Высокотемпературный преобразователь давления с повышенной прочностью

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям давления, и может быть использована в разработке и изготовлении малогабаритных сверхпрочных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных в условиях жестких внешних воздействий.
Известен преобразователь давления, содержащий выполненный из кремния и имеющий лицевую и тыльную стороны полупроводниковый кристалл, с тыльной стороны которого анизотропным травлением сформирована квадратная кремниевая мембрана с жестким центром, а на лицевой стороне находится мостовая измерительная схема, каждое плечо которой сформировано из тонкопленочного кремниевого тензорезистора p-типа, соединенного концами с кремниевыми токоведущими дорожками, при этом тензорезисторы на лицевой стороне полупроводникового кристалла располагаются в местах концентрации механических напряжений, первое плечо соединяется со вторым алюминиевой контактной площадкой, третье плечо соединяется с четвертым алюминиевой контактной площадкой, первое плечо соединяется с третьим последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, четвертое плечо соединяется со вторым последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, причем мостовая измерительная схема, содержащая тензорезисторы, кремниевые и алюминиевые токоведущие дорожки и алюминиевые контактные площадки, изолирована от подложки из монокристаллического кремния n-типа слоем термического оксида кремния, а поверхность полупроводникового кристалла с лицевой стороны и мостовая измерительная схема, кроме алюминиевых контактных площадок, покрыты пассивирующим слоем оксида кремния, отличающийся тем, что плечи мостовой измерительной схемы расположены параллельно друг другу, величина угла между стенками тензорезисторов и слоем термического оксида кремния составляет от 85° до 95°, величина угла между стенками кремниевых токоведущих дорожек и слоем термического оксида кремния составляет от 85° до 95°, толщина квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины полупроводникового кристалла (Патент РФ №167463, МПК G01L 9/04, 10.01.2017). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая прочность преобразователя давления к перегрузочному давлению со стороны мембраны и с лицевой стороны полупроводникового кристалла.
Полезная модель устраняет недостаток прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение прочности преобразователя давления к перегрузочному давлению со стороны мембраны и с лицевой стороны полупроводникового кристалла.
Технический результат достигается тем, что высокотемпературный преобразователь давления с повышенной прочностью содержит выполненный из кремния и имеющий лицевую и тыльную стороны полупроводниковый кристалл, с тыльной стороны которого сформирована квадратная кремниевая мембрана, имеющая утолщенную часть, утоненную часть и жесткий центр, а на лицевой стороне находится мостовая измерительная схема, каждое плечо которой сформировано из тонкопленочного кремниевого тензорезистора p-типа, соединенного концами с кремниевыми токоведущими дорожками, при этом тензорезисторы на лицевой стороне полупроводникового кристалла располагаются в местах концентрации механических напряжений, первое плечо соединяется со вторым алюминиевой контактной площадкой, третье плечо соединяется с четвертым алюминиевой контактной площадкой, первое плечо соединяется с третьим последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, четвертое плечо соединяется со вторым последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, причем мостовая измерительная схема, содержащая тензорезисторы, кремниевые и алюминиевые токоведущие дорожки и алюминиевые контактные площадки, изолирована от подложки из монокристаллического кремния n-типа слоем термического оксида кремния содержит лицевой упор в виде четырехугольной правильной призмы с четырьмя симметричными сквозными прямоугольными вырезами в угловых частях призмы, соединенный с полупроводниковым кристаллом с помощью легкоплавкого стекла, при этом длина каждой оставшейся части основания призмы меньше, чем расстояние между алюминиевыми контактными площадками полупроводникового кристалла и больше, чем половина стороны полупроводникового кристалла, длина и ширина лицевого упора равны длине и ширине полупроводникового кристалла; устройство также содержит тыльный упор, имеющий выступ, в центре выступа соосно с осью жесткого центра выполнено отверстие для подвода давления измеряемой среды к квадратной кремниевой мембране, выступ с отверстием расположен напротив жесткого центра квадратной кремниевой мембраны с тыльной стороны полупроводникового кристалла, длина и ширина выступа с отверстием может отличаться от длины и ширины жесткого центра не более чем на 20%, толщина выступа с отверстием должна быть не больше половины толщины тыльного упора, длина и ширина тыльного упора равны длине и ширине полупроводникового кристалла; устройство так же содержит основание с отверстием для подвода давления измеряемой среды к квадратной кремниевой мембране, отверстие в основании расположено соосно с отверстием в выступе тыльного упора; при этом лицевой упор, полупроводниковый кристалл, тыльный упор и основание с отверстием сформированы из кремния и соединены соосно равнотолщинным легкоплавким стеклом в вакууме в следующей последовательности начиная с лицевой стороны: лицевой упор, легкоплавкое стекло, полупроводниковый кристалл, легкоплавкое стекло, тыльный упор, легкоплавкое стекло, основание с отверстием; при этом первая область соединения легкоплавким стеклом находится между лицевым упором и лицевой стороной полупроводникового кристалла в области утолщенной части квадратной кремниевой мембраны, расположенной между алюминиевыми контактными площадками, вторая область соединения находится между тыльной стороной полупроводникового кристалла в области утолщенной части квадратной кремниевой мембраны и тыльным упором, третья область соединения находится между тыльным упором и основанием с отверстием в области контактирования; толщина легкоплавкого стекла выбирается в зависимости от номинального давления преобразователя таким образом, что при измерении номинального давления перемещение утоненной части и жесткого центра квадратной кремниевой мембраны осуществляется в пределах зазора между тонкопленочными кремниевыми тензорезисторами р-типа и лицевым упором или в пределах зазора между жестким центром и тыльным упором, в зависимости от направления давления, а при превышении номинального давления тонкопленочные тензорезисторы р-типа соприкасаются с лицевым упором, а жесткий центр квадратной кремниевой мембраны соприкасается с тыльным упором.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен высокотемпературный преобразователь давления с повышенной прочностью, вид сверху.
На фиг. 2 изображен ломаный разрез А-А высокотемпературного преобразователя давления с повышенной прочностью.
На фиг. 3 изображена квадратная кремниевая мембрана полупроводникового кристалла.
На фиг. 4 приведена расчетно-экспериментальная зависимость максимального давления, которое выдерживает преобразователь давления, от величин зазоров между тонкопленочными кремниевые тензорезисторами р-типа и лицевым упором, между жестким центром и тыльным упором.
Цифрами на чертежах обозначены
1 - полупроводниковый кристалл;
2 - алюминиевые токоведущие дорожки;
3 - алюминиевые контактные площадки;
4 - лицевой упор;
5 - тонкопленочные кремниевые тензорезисторы р-типа;
6 - подложка из монокристаллического кремния n-типа;
7 - слой термического оксида кремния;
8 - квадратная кремниевая мембрана;
9 - утолщенная часть квадратной мембраны;
10 - утоненная часть квадратной мембраны;
11 - жесткий центр;
12 - основание с отверстием;
13 - тыльный упор;
14 - выступ с отверстием;
15 - легкоплавкое стекло;
16 - зазор между тонкопленочными кремниевые тензорезисторами 5 р-типа и лицевым упором 4;
17 - зазор между жестким центром 11 и тыльным упором 13.
Устройство содержит полупроводниковый кристалл 1, лицевой упор 4, тыльный упор 13 и основание 12 с отверстием для подвода давления измеряемой среды к квадратной кремниевой мембране 8.
Полупроводниковый кристалл 1 выполнен из кремния, на лицевой стороне которого находится мостовая измерительная схема (позиция не указана на фиг.), каждое плечо которой сформировано из тонкопленочного кремниевого тензорезистора 5 p-типа, соединенного концами с кремниевыми токоведущими дорожками, при этом тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 p-типа на лицевой стороне полупроводникового кристалла 1 располагаются в местах концентрации механических напряжений, первое плечо соединяется со вторым алюминиевой контактной площадкой 3, третье плечо соединяется с четвертым алюминиевой контактной площадкой 3, первое плечо соединяется с третьим последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой 2 и алюминиевой контактной площадкой 3, четвертое плечо соединяется со вторым последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой 2 и алюминиевой контактной площадкой 3, причем мостовая измерительная схема, содержащая тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 p-типа, кремниевые и алюминиевые токоведущие дорожки 2 и алюминиевые контактные площадки 3, изолирована от подложки 6 из монокристаллического кремния n-типа слоем 7 термического оксида кремния. С тыльной стороны полупроводникового кристалла 1 вытравлена квадратная кремниевая мембрана 8, имеющая утолщенную часть 9, утоненную часть 10 и жесткий центр 11 таким образом, что тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа на лицевой стороне полупроводникового кристалла 1 располагаются в местах концентрации механических напряжений на утоненной части 10, а именно: тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа первого и четвертого плеч мостовой измерительной схемы находятся в местах соединения дна квадратной кремниевой мембраны 8 и боковых стенок квадратной кремниевой мембраны 8, а тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа второго и третьего плеч мостовой измерительной схемы находятся в местах соединения дна квадратной кремниевой мембраны 8 и боковых стенок жесткого центра 11.
Полупроводниковый кристалл 1 содержит последовательные слои: подложку 6 из монокристаллического кремния n-типа, в которой вытравлена квадратная кремниевая мембрана 8 с жестким центром 11, слой 7 термического оксида кремния, слой кремния, из которого сформированы токоведущие дорожки и тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа, слой алюминия, из которого сформированы алюминиевые токоведущие дорожки 2 и алюминиевые контактные площадки 3. Тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа и кремниевые токоведущие дорожки сформированы селективным плазмохимическим травлением, обеспечивающим угол (90±5)° между стенками тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 р-типа и слоем 7 термического оксида кремния, а также угол (90±5)° между стенками кремниевых токоведущих дорожек и слоем 7 термического оксида кремния. Квадратная кремниевая мембрана 8, создается анизотропным или комбинированным травлением, включающим сухое глубинное травление и жидкостное изотропное травление кремния. Жесткий центр 11 квадратной кремниевой мембраны 8 имеет, например, квадратное основание, но может иметь основание и другой формы. Полупроводниковый кристалл 1 может быть прямоугольным, в конкретном случае - квадратный с произвольной толщиной.
Лицевой упор 4 выполнен в виде четырехугольной правильной призмы с четырьмя симметричными сквозными прямоугольными вырезами в угловых частях призмы (фиг. 1) и соединен с полупроводниковым кристаллом 1 с помощью легкоплавкого стекла 15. При изготовлении четырех симметричных сквозных прямоугольных вырезов в лицевом упоре 4 образуются четыре симметричных части основания призмы. При этом длина каждой оставшейся части основания призмы должна быть меньше, чем расстояние между алюминиевыми контактными площадками 3 полупроводникового кристалла 1 для электрического соединения алюминиевых контактных площадок 3 и больше, чем половина стороны полупроводникового кристалла 1 для увеличения прочности лицевого упора 4. Длина и ширина лицевого упора 4 равны длине и ширине полупроводникового кристалла 1, а толщина лицевого упора 4 может иметь произвольную величину в зависимости от необходимого уровня прочности преобразователя давления. Вырезы в угловых частях призмы в общем случае прямоугольные, а в конкретном примере - квадратные с соотношением сторон 1:1, при этом ориентация сторон необязательно должна быть параллельна сторонам полупроводникового кристалла (фиг.1). Вырезы должны быть ориентированы так, чтобы алюминиевые контактные площадки 3 имели свободную монтажную плоскость для разварки. Такая симметричная форма лицевого упора 4 с закреплением по четырем сторонам позволяет снизить негативное влияние упора на тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа и уменьшить дополнительную погрешность преобразователя давления.
Тыльный упор 13 имеет выступ 14 с отверстием для подвода давления измеряемой среды к квадратной кремниевой мембране 8, расположенный напротив жесткого центра 11 с тыльной стороны полупроводникового кристалла 1. Отверстие расположено в центре выступа соосно с осью жесткого центра 11. Исходя из сохранения прочности тыльного упора 13, длина и ширина выступа 14 с отверстием может отличаться от длины и ширины жесткого центра 11 не более чем на 20%, а толщина выступа 14 с отверстием должна быть не больше половины толщины тыльного упора 13. Длина и ширина тыльного упора 13 равны длине и ширине полупроводникового кристалла 1, толщина тыльного упора 13 может быть произвольной.
Вырезы в лицевом упоре 4, отверстие в тыльном упоре 13 и выступ 14 с отверстием могут выполняться анизотропным или сухим глубинным травлением кремния. В конкретном примере (фиг.1) вырезы в лицевом упоре 4 выполнены сухим глубинным травлением кремния, а тыльный упор 13 и выступ 14 с отверстием (фиг.2) - анизотропным травлением кремния.
Основание 12 с отверстием для подвода давления измеряемой среды к квадратной мембране 8 служит термомеханической развязкой при корпусировании полупроводникового кристалла 1, упоров 13, 4 и может иметь произвольную длину, ширину и высоту. Отверстие в основании 12 расположено соосно с отверстием в выступе 14 тыльного упора 13.
Лицевой упор 4, полупроводниковый кристалл 1, тыльный упор 13 и основание 12 с отверстием сформированы из кремния и соединены соосно равнотолщинным легкоплавким стеклом 15 в вакууме в следующей последовательности начиная с лицевой стороны: лицевой упор 4, легкоплавкое стекло 15, полупроводниковый кристалл 1, легкоплавкое стекло 15, тыльный упор 13, легкоплавкое стекло 15, основание 12 с отверстием; при этом первая область соединения легкоплавким стеклом 15 находится между лицевым упором 4 и лицевой стороной полупроводникового кристалла 1 в области утолщенной части 9 квадратной кремниевой мембраны 8, расположенной между алюминиевыми контактными площадками 3, вторая область соединения находится между тыльной стороной полупроводникового кристалла 1 в области утолщенной части 9 квадратной кремниевой мембраны 8 и тыльным упором 13, третья область соединения находится между тыльным упором 13 и основанием 12 с отверстием в области контактирования.
Толщина легкоплавкого стекла 15 выбирается в зависимости от номинального давления преобразователя таким образом, что при измерении номинального давления перемещение утоненной части 10 и жесткого центра 11 квадратной кремниевой мембраны 8 (фиг.3) осуществляется в пределах зазора 16 между тонкопленочными кремниевыми тензорезисторами 5 р-типа и лицевым упором 4 или в пределах зазора 17 между жестким центром 11 и тыльным упором 13, в зависимости от направления давления, а при превышении номинального давления тонкопленочные тензорезисторы 5 р-типа соприкасаются с лицевым упором 4, а жесткий центр 11 квадратной кремниевой мембраны 8 соприкасается с тыльным упором 13.
Устройство работает следующим образом.
При подаче номинального давления на полупроводниковый кристалл 1, оно воздействует со стороны тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 р-типа или квадратной кремниевой мембраны 8, которая, изгибаясь, деформирует тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа. При этом в утоненной части 10 квадратной кремниевой мембраны 8 формируются механические напряжения, а в тонкопленочных кремниевых тензорезисторах 5 р-типа возникает тензоэффект и изменяется их сопротивление, увеличивая разбаланс мостовой измерительной схемы, в которую объединены тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа, кремниевые токоведущие дорожки, алюминиевые токоведущие дорожки 2 и алюминиевые контактные площадки 3.
Величина разбаланса снимается в виде выходного сигнала с помощью алюминиевых контактных площадок 3. Слой 7 термического оксида кремния, изолирующий мостовую измерительную схему от подложки 6 из монокристаллического кремния n-типа, повышает работоспособность высокотемпературного преобразователя давления с повышенной прочностью в условиях жестких внешних воздействий (радиационных, температурных).
Утоненная часть 10 квадратной мембраны 8 и жесткий центр 11 квадратной кремниевой мембраны 8 полупроводникового кристалла 1 свободно перемещаются под действием номинального давления, подаваемого как со стороны квадратной кремниевой мембраны 8, через основание 12 с отверстием и выступ 14 с отверстием, так и со стороны тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 р-типа за счет зазора 16 между тонкопленочными тензорезисторами 5 и лицевым упором 4, и зазора 17 между жестким центром 11 и тыльным упором 13, образованными с помощью легкоплавкого стекла 15. С помощью утолщенной части 9 квадратной кремниевой мембраны 8 упоры 4, 13 крепятся к полупроводниковому кристаллу 1. Легкоплавкое стекло 15 наносится прецизионно с помощью роботизированного дозатора в автоматическом режиме, позволяющем с достаточной точностью и повторяемостью наносить легкоплавкое стекло 15 на упоры 4, 13. Некачественная технология нанесения может привести к попаданию легкоплавкого стекла 15 на утоненную часть 10 квадратной кремниевой мембраны 8 и к возникновению дополнительных механических напряжений, приводящих к росту погрешности преобразования сигнала.
При превышении номинального давления со стороны квадратной кремниевой мембраны 8 тонкопленочные тензорезисторы 5 р-типа соприкасаются с лицевым упором 4, а при превышении номинального давления со стороны тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 р-типа, жесткий центр 11 квадратной кремниевой мембраны 8 соприкасается с тыльным упором 13, тем самым перемещение утоненной части 10 и жесткого центра 11 квадратной кремниевой мембраны 8 ограничивается.
Упоры 4, 13 являются защитными ограничителями, благодаря которым механические напряжения в утоненной части 10 квадратной кремниевой мембраны 8 перестают увеличиваться с ростом подаваемого давления, и предотвращают разрушение всего устройства. Упоры 4, 13 изготавливаются с прочностью, превышающей прочность квадратной кремниевой мембраны 8 при воздействии перегрузочного давления.
Моделированием методом конечных элементов и экспериментальным путем установлено, что максимальная прочность преобразователя давления растет при уменьшении величины зазора 16 между тонкопленочными тензорезисторами 5 и лицевым упором 4, и величины зазора 17 между жестким центром 11 и тыльным упором 13 (фиг. 4). Расчет устройства проведен исходя из сохранения метрологических характеристик и улучшения прочностных параметров. Необратимые деформации могут возникнуть при циклических нагрузках датчика, когда появляется эффект усталости материала и мембрана может разрушиться раньше предела прочности. Учитывая конструктивно-технологические ограничения при изготовлении устройства, например, с толщиной утоненной части 10 квадратной кремниевой мембраны 8 равной 36 мкм и площадью 4 мм2, среднее оптимальное достижимое значение зазоров 16 и 17 равняется 6±1 мкм.
Таким образом, благодаря использованию упоров 4, 13, ограничивающим перемещение утоненной части 10 и жесткого центра 11 квадратной кремниевой мембраны 8 при воздействии перегрузочного давления, устройство способно выдержать примерно семикратное увеличение номинального давления при сохранении толщины и площади квадратной кремниевой мембраны 8, а соответственно, и чувствительности выходного сигнала неизменными.
У прототипа прочность к повышенному давлению растет с увеличением толщины или уменьшением площади квадратной кремниевой мембраны 8, что приводит к существенному снижению чувствительности выходного сигнала преобразователя давления, и, соответственно, к росту приведенной погрешности преобразователя давления.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно использование разработанных упоров 4, 13 позволяет повысить прочность преобразователя давления к перегрузочному давлению со стороны квадратной кремниевой мембраны 8 и с лицевой стороны, со стороны тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 р-типа полупроводникового кристалла 1.