РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям давления, и может быть использована в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных в условиях жестких внешних воздействий.
19
-3
Известен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5⋅10 см, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки. Мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния. Полупроводниковый преобразователь давления описан в патенте на изобретение RU 2284613, МПК H01L 29/84, G01L 9/04, 27.09.2006. Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невысокая точность преобразователя давления, обусловленная высоким начальным разбалансом выходного сигнала мостовой измерительной схемы.
Полезная модель устраняет недостаток прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразователя давления за счет снижения начального разбаланса выходного сигнала мостовой измерительной схемы.
Технический результат достигается тем, что в радиационно стойком высокотемпературном тензочувствительном элементе преобразователя давления, содержащем 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, 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.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1-4).
На фиг. 1 представлена топология радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления, где
1 - полупроводниковый кристалл;
2 - алюминиевые токоведущие дорожки;
3 - алюминиевые контактные площадки;
4 - кремниевые токоведущие дорожки;
5 - тонкопленочные кремниевые тензорезисторы p-типа.
На фиг. 2 представлена тыльная сторона радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления, где
6 - квадратная кремниевая мембрана с жестким центром.
На фиг. 3 представлен разрез А-А радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления, где
7 - слой термического оксида кремния;
8 - подложка из монокристаллического кремния n-типа;
9 - пассивирующий слой оксида кремния.
На фиг. 4 представлен разрез Б-Б радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления.
Устройство содержит полупроводниковый кристалл 1, выполненный из кремния, с тыльной стороны которого находится квадратная кремниевая мембрана 6 с жестким центром, а на лицевой стороне - мостовая измерительная схема.
Исходный полупроводниковый кристалл 1 содержит последовательные слои: подложку 8 из монокристаллического кремния n-типа, слой 7 термического оксида кремния и приборный слой кремния, из которого в процессе изготовления формируются кремниевые токоведущие дорожки 4 и тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 p-типа. Затем осаждается слой алюминия, из которого изготавливаются алюминиевые токоведущие дорожки 2 и алюминиевые контактные площадки 3. Вся поверхность кристалла и мостовая измерительная схема, кроме алюминиевых контактных площадок 3, покрыта пассивирующим слоем 9 оксида кремния.
Мембрана 6 создается в подложке анизотропным травлением. Основание жесткого центра мембраны выполняется квадратным, но может иметь и другое сечение. Исходя из экспериментальных результатов, толщина мембраны 6 в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 20 мкм до значения, равного половине толщины полупроводникового кристалла 1. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем толще должна быть мембрана 6. Изготовление мембраны 6 толщиной менее 20 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой мембраны существенно падает чувствительность преобразователя.
Мостовая измерительная схема состоит из четырех тонкопленочных кремниевых тензорезисторов p-типа 5; оба конца каждого тензорезистора соединены с кремниевыми токоведущими дорожками 4, объединенными алюминиевыми токоведущими дорожками 2 и алюминиевыми контактными площадками 3. Тензорезисторы 5 лежат в местах концентрации механических напряжений и при подаче измеряемого давления испытывают максимальные деформации. Мостовая измерительная схема изолирована от подложки 8 из монокристаллического кремния n-типа слоем 7 термического оксида кремния. Тензорезисторы 5 и кремниевые токоведущие дорожки 4 сформированы селективным плазмохимическим травлением, обеспечивающим угол 90±5° между стенками тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 и слоем 7 термического оксида кремния, а также угол 90±5° между стенками кремниевых токоведущих дорожек 4 и слоем 7 термического оксида кремния. Поверхность кристалла 1 и мостовой измерительной схемы, кроме алюминиевых контактных площадок 3, покрыта пассивирующим слоем 9 оксида кремния.
Устройство работает следующим образом.
При подаче измеряемого давления на полупроводниковый кристалл 1, оно воздействует на квадратную кремниевую мембрану 6 с жестким центром, которая, изгибаясь, деформирует тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5, расположенные на лицевой стороне полупроводникового кристалла 1. При этом в тензорезисторах 5 возникает тензоэффект, то есть изменяется их сопротивление, и, соответственно, увеличивается разбаланс мостовой измерительной схемы, в которую объединены тензорезисторы 5, кремниевые токоведущие дорожки 4 и алюминиевые токоведущие дорожки 2. Величина разбаланса снимается в виде выходного сигнала с помощью кремниевых токоведущих дорожек 4, объединенных алюминиевыми токоведущими дорожками 2 и алюминиевыми контактными площадками 3. Слой 7 термического оксида кремния, которым мостовая измерительная схема отделена от подложки 8 из монокристаллического кремния n-типа, и пассивирующий слой 9 оксида кремния, покрывающий поверхность кристалла 1 и мостовую измерительную схему, кроме алюминиевых контактных площадок 3, повышают работоспособность радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления в условиях жестких внешних воздействий (радиационных, температурных).
В предлагаемой конструкции устройства тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 p-типа и кремниевые токоведущие дорожки 4 изготавливаются селективным плазмохимическим травлением, позволяющим уменьшить неконтролируемое боковое подтравливание тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 p-типа и кремниевых токоведущих дорожек 4, и имеют профиль, близкий к вертикальному, то есть угол между ними и слоем 7 термического оксида кремния является прямым с отклонением не более 5°. Если угол между тонкопленочными кремниевыми тензорезисторами 5 p-типа и слоем 7 термического оксида кремния, а также угол между кремниевыми токоведущими дорожками 4 и слоем 7 термического оксида кремния выходит из диапазона от 85 до 95°, то происходит неконтролируемое изменение сопротивления мостовой измерительной схемы, что приводит к возрастанию начального разбаланса выходного сигнала мостовой измерительной схемы.
У прототипа присутствует неконтролируемое боковое подтравливание мостовой измерительной схемы, которое приводит к уменьшению площади контактирования мостовой измерительной схемы со слоем 7 термического оксида кремния, закрепленным на подложке 8, а также к неконтролируемому изменению сопротивления мостовой измерительной схемы и, соответственно, к возрастанию начального разбаланса выходного сигнала мостовой измерительной схемы.
Таким образом, использование селективного плазмохимического травления при изготовлении тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 и кремниевых токоведущих дорожек 4, обеспечивающего формирование прямого угла между стенками тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 p-типа и слоем 7 термического оксида кремния, а также прямого угла между стенками кремниевых токоведущих дорожек 4 и слоем 7 термического оксида кремния, позволяет повысить точностные параметры радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления за счет снижения начального разбаланса выходного сигнала мостовой измерительной схемы.