МАТРИЦА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ
MATRIX OF IC PRESSURE TRANSDUCERS

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить тактильное давление, создаваемое при соприкосновении датчика с каким-либо предметом.
Тактильные датчики предназначены для геометрического распознавания предметов окружающего пространства, что обусловлено развитием робототехники. Основная тенденция в области создания тактильных датчиков - воспроизведение осязательных свойств человеческой кожи. Этой тенденции в наибольшей степени удовлетворяют тактильные устройства матричного типа, так как каждая ячейка матрицы, представляющая собой микроэлектронный датчик силы (или деформации, момента), дает конкретную информацию, а все вместе позволяют сформировать целостное представление о форме предмета.
Тактильные датчики часто строятся на основе пьезоэлектрических пленок например, поливинилиден фторида, которые используются как в пассивном, так и активном режиме /1/.
Современный тактильный датчик для робота должен обладать такими свойствами: высокой чувствительностью, способностью воспринимать давление (силу), преобразовывать его в электрические сигналы, позволяющие определить форму и материал предмета, то есть распознавать образы; высоким пространственным разрешением, соответствующим восприимчивости пальцев человека (пространственное разрешение человеческой кожи 2 мм); достаточное для сварочных или сборочных роботов в машиностроении, а также для роботов, применяемых в микрохирургии и микроэлектронике; хорошими линейными характеристиками (допустимы лишь отклонения, компенсируемые при обработке сигнала на ЭВМ); незначительным гистерезисом; устойчивостью к перегрузкам и тяжелым условиям работы; небольшим размером и массой; невысокой стоимостью.
Недостатком пьезоэлектрических пленочных датчиков является невысокая точность измерения давления. Поэтому возникает ограничение в распознавании образов исследуемых объектов.
Разрабатываются технологии использования тактильных датчиков с применением конденсаторов, пьезорезистивных элементов не для тактильного обследования недоступных для обычной пальпации мест, а для поверхностного «ощупывания» предметов. В настоящее время в мире не существует эндоскопического аппарата с возможностью осуществлять «пальпацию» внутри полостей организма.
Для осуществления технически «пальпации» внутренних полостей организма человека необходимо устройство с возможностью регистрации распределенного по плоскости давления. В качестве преобразователей давления в настоящее время широко применяются кремниевые кристаллы, содержащие мембраны с тензорезисторами.
В патенте /2/ предлагается микроэлектронный датчик давления для высокоточного измерения абсолютного давления или разности давлений в широком диапазоне температур и давлений. Датчик состоит из нескольких частей, выполненных из монокристаллического кремния, стекла или керамики и соединенных с помощью стекла.
В патенте /3/ интегральный преобразователь давления обладает маленькой погрешностью преобразования. Снижение температурного дрейфа, температурного гистерезиса достигается при создании кремниевого кристалла с мембраной и тензорезисторами за счет создания промежуточных между резисторами и металлической разводкой высоколегированных Р+-областей.
В патенте /4/ предлагается чувствительный элемент с диафрагмой изготавливать на основе резистора в кремнии и металлической мембраны, воспринимающей давление и передающей с помощью стержня механическое напряжение на кристалл кремния.
Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент /5/, в котором предлагается устройство для измерения давления с несколькими датчиками, закрепленными на металлической раме.
В рассмотренных патентах предлагаются высокоточные измерители давления на основе тензорезистивных кремниевых датчиков, которые, однако, не позволяют проводить определение тактильных параметров объектов с высоким разрешением и точностью.
Задача изобретения - получение высокого пространственного разрешения и высокой чувствительности при измерении тактильного давления.
Решение задачи достигается при создании матрицы интегральных тактильных датчиков, предназначенной для геометрического распознавания предметов окружающего пространства, которая представляет собой монолитную матрицу на кремнии, каждая ячейка которой является интегральным преобразователем давления (ИПД).
Тактильный датчик состоит из основания - кремниевой пластины с матрицей отверстий для подключения мультикамерной мембраны, матрицы тензорезистивных преобразователей давления и схемы первичной обработки сигналов от ИПД.
Суть изобретения состоит в том, что матрица интегральных преобразователей давления, содержащая несколько интегральных преобразователей давления (ИПД) на основе тонких кремниевых мембран с тензорезистивными чувствительными элементами, включенными по мостовой схеме для достижения высокого разрешения и высокой точности измерения тактильного давления. ИПД сформированы на едином монокристаллическом кремниевом кристалле с равномерным шагом по двум ортогональным направлениям, и соединены в единую электрическую схему слоем металлизации с внешними выводами, предназначенными для питания и регистрации выходного электрического сигнала, пропорционального приложенному давлению, с каждого ИПД, и изменению температуры кристалла, с интегрального диффузионного резистора или диода.
Такая структура снижает начальный разбаланс тензорезистивных мостов за счет более высокой идентичности формирования интегральных тензорезисторов. Кроме того, показатель качества повышается за счет воспроизводимости чувствительности тензорезистивных мостов и создания высокого разрешения датчика за счет наиболее плотного размещения ИПД в плоскости, на которой производится контроль давления. ИПД объединены на одной монокристаллической кремниевой подложке с датчиками температуры в виде диффузионных резисторов и диодов, что позволяет корректировать результаты измерений давления по температуре.
На фиг.1 представлена конструкция матрицы интегральных преобразователей давления в виде топологического эскиза кристалла (а) и его поперечного сечения (б). Схема включения тензорезистивного моста дана на фиг.2. На фиг.3 приведена схема металлической разводки интегральных преобразователей давления и температуры на внешние выводы.
На фиг.1 показана конструкция матрицы интегральных преобразователей давления, где прибор состоит из основной части монокристаллической подложки первого типа проводимости (1), области формирования мембран и тензорезисторов (2) и контактных площадок (3). D - максимальный размер кристалла. L и Н - расстояние между областями формирования мембран с тензорезисторами по осям X и Y. l - размер мембраны, а - шаг между мембранами, h - толщина мембраны, b - толщина пластины, d - входное окно мембран при травлении кремния.
На фиг.2 даны эскиз топологии и схема включения тензорезистивного моста Уинстона, состоящего из тензорезисторов Rl, R2, R3, R4. На контактную площадку общего вывода -Uп подается нулевой потенциал. На контактную площадку питания +Uп подается напряжение питания Епит. С контактной площадки выхода -Uo снимается потенциал с левого плеча моста, а с контактной площадки выхода +Uo снимается потенциал с правого плеча моста.
На фиг.3 приведены топологический эскиз кристалла и схема разводки 19 преобразователей давления и датчиков температуры на контактные площадки внешних выводов.
Ключевыми базовыми технологическими процессами создания блока восприятия тактильного давления являются циклы объемной микрообработки кремния для создания интегральных преобразователей давления, а так же циклы формирования элементов микромеханики на поверхности, позволяющие не только существенно снизить площадь чувствительного элемента датчика давления, но и сформировать на кремниевом чипе двумерную матрицу чувствительных элементов.
Главная функция кристалла матрицы ИПД - преобразование локальных давлений (сил) в электрический сигнал - с помощью интегральных тензорезисторов, расположенных на кремниевой мембране. Каждый ИПД представляет собой тензорезистивный мост, имеющий два вывода для подачи питания (эти выводы могут быть объединены для всех элементов матрицы) и два вывода для снятия выходного дифференциального сигнала.
Кристалл матрицы ИПД изготовлен по интегральной технологии микроэлектроники, что обеспечивает большую степень интеграции микроэлементов и более высокое разрешение. Кристалл матрицы 19 ИПД и имеет 8-гранную форму так, чтобы вписаться в окружность диаметра D (фиг.1). Угловые скосы выполняются методом анизотропного химического травления. Центры интегральных преобразователей давления располагаются в узлах сетки с шагом по Х=L и по Y=Н. Кристалл содержит 48 внешних выводов, которые располагаются по 12 штук, вдоль четырех сторон. Размер контактной площадки составляет 0,40×0,30 мм, а шаг между ними - 0,50 мм. Часть контактной площадки (0,25×0,30 мм) покрывается никелем и облуживается припоем ПОС-65.
На фиг.2 изображен топологический эскиз интегрального преобразователя давления для кристалла матрицы интегральных преобразователей давления.
Пример конкретного топологического проекта матрицы интегральных преобразователей давления, представлен на фиг.3, в виде эскиза расположения девятнадцати ИПД, диффузионного резистора и диода, сорока восьми контактных площадок и металлических проводников, для организации электрических цепей питания и регистрации выходного сигнала преобразователей физических величин. Для контроля температуры кристалла используются диод и диффузионный резистор. Электрическая цепь +Uп является общей для всех интегральных преобразователей давления, диффузионного резистора и диода.
Исходным материалом является кремниевая подложка КЭФ-4,5 (100) с двусторонней полировкой, в которой методами микроэлектроники создаются мембраны, диффузионные области тензорезисторов и р+ выводов, а также алюминиевые шины и контактные площадки. Технология изготовления состоит из 10 фотолитографических циклов, один из которых выполняется по обратной стороне кремниевых пластин. Совмещение мембран, сформированных на обратной стороне пластин, с тензорезисторами на лицевой стороне осуществляется по специальным меткам. Далее, для последовательного совмещения топологических слоев, используются стандартные фигуры совмещения. Соединение интегральных преобразователей давления с контактными площадками реализовано одним уровнем металла алюминия. Для обеспечения возможности облуживания внешней части алюминиевых контактных площадок на завершающем этапе проводятся две фотолитографические операции для формирования переходных окон в слое оксида кремния и никелевых площадок, подвергающихся процессу облуживания.
Источники информации
1. Современные датчики. Справочник. Дж.Фрайден, М.: Техносфера, 2005.
2. Патент РФ №2169912, Микроэлектронный датчик давления.
3. Патент РФ №2278447, Интегральный преобразователь давления.
4. Патент US №6931937, Pressure sensor having diaphragm.
5. Патент US №6935182, Pressure sensor apparatus including stems provided with strain measuring arrangement - прототип.