Емкостный преобразователь давления

(5)5 6 МИТЕТОТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР темой,ншкевич,А.И.ШульгаМ 4628400986.кобрит011 9 внии/12, еаЪ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Ленинградским.М.И. Калининаледовательский иных приборов(56) Патент СШАкл. 6 01 1. 9/1 Г,Заявка ВелиМ 2165652, кл. 6 л, %44ий политехнический институт и Всесоюзный научно-исснститут электроизмерительИзобретение относится к измерительной технике, а йменно к микромеханическим устройствам-датчикам, предназначенным для измерени неэлектрических величин электрическими методами.Известны конструкции и способ изготовления емкостного датчика давления, состоящего иэ верхней стеклянной пластины, кремниевой пл астины и нижней стеклянной. пластины, соединенных вместе методом электростатического соединения анодной сварки,Основным недостатком такой конструкции и способа соединения является невозможность обеспечения при электростатическом соединении герметичного соединения между кремниевой пластиной, в которой сформирована мембрана и первый электрод чувствительного элемента (ЧЭ), и стеклянной пластиной, имеющей на поверхности:лой металлизации, служащей ответным (вторым) электродом ЧЭ. Кроме того снижается надежность изделия из-за(54) ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ(57) Использование: изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью. Сущность: повышение точности и технологичности достигается тем. что на полупроводниковой мембране сформирован на диэлектрическом слое подвижный электрод, причем он соединен металлизированным проводником через отверстия, выполненные в диэлектрическом слое, с полупроводниковой областью в кремниевой подложке, имеющей другой тип проводимости. Это позволяет обойти металлизированный поясок. 2 ил,возможной коррозии металлизации не защищенной от влияния окружающей среды,Известна также конструкция преобразователя и способ его изготовления, согласно которым преобразователь включает двеосновные части - упругий элемент, сформированный в кремниевой пластине ориента- с,ции (100) и содержащей первую обкладкуконденсатора и стеклянную подложку(Согппд 61 азз 7070 и БспотТ 8284), на которой расположена вторая обкладка чувстви- СЛтельного к давлению конденсатора. Для 4обеспечения электрического контакта между проводящей областью стеклянной подложки и кремниевой пластиной встеклянной подложке выполнено углублеевйние, проходящее сквозь слой стекла докремниевой подложки. Часть проводящейметаллической пленки расположена над областью этого углубления,К недостаткам прототипа следует отне - сложность технологии изготовления:5 10 15 20 25 30 35 40 мембраны, по два отверстия в диэлектрическом покрытии к локальным ле-.гированным участкам и не менее одного к кремниевой подложке, замкнутой ме 50 55 а) при соединении стеклянной подложки с проводящей областью с кремниевым упругим элементом за счет толщины проводящей области возникает перекос при анодной сварке, который может быть устранен только при проведении дополнительных технологических операций, например вытравливания в кремнии под проводящую область выемки глубиной меньшей или равной толщине металлической пленки, что увеличивает трудоемкость изготовления;б) необходимость формирования в стекле сквозного отверстия, что усложняет конструкцию и, как следствие, трудоемкость изготовления;в) сложность формирования и обеспечения надежности контакта, что связано с размером сквозного отверстия и проводимостью кремния. Обеспечение надежности контакта требует увеличения размера сквозного отверстия, что увеличивает размеры конструкции;- для изготовления датчика используется только низкоомный полупровОдниковый материал, так как в противном случае резко возрастает сопротивление между проводящими слоями стеклянной подложки и кремниевой пластины,Целью изобретения является повышение точности и технологичности изготовления емкостного преобразователя давления,Цель достигается тем, что конструкция емкостного преобразователя давления помимо подвижного и неподвижного электродов и контактных площадок к ним содержит кремниевую порложку любого типа проводимости и различного удельного сопротивления со сформированной мембраной с диэлектрическим покрытием, локальные легированнь 1 е участки противоположного по отношению к кремниевой подложке типа проводимости и расположенные вне зоны таллизированный поясок, охватывающий мембрану и проходящий над локальными легированными участками и между отверстиями к ним и над отверстиями к кремниевой подложке обеспечивая электрический контакт с последней, первую контактную площадку неподвижного электрода между металлизированным пояском и мембраной, обеспечивающую электрический контакт со второй контактной площадкой неподвижного электрода, расположенной на стеклянной подложк,Предлагаемый емкостный преобразователь давления отличается от прототипа; 1) наличием локальных легированныхучастков с типом проводимости, противоположным типу проводимости кремниевойподложки, и расположенных вне мембраны;2) наличием замкнутого металлизированного пояска, охватывающего мембрану;3) наличием отверстия или отверстий вдиэлектрическом покрытии к кремниевойподложке для обеспечения электрическогоконтакта между металлизированным пояском и подложкой, что обеспечивает снижение рабочего напряжения приэлектростатическом соединении кремниевой и стеклянной подложек;4) исключением механических операций, например сверления и т,п5) возможностью создания многоэлектродного емкостного преобразователя,Такие признаки в известных источникахне обнаружены, что говорит об их новизне.Конструкция предлагаемого емкостногопреобразователя давления представлена нафиг.1, где дано поперечное сечение преобразователя; на фиг.2 - вид сверху на кремниевую подложку.Предлагаемый емкостный преобразователь давления содержит кремниевую подложку 1 с диэлектрическим покрытием 2, вкоторой сформирована выемка и мембрана3, на которой находится подвижный электрод 4 с металлизированным проводником4", вне мембраны имеются локальные легированные участки 5, отверстия б к легированным участкам, отверстие 7 к кремниевойподложке и металлизированный поясок 8,проходящий над отверстием 7 и между отверстиями б к легированному участку 5, перваяконтактная площадка 9 между металлизированным пояском и мембраной, а вне поверхности, ограниченной металлизированным пояском, расположены выводные контакные площадки 10 подвижного и неподвижного электродов длявнешнего присоединения емкостного преобразователя давления; кремниевая подложка 1 электростатически соединена состеклянной подложкой 11, на которой находится неподвижный электрод 12 с металлизированным проводником 12 и втораяконтактная площадка 13, которая при соединении должна совпасть с первой контактной площадкой 9 кремниевой подложки 1.При корпусировании ЧЭ емкостногопреобразователя давления может бытьприсоединен со стороны глубокой выемкимембраны непосредственно к корпусу илик стеклянной подложке, имеющей отверстие для соединения с внешней средой,давление которой измеряют, а затем к корпусу, 1778576Кремниевая подложка емкостного пре 0 образовэтеля давления разм "рам 88 мм сосформированными мембраной, локальнымилегированными зонами, подвижным электродом. металлизиравэнным пояском, металлизи рован ньчми проводниками и5 контактными площадками получалась послеразделения кремниевой пластины ф 76 мм нэотдельные чипы. Стеклянная подложка 11,нэ которой формировались неподвижныеэлектроды 12 металлизиравэнный провод 0 ник 12 и вторая контактная площадка 13изготавливались следующим образом,В качестве стеклянных подложек использовались стекла марки ЛКили "пирекс", Толщиной 1 мм на стекляннуюподложку методом вакуумного напылениянаносили проводящий слой из алюминияили хрома. Затем с помощью фоталитографлческага процесса формировали конфигурацию неподвижного электрода размером2,8 х 2,8 мм, металлизированный проводникразмерал 1,5 х 1,0 мм, соединяющий электрод и вторую контактную площадку размером 0.4 х 0,9 мм,Стеклянная подложка с металлизациейподваргалгсь обжигу при температуре450" С в теение 15 мин в атмосфере аргана,Кремниевая и стеклянная подложки соединяллсь между собой электростатическим способам при Т=400 С, Опр =400.1500В И=5 мА,После удаления боросиликатного стекла, в случае диффузионного легирования 4550 Емкостный преобразователь давленияизотваливали следуощим образом,В кремниевой подложке 1 толщиной380 мкм ориентации (100) марки КЭ Ф, уд,сопротивлением 0,30 м см формируют мембрану 3, при этом для измерения давлениядо 1 атм выемка с лицевой стороны подложки составляла 5-10 мкм, а с обратной стороны вытравливалась выемка глубиной 270мкм, которая была расположена под выемкой лицевой стороны; толщина мембраны 3,образованная обеими выемками, составляла 100 мкм.Для формирования мембраны 3 на абеповерхности кремниевой подложки наносилось диэлектрическое покрытие 2, либо окисел толщиной 1,2 мкм, полученныйгазофэзным осаждением, либо композиция,состоящая из пленок термического окислатолщиной 0,05 мкм, нитрида кремния 0.1 мкми осажденного окисла 0,3 мкм, С помощьюдвухсторонней фотолитографии или последовательных фотолитографий формировались впокрытии соответствующие отверстия (окна)для формирования мембраны,Травлением в энизотропном травителеКОН формировались выемки, лежащие другнад другом и образующие мембрану 3 размером 4,54,5 мм, Затем диэлектрическое покрытие удалялось, вновь Формировалосьдиэлектрическое покрытие - термлческийокисел - теамическим окисленлем при Т =1150 С для получения окисла толщиной О,б 1,0 мкм в атмосфере влажного кислорода, Вэтом окисле с помощью фатолитографического процесса вскрывались отверстия (окна), вкоторые проводилось легирование барампри Т = 950 С с последующей разгонколг приТ =-1050 С ва влажном кислороде для создания локальных легированных зон 5. имеющихтип проводимости, противоположный типупроводимости подложки,бором из жидкого или твердого источника, вновь проводилась термоабработка в окислительной атмосфере для формирования окисла над легированными областями. Затем с помощью фоталитагрэфического працесса формировались отверстия (окна) па два отверстия (акна) б к каждому локальному легированному участку и одно или несколько отверстий (окан) 7 к подложке, Для обеспечений лучшего электрического контакта на лицевуо поверхность кремниевой подлокки 1 методом вакуумного распыления наносили слой элю" 1 иния толщинаЙ 1,30,15 мкм, Этот проводящий слой падвергал 5 10 15 20 2 Г, 3 3 4 ся фоталитаграфическому процессу, в результате которого формировались подвижный электрод 4, расположенный на мембране, с металлизированным проводником 4, металлиэированный поясок 8, проходящий над отверстием 7 и между отверстиями 6 к локальным легированным участкам 5, Первую контактную площадку 9 между металлизированным пояском 8 и мембраной 3 вне проводимости ограничивают металлизированным пояском, выводятся контактные площадки 10. При этом следует отметить, что металлизированный поясок проходит между отверстиями 6 к локальным легированным участкам 5, не закорачивая отверстия 6 между собой, Размер проводящего (металлизированного) подвижного электрода имел размер 2,7 х 2,7 мм, размер проводника 1,5 х 1,0 мм, размер контактных площадок 0.5 х 1,0 м м.Все эти размеры могут быть и другими при использовании соответствующих шаблонов при фотолитографии.Для обеспечения адгезии и лучшего контакта к подложке и легированным областям проводилась термообработка А 1-слоя при Т = 450 С в течение 30 мин.1778576 ое руд Формула изобретения Емкостный преобразователь давления, содержащий кремниевую подложку, в которой выполнена за одно целое с ней мембрана, а на мембране сформирован подвижный электрод измерительного конденсатора, скрепленную с кремниевой подложкой стеклянную подложку, на которой сформированы выводная контактная площадка с металлизированным проводником, соединенным вторым своим концом с подвижным электродом, неподвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный с межэлектродным зазором от подвижного электрода, металлизированный поясок, охватывающий мембрану, и кремниевую подложку, причем выводная контактная площадка неподвижного электрода расположена вне поверхности, ограниченной металлизированным пояском, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и технологичности, в нем на кремниевой подложке и мембране под подвижным электродам. металлизированным проводником и контактными площадками сформирован диэлектрический слой, на котором между металлизированным пояском и мембраной выполнена первая контактная площадка, а вне поверхности. ограниченной металлизированным пояском, расположена выводная контактная площадка по движного электрода, на стекляннойподложке размещена вторая контактная площадка, соединенная металлизированным проводником с неподвижным электродом, в диэлектрическом слое под вторым 10 концом металлизированного проводника,первой контактной площадкой, выводными контактными площадками и металлизированным пояском выполнены отверстия, а в кремниевой подложке - участки с проводи мостью другого типа, чем в ней, причем через эти участки и через отверстия первая контактная площадка неподвижного электоода и второй конец металлизированного проводника соединены соответственно с 20 выводной контактной площадкой неподвижного электрода и выводной контактной площадкой подвижного электрода, стеклянная подложка скреплена по своей периферии с металлизированным пояском, а 25 первая и вторая контактные площадки неподвижного электрода скреплены между собой..Максимишин ГКНТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 4185 ВНИИПИ Госу Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5