ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
STRAIN GAUGE OF ABSOLUTE PRESSURE BASED ON SOI MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения неэлектрических величин, а именно к тензорезисторным датчикам абсолютного давления на основе кремний-на-изоляторе (КНИ) микроэлектромеханической системы.
Известен микроэлектронный датчик абсолютного давления (пат. РФ №2362133), который содержит металлостеклянный корпус с металлической трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из пластины-основания с гермовыводами и крышки, многоэлементный чувствительный элемент, приклеенный к пластине-основанию в ее квадратное углубление с отверстием, соединенным с трубкой для подвода измеряемого давления. Чувствительный элемент давления (ЧЭД) образован двумя кремниевыми пластинами. В первой пластине (кремниевая пластина интегрального преобразователя давления) с одной (рабочей) стороны сформирован измерительный мост из диффузионных тензорезисторов, изолированных от подложки обратно смещенным р-n переходом, с другой (нерабочей) стороны - трапецеидальное углубление, ограниченное тонкой мембраной. Во второй пластине (кремниевая защитная крышка чувствительного элемента) сформирована полость для создания вакуумной камеры после герметичного соединения с верхней стороной первой пластины. Кроме этого, вторая пластина защищает специально созданные высоколегированные области р+-типа проводимости (проводящие полоски) на рабочей стороне первой пластины от воздействия внешней среды. Соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью промежуточных высоколегированных областей р+-типа проводимости. Высоколегированные промежуточные области р+-типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть кремниевого основания. Углубление в основании корпуса обеспечивает расположение в одной плоскости контактных площадок чувствительного элемента и траверсов гермовыводов для возможности выполнения микроконтактирования. Электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой обеспечивается через гермовыводы перемычками из микропроволоки. Крышка герметично соединяется с пластиной-основанием корпуса датчика в атмосфере сухого воздуха или инертного газа или заполняется другой газообразной антикоррозионной средой. При этом чувствительный элемент абсолютного давления и выводы от него к траверсам защищены от воздействия внешней среды.
К недостаткам конструкции аналога можно отнести:
1. Электрическое соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью переходных высоколегированных областей р+-типа проводимости, поскольку при этом внедрение акцепторных атомов легирующей примеси высокой концентрации в структуру монокремния обуславливает возникновение напряжений, предающихся в область мембраны и релаксирующих случайным образом, особенно в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, характерных для авиационно-космической техники. В результате этого может возникать временная нестабильность датчика. Кроме этого, временная нестабильность может быть обусловлена токами утечки через обратно смещенные р-n переходы, изолирующие тензорезисторы от подложки. При этом снижается тензочувствительность.
2. Возможность утечки газообразной среды из герметичной полости внутри корпуса.
3. Приклеивание ЧЭД к основанию корпуса обуславливает нестабильность и низкую надежность.
4. Ненадежность проволочных перемычек между контактами ЧЭД и траверсами.
5. Конструкцией датчика не обеспечивается развязка от передачи напряжений корпуса датчика на тензорезисторы.
За прототип принят известный датчик абсолютного давления фирмы MEMSCAP (SP82 User Manual, Doc. 0207, 2006, pp. 14) с чувствительным элементом из семейства сенсоров четвертого поколения типа SP82. Датчики фирмы MEMSCAP применяются в аэрокосмической, оборонной и других отраслях промышленности, включая авиапромышленность России. Тензорезисторный датчик абсолютного давления содержит металлостеклянный корпус со стеклянной трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из пластины-основания с гермовыводами и крышки, внутри которого на торцевой поверхности стеклянной трубки (пьедестале) закреплен многоэлементный чувствительный элемент, состоящий из трех монокристаллических кремниевых пластин, жестко соединенных между собой и с поверхностью пьедестала стеклянной фриттой.
Средняя пластина р-типа проводимости с тонкой мембраной с рабочей стороны, в приповерхностном слое которой сформирован измерительный мост Уинстона из диффузионных тензорезисторов n-типа проводимости, а с противоположной - трапецеидальная выемка, ограниченная тонкой мембраной, является чипом тензопреобразователя, а трапецеидальная выемка в ней - приемником измеряемого давления. Трапециедальная выемка на нижней стороне верхней пластины образует с поверхностью на рабочей стороне средней пластины герметичную вакуумную камеру. Верхняя пластина защищена металлическим колпачком. Для снижения напряжений, передаваемых на чип тензопреобразователя через корпус датчика, нижняя пластина имеет сравнительно большую толщину и опирается не по всей плоскости, а только на торцевую поверхность стеклянного пьедестала и на специальные выступ в пластине-основании. В нижней пластине сформирован сквозной канал, соединяющийся с приемником давления в средней пластине. Электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой обеспечивается через гермовыводы микросваркой золотых перемычек.
0
К недостаткам прототипа и аналогов следует отнести: невысокие надежность и временная стабильность, ограниченный температурный диапазон эксплуатации, чувствительность к радиации. Эти недостатки обусловлены, прежде всего, физико-технологическими особенностями полупроводниковых преобразователей датчиков, в частности тензопреобразователей, у которых тензорезисторы и проводники электрической цепи сформированы методами диффузии или ионной имплантации легирующих примесей в локальных областях монокристаллической подложки, а изоляция их от подложки обратно смещенным электрическим р-n переходом - не совершенна. Возникающие дефекты дислокации в процессе локальной диффузии или ионной имплантации в монокристаллах, например, кремния являются основными причинами деградации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов, включая датчики, и их временной нестабильности. И прежде всего, для датчиков авиационно-космической техники, функционирующих в жестких условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, ускоряющих процессы деградации. Несовершенство изоляции обратно смещенным электрическим р-n переходом приводит к возникновению шунтирующего тока утечки I, экспоненциально возрастающего с повышением температуры [3]:
где
0
I - обратный ток через переход,
i
n - концентрация собственных носителей заряда,
3
ΔЕ - ширина запрещенной зоны,
k - постоянная Больцмана,
Т - абсолютная температура.
Температурная зависимость тока утечки также является причиной временной нестабильности и ограничения верхнего предела рабочей температуры величиной +125°С для кремниевых тензопреобразователей, у которых изоляция от подложки обеспечивается обратно смещенным электрическим р-n переходом.
К другим причинам нестабильности и ненадежности можно отнести возможность образования микротрещин в переходной области спая металл-стекло гермовыводов и центров зарождения релаксирующих напряжений, а также обрывы микропроволочных перемычек. Вероятность этих событий повышается в жестких условиях эксплуатации самолетов при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как удары и вибрации в период всего ресурса самолета (до 30 тыс. часов). Попадание легкоплавкого стекла в процессе склеивания ЧЭД на мембрану или контактные площадки также может быть причиной нестабильности и ненадежности.
Согласно известных патентов РФ №2474007 и №2478193 (аналоги) применение в датчиках абсолютного давления КНИ чувствительного элемента с монокристаллическими тензорезисторами, взамен диффузионных тензорезисторов на кремниевой подложке, позволяет увеличить чувствительность и повысить воспроизводимость начального выходного сигнала датчика. Сущность изобретений: чувствительный элемент преобразователя давления на КНИ-структуре содержит основание из монокристаллического кремния, первый изолирующий слой с окном в нем, слой упругого материала, второй изолирующий слой, по крайней мере, один тензорезистор и контакты к тензорезистору. Окно в первом изолирующем слое по всему периметру окружено первым изолирующим слоем. Слой упругого материала расположен на первом изолирующем слое и перекрывает окно в первом изолирующем слое по всему его периметру. Основание, первый изолирующий слой и слой упругого материала в месте расположения окна образуют герметичную камеру. Тензорезистор расположен частично между первым изолирующим слоем и слоем упругого материала, частично на поверхности слоя упругого материала над окном. Второй изолирующий слой разделяет тензорезистор и слой упругого материала. Тензорезистор выполнен из монокристаллического кремния. На части тензорезистора, расположенной на поверхности слоя упругого материала над окном и не покрытой вторым изолирующим слоем, расположен третий изолирующий слой, толщина которого составляет не более 0,2 и не менее 0,01 от толщины тензорезистора.
К недостаткам этих аналогов следует отнести:
1. Более высокая основная погрешность для датчиков на основе тензопреобразователей с пленочной мембраной (аналог) по сравнению с тензопреобразователями на основе монокристаллической мембраны [2].
2. Сложность конструкции ЧЭД преобразователя, что обуславливает его невысокую технологичность.
Целью настоящего изобретения является повышение временной стабильности и надежности, расширение диапазона рабочей температуры датчика, снижение его чувствительности к воздействию гамма-радиации.
Эта цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике абсолютного давления, содержащем корпус с трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из металлической пластины-основания и металлической крышки, внутри которого имеется электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой и жестко закреплен чувствительный элемент абсолютного давления, состоящий из чипа тензопреобразователя с измерительным мостом Уинстона, стеклянного пьедестала и вакуумированной полости, чип тензопреобразователя выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, причем в верхней сформирована монолитная тензорамка, а в нижней сформированы трапециевидная выемка и мембрана, образующие вакуумированную полость в результате герметичного соединения чипа тензопреобразователя с пьедесталом по полоске на периметре пьедестала, при этом пьедестал выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен в посадочном месте на пластине-основании, выполненном в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем, а монолитная тензорамка состоит из четырех объемных тензорезисторов равной длины и равного сечения, образующих измерительный мост Уинстона; трубка для подвода измеряемого давления установлена в крышке корпуса со стороны рабочей поверхности чипа тензопреобразователя; электрическая цепь коммутации выполнена в виде гибкого шлейфа на основе полиимидной пленки, который ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, а на другом конце шлейфа расположен ряд контактных площадок для соединения с внешней электрической схемой, проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены тонкой неорганической пленкой. При этом тензорезисторный датчик абсолютного давления отличается тем, что ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом больше или равна 0,5 мм, а глубина посадки чувствительного элемента в посадочное место на пластине-основании составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки одинакова с шириной ступеньки.
Устройство датчика показано на Фиг. 1 и 2.
Тензорезисторный датчик абсолютного давления на основе КНИ микроэлектромеханической системы содержит металлический корпус датчика, состоящий из пластины-основания 1 и крышки 11 с трубкой 7, внутри которого размещены многоэлементный чувствительный элемент абсолютного давления 3 и гибкий шлейф на основе полиимидной пленки 6 (ГШПМ) для электрической коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой (контактный узел 15).
Многоэлементный чувствительный элемент абсолютного давления 3 состоит из чипа тензопреобразователя с КНИ микромеханической системой, пьедестала 2 и пластины-основания 1. Чип тензопреобразователя [1] выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика 4, согласованного по коэффициенту теплового расширения в широком температурном диапазоне с кремнием. При этом в верхней пластине сформирована монолитная тензорамка 5, а в нижней сформированы трапециевидная выемка 10 и мембрана 9.
Мембрана 9, слой неорганического диэлектрика 4 и тензорамка 5 образуют трехслойную структуру КНИ микромеханической системы. Монолитная тензорамка 5 одновременно является как конструктивным элементом микромеханической мембранной структуры тензопреобразователя, так и функциональным элементом. На поверхности тензорамки сформированы четыре тонкопленочные контактные площадки для формирования микроконтактного узла 8 с ленточными выводами гибкого шлейфа 6, между которыми расположены равной длины и равного сечения четыре интегральных объемных резистора 18, образующих измерительный мост Уинстона.
Пьедестал 2 выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен в посадочном месте 12. Посадочное место сформировано на пластине-основании 1 в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем. При этом глубина посадки составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки равна ширине ступеньки. Указанные размеры ступеньки определены экспериментально из условия минимизации передачи напряжений (помехи) от корпуса датчика на тензопреобразователь.
Вакуумированная полость 10 образована в подмембранной области чипа тензопреобразователя между поверхностью пьедестала 2 и внутренней поверхностью трапециевидной выемки 10 с нерабочей стороны чипа тензопреобразователя, а ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом определяется из условия b>=0,5 мм, где
ч
где L - длина стороны квадратного основания чипа тензопреобразователя,
а
- длина стороны квадратного основания трапециевидной выемки.
Ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом ограничена минимальным размером b>=0,5 мм в связи с технологическими ограничениями по качеству и надежности соединения кремний-стекло.
Гибкий шлейф 6 на основе полиимидной пленки ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, образуя микроконтактные узлы 8, а на другом конце шлейфа, в его хвостовой части 16, расположен ряд контактных площадок 17 для соединения с внешней электрической схемой (контактный узел 15). Хвостовая часть шлейфа 16 выводится через щелевидное отверстие, сформированное в граничной области между пластиной-основанием 1 и крышкой 11. Проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены от влажной среды и коррозии тонкой неорганической пленкой.
В основу работы тензорезисторного датчика абсолютного давления на основе КНИ микроэлектромеханической системы положена зависимость электрического сопротивления монолитной кремниевой тензорамки 5 от величины равномерно распределенного разностного давления на трехслойной мембранной структуре КНИ микромеханической системы, как разницы между измеряемым давлением внешней газовой среды, подаваемой через трубку 7 на рабочую сторону тензопреобразователя, и постоянным давлением воздуха в вакуумированной полости 10. В зависимости от знака разностного давления прогиб мембраны может происходить во взаимно противоположных направлениях. Монолитная кремниевая тензорамка 5 как конструктивный элемент микромеханической мембранной структуры обуславливает распределение максимальных тангенциальных напряжений и, соответственно, деформаций по контуру ее внешней границы на мембране [2]. В результате при подключении датчика (одной из диагоналей измерительного моста) к источнику питания с выхода датчика (второй диагонали) снимается электрический сигнал, пропорциональный разностному давлению.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение временной стабильности и надежности, расширение диапазона рабочей температуры датчика, снижение его чувствительности к воздействию гамма-радиации.
1. Повышение временной стабильности и надежности датчика достигается:
- исключением процессов локальной диффузии или ионной имплантации легирующих примесей в монокремний в процессе производства датчиков на основе КНИ микроэлектромеханической системы и в результате исключается деградация электрофизических характеристик, обусловленная генерацией дефектов дислокации, зарождением и релаксацией локальных упругих напряжений в монокремнии [3-5], а следовательно, минимизируется временной дрейф электрофизических характеристик;
- минимизацией напряжений на чипе тензопреобразователя, предаваемых через корпус датчика, благодаря особенностям заявляемой конструкции многоэлементного ЧЭД;
- изоляцией кремниевой монолитной тензорамки от кремниевой мембраны тензопреобразователя промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика (гальваническая развязка) в отличие от применения способа изоляции обратно смещенным электрическим р-n переходом в прототипе;
- заявляемой конструкцией ГШПМ (взамен гермовыводов с микропроволочными перемычками в прототипе), содержащей электрические проводники на основе тонкопленочной металлизации с высокой коррозионной стойкостью, ряд контактных площадок для выполнения электрических соединений с внешней электронной схемой и гибкие ленточные выводы для микроконтактирования с чипом тензопреобразователя, а также защитой электрических проводников и микроконтактных узлов от воздействия атмосферной влаги и коррозии тонкой неорганической пленкой, при этом уменьшается количество микроконтактных узлов в датчике (исключаются четыре микроконтакта на гермовыводах по сравнению с прототипом), повышается прочность выводов по сравнению с микропроволочными перемычками у прототипа, снижается трудоемкость изготовления датчика.
5
5
2. Расширение диапазона рабочей температуры, снижение чувствительности к воздействию гамма-радиации достигается преимуществом конструкции тензопреобразователей на основе КНИ микроэлектромеханической системы, а именно гальванической развязкой кремниевой монолитной тензорамки и кремниевой мембраны тензопреобразователя промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, имеющим бесконечное электрическое сопротивление и конечное тепловое сопротивление в отличие от способа изоляции обратно смещенным р-n переходом у прототипа, что позволяет исключить токи утечки, минимизировать перегрев тензорезисторов, а также снизить чувствительность к воздействию гамма-радиации. Экспериментальными исследованиями процессов деградации при спецвоздействиях установлено [6, 7], что приборы с КНИ структурами сохраняют свои электрические параметры при температурах до 250-300°С и остаются работоспособными при воздействии гамма-радиации до дозы 10-5×10 Гр.
Предполагается замещение импортных датчиков SP-82 фирмы MEMSCAP, Норвегия, в изделиях разработки АО «УКБП», г. Ульяновск, на датчики по предлагаемой заявке на изобретение. Проработаны вопросы технологии производства, определены предприятия-изготовители предлагаемых датчиков.
Кроме этого, на базе заявляемого изобретения возможно общепромышленное применение датчиков в авиакосмической и оборонной технике, в атомной энергетике, на транспорте, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Источники информации
1. Соколов Л.В. Патент РФ №2327125, 2008 г.
2. Leonid V. Sokolov. Conceptual basis for creating new-generation high-stable high-temperature microelectromechanical sensors based on a silicon-on-isolator heterostructure with a monolithic integral tensoframe for intelligent transducers // Proceedings of 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments ISMTII-2009, v. 3, S-Petersburg, 29 June - 2 July 2009, pp. 248-251.
3. B.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. M.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит, 1977, 672 с.
4. B.C. Вавилов, В.Ф. Киселев, Б.Н. Мукашев. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит, 1990, 216 с.
5. М.И. Горлов, В.А. Емельянов, А.В. Строганов. Геронтология кремниевых интегральных схем. М: Наука, 2004, 240 с.
6. Асеев А.Л. и др. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе в микро- наноэлектронике и микросистемной технике // Микросистемная техника. 2002, №9, с. 22-29.
7. Артамонов А.С. и др. Экспериментальное исследование радиационного поведения SMART-CUT КНИ-структур // ВАНТ. Научно-технический сборник. Радиационная стойкость электронных систем («Стойкость - 2001»). 2001, вып. 4, с. 37-38.