ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ
INTEGRAL ACCELERATION TENSOTRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании микромеханических тензорезисторных акселерометров, работоспособных при повышенных температурах.
Известен пьезорезисторный акселерометр маятникового типа, используемый для измерения ускорения в ударных испытаниях. Чувствительный элемент акселерометра включает базовое основание, связанную с ним маятниковую инерционную массу посредством упругого подвеса. Инерционная масса совершает движения вдоль оси, совпадающей с направлением чувствительности и ортогональной направлению соединения упругого подвеса с инерционной массой. Пьезорезисторные датчики связывают инерционную массу и основание. Пьезорезисторный датчик содержит, по крайней мере, два пьезорезистора, которые вытравлены из подложки в форме лучей между инерционной массой и основанием. Пьезорезисторы расположены по обе стороны упругого подвеса на одной стороне подложки, так что воздействующее ускорение вызывает сжимающие напряжения на одном и растягивающие напряжения на другом пьезорезисторе. Пьезорезисторы включены в мостовую схему для повышения чувствительности и точности измерений. Для работы пьезорезисторам необходимо лишь малое напряжение деформации, так как их объем очень мал [1].
Недостатком данной конструкции являются низкие температурные характеристики, что связано с выполнением пьезорезисторов травлением из объема кремниевой подложки и появлением значительных токов утечки при повышенных температурах.
Известен многобалочный акселерометр-анализатор спектра механических колебаний на основе тензорезистивных преобразователей, который содержит интегральный кремниевый тензоакселерометр на единой монокристаллической кремниевой подложке в виде двух частей, закрепленной и подвижной. Подвижная часть служит инерционной массой и расположена между основными частями концентратора механических напряжений, на котором сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую схему. Акселерометр содержит несколько подвижных инерционных масс одинаковой или разной величины, концентраторов разной длины или ширины, перемычек между инерционными массами или концентраторами с различным положением, расположенных идентично относительно основной измерительной оси и выполненных из подложки первого типа проводимости, которые образуют резонансные структуры акселерометров в выбранном диапазоне частот механических колебаний. Тензорезисторы выполнены из диффузионного слоя второго типа проводимости и расположены на концентраторах идентично [2].
Недостатком данной конструкции является ограниченный температурный диапазон работы акселерометра до 120°С из-за наличия в структуре подложки первого типа проводимости диффузионных резисторов второго типа проводимости, что связано со значительными токами утечки при выше указанной температуре.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является интегральный балочный тензопреобразователь, который содержит выполненные из единого монокристалла кремния n-типа проводимости два основания и соединяющий их более тонкий концентратор механических напряжений, рабочие поверхности которых расположены в одной кристаллографической плоскости (100). На рабочей поверхности концентратора в монокристалле расположены диффузионные тензорезисторы p-типа проводимости, ориентированные в кристаллографических направлениях [110] соединенные с помощью металлизации в полную мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные вне концентратора на одном из оснований. Два тензорезистора поперечны, а два параллельны границам рабочих поверхностей концентратора и оснований. Каждый тензорезистор мостовой схемы выполнен из двух одинаковых частей, соединенных последовательно металлизацией и расположенных симметрично относительно линии, проходящей через середину упомянутых границ. Каждая часть тензорезисторов окружена расположенной в монокристалле на рабочей поверхности концентратора диффузионной высоколегированной областью n-типа проводимости, и, кроме того, на рабочей поверхности преобразователя выполнено не менее одного омического контакта к монокристаллу, выведенного металлизацией на отдельную контактную площадку. А высоколегированные области n-типа проводимости расположены на расстоянии 3-8 мкм от областей тензорезисторов [3].
Недостатками данной конструкции являются низкие температурные характеристики тензопреобразователей, обусловленные наличием значительного количества переходов металл-полупроводник, соединяющих части тензорезисторов, а также разности длин металлизации, соединяющей части тензорезисторов и металлизации, соединяющей тензорезисторы в плечах мостовой схемы, что приводит к начальному разбалансу мостовой схемы, сложностью настройки начального выходного сигнала, а также ограниченным температурным диапазоном работы измерительной схемы ввиду расположения диффузионных тензорезисторов p-типа проводимости в монокристалле кремния w-типа проводимости.
Целью заявляемого изобретения является расширение температурного диапазона работы тензопреобразователя за счет снижения температурной погрешности измерения ускорения, расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения ускорения и температуры.
Поставленная цель достигается тем, что интегральный тензопреобразователь ускорения, содержащий выполненные из единого монокристалла кремния два основания и соединяющий их концентратор механических напряжений, рабочие поверхности которых расположены в одной кристаллографической плоскости (100), расположенные в монокристалле на рабочей поверхности концентратора тензорезисторы p-типа проводимости, ориентированные в кристаллографических направлениях [110] и соединенные с помощью металлизации в полную мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные вне концентратора, при этом два тензорезистора поперечны и выполнены из двух одинаковых частей, соединенных последовательно металлизацией и расположенных симметрично относительно линии, проходящей через середину упомянутых границ, а два параллельны границам рабочих поверхностей концентратора основаниями, согласно предлагаемому изобретению тензорезисторы выполнены из поликристаллического кремния на слое диэлектрика, расположенного на рабочей стороне монокристалла кремния в области концентратора механических напряжений, инерционной массы и области контактных площадок, причем параллельные тензорезисторы расположены симметрично вдоль линии, проходящей в месте соединения концентратора механических напряжений и рамки монокристалла, на которой в области контактных площадок выполнен терморезистор из поликристаллического кремния на слое диэлектрика, при этом рабочие стороны терморезистора расположены вдоль кристаллографических направлений [110], широкой частью перпендикулярно линии поперечным тензорезисторам.
Размещение тензорезисторов, терморезистора и контактных площадок на слое диэлектрика позволяет исключить p-n-перехол в структуре монокристалла интегрального тензопреобразователя ускорения, устранить ток утечки, характерный диффузионной технологии и позволяет повысить температурный диапазон работы тензопреобразователя. Расположение терморезистора на рамке монокристалла позволяет исключить влияние деформаций на его тензосопротивление при воздействии ускорения, что позволяет контролировать значение температуры окружающей среды независимо от величины действующего ускорения, а также снизить температурную погрешность измерения ускорения.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1, 2 представлен интегральный тензопреобразователь ускорения.
На фиг.3 представлен пример схемы подключения терморезистора R5(10) в мостовую схему для контроля температуры и термокомпенсации выходного сигнала.
Интегральный тензопреобразователь ускорения представляет собой кремниевый кристалл (1), выполненный из монокристаллической кремниевой подложки ориентации (100). Боковые стороны кристалла (1) ориентированы по семейству кристаллографических направлений [110]. Кристалл (1) содержит рамку (2), инерционную массу (3) и концентратор механических напряжений (4). Концентратор механических напряжений (4) соединяет инерционную массу (3), рамку (2) и имеет толщину в пределах (0,05…0,45) от толщины рамки (2), что определяется диапазоном измерения ускорения. Концентратор механических напряжений (4) и инерционная масса (3) выполнены анизотропным травлением кремния.
На рабочей стороне концентратора механических напряжений (4) выполнены тензорезисторы R1(5), R2(6), R3(7), R4(S) из легированного примесью поликристаллического кремния, объединенные в мостовую схему. Два из тензорезисторов мостовой схемы - R1(5) и R3(7) состоят из двух частей и находятся в местах наибольших деформаций концентратора механических напряжений (4) в местах сопряжения концентратора механических напряжений (4) и рамки (2) кристалла (1). Стороны тензорезисторов R1(5), R2(6), R3(7), R4(8) ориентированы по кристаллографическим направлениям [110] исходной кремниевой подложки. Контактные площадки (9) выведены на рамку (2) кристалла (1). В области контактных площадок (9) на рамке (2) кристалла (1) выполнен терморезистор R5(10) из легированного примесью поликристаллического кремния. Тензорезисторы R1(5), R2(6), R3(7), R4(У), терморезистор R5(10) покрыты слоем оксида кремния (11) толщиной (0,05…0,1) от слоя диэлектрика (12), расположенного на рабочей стороне кремниевого кристалла (1) в области концентратора механических напряжений (4), инерционной массы (3) и области контактных площадок (9).
Диэлектрик (12) представляет собой термически выращенный слой оксида кремния и позволяет устранить p-n-переходы в структуре кристалла (1).
Устройство работает следующим образом.
При воздействии ускорения в направлении, перпендикулярном поверхности кремниевого кристалла (1), в концентраторе механических напряжений (4) возникают значительные деформации за счет соединения неподвижной рамки (2) и подвижной инерционной массы (3). Деформации имеют наибольшие значения в местах сопряжения концентратора механических напряжений (4) и рамки (2) кристалла (1). Возникающая деформация передается поликремниевым тензорезисторам R(5), R2(6), R3(7), R4(8), объединенным в мостовую схему. Тензорезисторы R1(5), R3(7) имеют радиальное направление, а Тензорезисторы R2(6), R4(7) тангенциальное направление [4]. Механические напряжения в тензорезисторах R1(5), R2(6), R3(7), R4(8), вызванные деформацией концентратора механических напряжений (4), вызывают одинаковые по величине, но разные по знаку приращения изменения тензосопротивления. Это достигается за счет размещения тензорезисторов R1(5), R2(6), R3(7), R4(8) в местах сопряжения концентратора механических напряжений (4) и рамки (2) кристалла (1) на рабочей стороне концентратора механических напряжений (4). При питании мостовой схемы изменения тензосопротивления тензорезисторов R1(5), R2(6), R3(7), R4(8) приводят к появлению выходного сигнала, пропорционального прикладываемому ускорению. Размещение тензорезисторов R1(5), R2(6), R3(7), R4(8), терморезистора R5(10) и контактных площадок (9) на слое диэлектрика (12) позволяет исключить p-n-переход в структуре кристалла (1) интегрального тензопреобразователя ускорения, устранить ток утечки, характерный диффузионной технологии и позволяет повысить температурный диапазон работы тензопреобразователя. Наличие слоя оксида кремния (11) на поверхности тензорезисторов R1(5), R2(6), R3(7), R4(8) и терморезистора R5(10) позволяет защитить мостовую схему от воздействия внешней среды. Расположение терморезистора R5(10) на рамке (2) кристалла (1) позволяет исключить влияние деформаций на его тензосопротивление при воздействии ускорения, что позволяет контролировать значение температуры окружающей среды независимо от величины действующего ускорения.
Тензорезисторы R1(5), R2(6), R3(7), R4(S), и терморезистор R5(10) имеют разную степень легирования для получения различного по знаку значения температурного коэффициента сопротивления. При включении терморезистора R5(10) в мостовую схему, как представлено на фиг.2, достигается термокомпенсация выходного сигнала из-за разных по знаку приращений значений сопротивлений R1(5), R2(6), R3(7), R4(S), и терморезистора R5(10) при изменении температуры окружающей среды.
Техническим результатом является расширение температурного диапазона работы интегрального тензопреобразователя ускорения, расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения ускорения и температуры, а также снижение температурной погрешности измерения ускорения при включении терморезистора R5(10) в мостовую схему как элемента термокомпенсации.
Источники информации
1. WO патент №9215018, A1, G01P 15/08, G01P 15/12, Piezoresistive Accelerometer and Method of Fabrication, опубл.: 21.01.1992 г.
2. RU патент №2387999, C1, G01P 15/12. Многобалочный акселерометр-анализатор спектра механических колебаний на основе тензорезистивных преобразователей, опубл.: 27.04.2010 г.
3. RU патент №2050033, C1, H01L 29/84. Интегральный балочный тензопреобразователь, опубл.: 10.12.1995 г.
4. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., 137 с.