные микропроволочные соединения (шина сформирована фотолитографически в подложке) и какие-либо посадочные элементы. Этим достигается повышение прочности конструкции, что важно для повышения надежности и стабильности измерений в условиях вибрации и в случае попадания в датчик микрочастиц.
- 4 подбора материалов элементов по совместимости ТКР. Достигнутый за счет монолитности конструкции результат усиливается вынесением выходных контактов в зону подложки с пониженной температурой. Конкретное значение температуры в этой зоне должно гарантировать неразрушение электрического соединения выходных контактов с шиной. Оно обеспечивается габаритами корпуса и, прежде всего, длиной подложки (чем выше температура в рабочей зоне, тем длиннее должна быть подложка и, соответственно, корпус датчика). Эффект виброустоичивости является производным от достигнутой термоустоичивости, поскольку существенно ослаблены внутренние механические напряжения, усиливавшиеся в прототипе под действием высокой температуры.
Основные части ППД могут быть выполнены полностью в одностадийном процессе интегральной технологии изготовления полупроводниковых микросхем.
При необходимости формирования чувствительного узла с подвижными элементами (например, для измерения давления, ускорения и др.) соответствующая ему часть электроизоляционной подложки удалена избирательным травлением и закрыта крышкой, выполненной из материала, ТКР которого близок к ТКР подложки. В частности, подложка и крышка могут быть выполнены из одного и того же материала, что наиболее предпочтительно.
В ППД, предназначенном для измерения давления, подвижный элемент выполнен в виде мембраны, а электрическая схема чувствительного узла может представлять собой эпитаксиальный тензометрический мост. При этом в варианте ППД, предназначенном для измерения дифференциального или избыточного давления, подложка имеет канал, связывающий подмембранную область с зоной сравниваемого
.
- 5 давления.
Предлагаемая конструкция обеспечивает возможность нормирования необходимых интегральных микросхем непосредственно в межэлектродном пространстве, поскольку оно представляет собой свободные участки эпитаксиального слоя, являющегося, как общеизвестно, исходной технологической базой микроэлектронных схем.
На ФИГ. 1 приведена схема высокотемпературного ППД.
На ФИГ. 2 дана схема расположения слоев на подложке по месту шины.
На фиг. 3 приведена схема мембранного чувствительного узла высокотемпературного ППД давления.
ППД выполнен на электроизоляционной подложке 1 из температуроустоичивого материала (сапфира, кремния с оксидным или нитридным поверхностным слоем и т.п.), имеющей ФОРМУ длинной пластины. На конце подложки, обращенном в рабочую зону, сформирован чувствительный узел 2. ПРОТИВОПОЛОЖНЫЙ конец подложки 1, находящийся в зоне низких температур, закреплен в жаропрочном корпусе 3 с помощью термоустойчивого герметизирующего изолятора 4 на основе стекла. На том же конце подложки 1 расположены выходные контакты 5, которые залиты вместе с концом подложки герметизирующим изолятором 4, образуя, таким образом, разъем для присоединения внешних электрических цепей. Свободное от герметизирующего изолятора 4 пространство внутри корпуса 3 образует измерительную камеру 6.
На переднем торце корпуса 3 выполнены отверстия 7 для подвода входного сигнала.
Поскольку основным назначением предлагаемого ППД является определение давления и температуры внутри цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпус 3 датчика на Фиг. 1 изображен для
6 определенности в виде свечи, заворачиваемой по месту измерения. Такой вариант конструкции позволяет монтировать ППД непосредственно в свече зажигания.
Концы выходных контактов 5, находящиеся внутри корпуса 3, расположены в коллекторной зоне 8 низкотемпературного участка подложки 1.
В варианте выполнения подложки 1 из кремния (фиг. 2 и 3) для обеспечения электроизоляционных свойств ее поверхность окислена. Полученный таким образом оксидный слой (SiOs) условно вынесен в поз. 9. Данный вариант является наиболее технологичным. При изготовлении подложки 1 из сапфира формирования слоя 9, очевидно, не требуется, однако такая подложка значительно дороже кремниевой.
На рабочей поверхности подложки 1 (в варианте фиг. 2 или 3 на ее оксидном слое 9) эпитаксиально выращена пленка 10 из кремния или его карбида. Электрическая схема чувствительного узла 2 сформирована избирательным травлением кремнийсодержащей пленки 10.
Вдоль подложки фотолитографически нанесены никелевые проводники 11 с образованием термостойкой шины, связывающей выходные контакты 5 с чувствительным узлом 2. Проводники 11 нанесены с помощью магнетронного напыления без образования электрического контакта с кремнийсодержащей пленкой 10. Для этого в пленке 10 вытравливают каналы или на ней дополнительно Формируют электроизоляционный СЛОЙ. В коллекторной зоне 8 к проводникам 11 приварены выходные штыревые контакты 5.
В варианте чувствительного узла с подвижными микромеханическими элементами соответствующая ему часть электроизоляционной подложки 1 удалена избирательным травлением с образованием микрообъема 12. На Фиг. 3 таким образом сформирован мембранный датчик
./У/ГЗ 5-1
- 7 давления. Здесь чувствительной мембраной 13 является тонкий участок подложки 1, расположенный над микрообъемом 12, образующим подмембранное пространство. Микрообъем 12 закрыт крышкой 14, выполненной из того же материала, что и подложка 1, или из материала, ТКР которого близок к ТКР подложки.
В высокотемпературном мембранном ППД, предназначенном для измерения давления, электрическая схема чувствительного узла 2 представляет собой эпитаксиальныи тензометрическия мост.
Для измерения дифференциального или избыточного давления в подложке 1 образовеич канал 15, связывающий микрообъем 12 подмембранного пространства с зоной сравниваемого давления. Канал 15 получен избирательным травлением желоба в подложке 1 с последующим закрытием его крышкой 14.
В измерительную камеру 6 ППД поступает входной сигнал по месту установки датчика. Этот сигнал воспринимается чувствительным узлом 2, преобразуется им в электрическую ФОРМУ и передается по соответствующим проводникам 11 сформированной шины через выходные контакты 5 во внешнюю измерительную цепь.
В табл. 1 приведены результаты стендовых испытании различных вариантов предлагаемого ППД при температурах от 600 до 900  и вибрации 2,5 кГц. Стендовым испытаниям, систематизированным в таблице, подвергнуты датчики со следующими характеристиками: длина подложки - 45 ММ; длина датчика - 60 мм; материал корпуса нержавеющая сталь 1Х18Н9Т. Условия теплопередачи на стенде обеспечивают для данной конструкции ППД при вышеуказанной рабочей температуре внутри контролируемого объема нагревание коллекторной зоны 8 подложки 1 не более, чем до 200 €. Контрольные измерения температуры концов подложки 1 ППД при стендовых испытаниях произ l//r55;t
о
водят с помощью платинородии-платиновои термопары.
В первой колонка табл. 1 даны следующие обозначения измеряемых параметров, определяющих назначение соответствующих ППД:
Т - температура, измеряемая ППД температуры, чувствительный узел которого С1 ормирован в виде терморезистора;
ф - угловое отклонение, измеряемое ППД, служащим в качестве микрогироскопа, чувствительный узел 2 которого сформирован в виде тензометрического моста, под которым в электроизоляционной подложке 1 вытравлена канавка для обеспечения возможности изгиба тензочувствительнои схемы под действием инерционных сил, возникающих при отклонении от гирооси (здесь крышка 14 прикреплена только к подвижному элементу для настройки чувствительности ППД);
Ра - абсолютное давление (в пределах от 0 до 160 кГ/см ) , измеряемое ППД давления с тензочувствительным узлом мембранного типа по п. 4 ормулы изобретения;
Ри - дифференциальное (избыточное) давление (в тех же пределах) , измеряемое ППД мембранного типа, в подложке 1 которого выполнен канал 15, связывающий подмембранный микрообъем 12 с зоной сравниваемого давления.
В качестве материала подложки 1 испытаны кремнии (Si), сапФир (А1аОз) и ситал, на которых эпитаксиально выращена пленка 1C из кремния или карбида кремния (SiC). В испытуемых вариантах ППД по пп. 2-5 крышки 14 изготовлены из молибдена (Но), тантала (Та), кремния и сапфира. ТКР материалов подложки, пленки и крышки включены в таблицу из Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Л., Энергия, 1977.
,
- 9 измерения. При этом среди ППД, содержащих крышку 14, наибольшей точностью обладают варианты, в которых подложка 1 и крышка 14 выполнены из одинакового материала (строки 4, 6-9 табл. 1). Эти же датчики обладают Нс1илучшеи надежностью, что подтверждается значением интенсивности отказов А состеивляет 0,0003-0,0008 ч. С увеличением расхождении ТКР подложки и крышки надежность ППД ухудшается. В частности, при закрывании подложки из сапфира (,5х10- /К) молибденовой крышкой (,1х10- -/К) интенсивность отказов датчика в данных условиях достигает 0,0086 ч.
Использование предлагаемого изобретения позволяет упростить конструкцию ППД и технологию его изготовления за счет монолитного исполнения с изъятием тонких навесных проводов и элементов их коммутации. Технический результат, производный от достигнутого, заключается в исключении операция разварки, а также посадки и фиксации чувствительного узла. Из приведенных на фиг. 1-3 схем очевидна возможность изготовления всей чувствительной части датчика по интегральной микрозлектронной технологии.
Изъятие навесных проводов в сочетании с вынесением коллекторной зоны 8 в область пониженных температур обеспечивает работоспособность ППД в условиях ВЫСОКОЙ температуры и вибрации. Как видно из приведенных примеров, предлагаемый ППД работает при температуре в объекте до 900  и вибрации 2,5 кГц, тогда как конструкция по прототипу не выдерживает 125  даже при отсутствии вибрации.
5(f
- 10 Результаты стендовых испытании Таблица 1 высокотемпературного ППД