Интегральный полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления

1 з) А 1 ельству СОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57 у Использование; изобретение относится к рительной технике и может быть использова измерении давления жидкостей и газов. изобретения - увеличение точности и чувств ности преобразователя и повышение техно ности его изготовления Сущность изобр профилированная мембрана преобразовате разована плоской пластинкой 1 и рамкой 2, ненными из одинакового монокристалли материала, при совпадении их эквивалентны таллографических направлений. Пластинк рамка 2 могут быть скреплены различными бами: диффузионной сваркой в вакууме как средственно, так и через более легкоплав слойку, а также тонким слоем связующего, мер стеклоцементом, клеем и т.д. 2 с. и 2 лы,3 ил. СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СС 1) ОПИСАНИЕ ИЗО авто скому с(71) Научно-прдизводственное обьединение по автоэлектронике и автотракторному электрооборудованию; Научно-исследовательский институт материаловедения им,Малинина; Научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения(56) Авторское свидетельство СССР й 1580190, кл 6 01 3. 9/04, 1987.Заявка ФРГ й 3616308, кл. 8 011. 9/06, 198.Авторское свидетельство СССР й 93425, кл.6 011. 9/04, 1982.(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКО - ВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПО 19) ЯЦ (и) 183591351) 6 О О)А.Й 04 измена приЦепьитсль- логичетения.ля об- выполеского х криса 1 и спосо- непокую про- напри- фИзобретение относится к технике измерения постоянного или переменного давления газообразных и жидких веществ с помощью тензорезисторных датчиков давления.Изобретение направлено на увеличение точности и чувствительности преобразователя и повышение технологичности его изготовления.На .Фиг.1 изображен преобразователь со сварной мембраной, осевой разрез; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг,3 - преобразователь, скрепленный стеклоцементом.Конструкция мембран и тензорезисторов, их кристаллографическая ориентация, как и ориентация тензорезисторов на мембране, известны поэтому здесь описаны только особенности, вызванные предложенным изобретением, т.е. скреплением мембраны йз отдельных деталей. К краю плоской пластинки 1 жестко, прочно и герметично приварена рамка 2, образующая утолщенное периферииное основание мембраны. Рамка 2 выполнена из того же материала, что и пластинка 1, в данном примере .как у прототипа, из монокристаллического сапфира. Однако, если пластинка 1 выполнена из кремния (карбида кремния и т.д.), то и рамка 2 выполнена из кремния (карбида кремния и т,д.). Квадратная рамка 2 выполнена с той же кристаллографической ориентацией, что. и пластинка 1, в данном примере - в плоскости (1 102), причем диагональ рамки 2 ориентирована в направлении (1 Т 011, Рамка 2 скреплена с пластиной 1 так, что их эквивалентные направления, в данном примере -(1101) совмещены, На прогибной части 3 выполнены тензорезисторы 4, соединенные металлизированными площадками 5 в измерительную схему, в данном случае - мостовую. Таким образом, рамка 2 с пластинкой 1 скреплены своими эквивалентными плоскостями (свойства которых одинаковы) при совпадении эквивалентных направлений и образуют единую деталь с точки зрения ее механических свойств, поэтому такая сварная мембрана имеет свойства цельной монокристаллической мембраны.Рамка 2 может быть скреплена с пластинкой 1 прослойкой 6 связующего, например стеклоцемента или клея, образуя слоеную профилированную мембрану (фиг,З). Тонкая прослойка 6 практически не сйижает свойства слоеной мембраны по сравнению со сварной, ибо прослойка 6 находится между деталями 1 и 2 с одинаковымй свойствами и в значительной степени воспринимает их свойства, т,к. атомы прослойки 6 находятся под одинаковым влиянием атомов пластинки 1 и рамки 2, Например,иной температурный коэффициент линейного расширения материала прослойки 6 невызывает термомеханических напряженийв деталях 1 и 2. Площадки 5 служат такжедля подсоединения к электрической измерительной системе (не показана). Если неиспользовать анизотропию деталей 1 и 2для особых случаев, то оптимальной ориен"0 тацией для них является изотропная плоскость, например (0001) для сапфира, чтоисключает необходимость ориентации вэтой плоскости, а следовательно, и погрешности преобразователя, вызванные погреш 15 ностями ориентации. На плоскости (0001)сапфира тензореэисторы могут быть сформированы только в плоскости (111), котораятакже изотропна, следовательно, возможнодополнительное уменьшение погрешности20 преобразователя, Рамка 2 может иметь различную форму, например, круглую, прямоугольную и т.д. и располагаться на любойстороне пластинки 1, На пластинке 1 можетбыгь несколько рамок 2, как на одной, так ина обеих ее сторонах, а также жесткий центрили "островки" на прогибной части,Способы изготовления иллюстрируютсяследующими примерами,Изготовление по п,2 формулы изобрете 30 ния,Операции изготовления мембран и тензореэисторов, диффузионной сварки в вакуум, скрепления монокристаллическихдеталей связующими материалами, наприЗ 5 мер стеклоцементом, известны, поэтомуздесь описаны только особенности, вызванные соединением мембраны из отдельныхдеталей.Кристаллографически ориентирован 40 ной резкой монокисталлического слиткасапфира, например, по плоскости (1102)получают заготовку первого элемента в виде пластины, из которой будут выполненыэлементы 1, ее плоскости шлифуют и пол"5 ируют. Из того же(или такого же) слитка также получают заготовки второго элемента в. виде пластины, толщиной, равной толщинерамки 2 (с припуском на обработку), вырезают в ней группу окон заданного размера на50 заданном расстоянии друг от друга и критсталлографически ориентированных, например, диагональю квадратного окна внаправлении(11011, т.е, изготавливают многооконный второй элемент. Окно является55 внутренним размером рамки 2, Механическая обработка по плоскости, в т.ч. прорезание окон, являются простыми операциями,что существенно повышает технологичность изготовления преобразователя, причем все размеры пластинки 1 и рамки 2получаются с наивысшей точностью, поэтому толщина и форма прогибной части 3 получаются с очень небольшими допусками.Особенно выгоден этот способ притруднообрабатываемых монокристаллах 5(сапфира, карбида кремния и т,д.) однако ипри других материалах он перспективен,ибо позволяет получить более точную формупрогибной части 3, чем, например, анизотропным травлением кремния. 10Вторую пластину совмещают с первойпри совпадении их эквивалентных направлений и скрепляют их, например сваривают,т,е, изготавливают сварную пластину, послечего на плоской стороне сварной пластины 15наращивают эпитаксиальный слой кремния,Из этого слоя травлением групповым методом формируют тензорезисторы 4 и соединяют их напылением металлизированныхплощадок 5 в измерительные схемы. Затем 20сварную пластину разделяют на отдельныепреобразователи известными способами,например с помощью механической или лазерной резки, Разделение облегчается, еслина месте границ между будущими преобразователями в первой и второй пластинахбыли сделаны незамкнутые прорези иликанавки (в т,ч. замкнутые). В этом случаеразделение может быть выполнено оазмыванием, ибо деформацией при размэлывании не передэдутся нэ прогибные части и невыведут их из строя, так как они защищеныжесткими рамками 2,Этим способом можно изготавливатьпрофилированные мембраны других форм, 35например, с жестким центром, с жесткими"островками" и т,д,Изготовление упрощается, если заготовки 1-й и 2-й пластины вырезают в изотропкой плоскости (в плоскости (0001) для 40сапфира); в этом случае отпадают все последующие операции кристаллографическойориентации, даже для тензорезисторов 4,ибо эпитаксиальный слой кремния наращивается только в плоскости - (111),т.е, в изотропной плоскости,Изготовление преобразователя по п,3формулы изобретения.Первую пластину изготавливают описанными операциями. Рамки 2 изготавлива1 от путем поперечной резки трубки,выращенной по методу Степанова из тогоже материала, что первая пластина, по плоскостям, эквивалентным плоскости первойпластины. Форма поперечного сечения 55трубки должна соответствовать форме рамки 2 с учетом того, что резка трубки не обязател ьно должна быть пер пенди куля р нойоси трубки, резка обязательна по эквивалентной плоскости, т.е. она может быть под углом к оси трубки. Внутренним поверхно стям рамки 2 может быть придана расчет ная форма и размеры. Рамки помещаютгнезда плиты, накладывают на 1-ю пласти. ну и скрепляют их с 1-й пластиной. Затем производят те же операции, что и в способе по п.2. По этому способу можно изготавли. ватьотдельную профилированную мембра. ну, скрепляя одну пластину 1 с одной рэ ой 2,Изготовление по и. 4 формулы изобретения.Наилучшее качество преобразователя получается при соединении 1-й и 2-й пластин или 1 пластины с рамками 2 диффузионной сваркой в вакууме, для чего их помещают в вакуумную камеру соответствующей установки, сжимают до контактного давления (1-2) кгс/мм и нагревают до при 2близительно 0,7 от абсолютной температуры плавления, т.е, до 1600 К, Остальные операции такие же, как описано выше, При этом способе сварные мембраны имеютточные размеры, что повышает точность преобразователя. Диффузионную сварку в вакууме можно выполнить с помощью легкоплавких прослоек 6 между 1-й и 2-й пластинами, например, если на скрепляемых поверхностях этих пластин нарастить эпитаксиальные слои кремния. Поскольку сварку ведут при температуре, составляющей 0,7 от температуры плавления свариваемых материалов, а температура плавления кремния 1690 К, поэтому сваривать можно при 1180 К, а не при 1600 К (при сваривании сапфира с сапфиром), что позволяет снизить расход энергии. Кроме того, можно сначала изготовить тенэорезисторы 4 с площадками 5 из металла с температурой плавления между 1200 и 1600 К(или сначала без площадок 5), а потом приварить 2-ю пластину к 1-й пластине с любой стороны, ибо при 1180 К слой кремния не будет плавиться,Более просто изготовление слоеных преобразователей (фиг. 3), Для этого сначала формируют на первой пластине тенэорезисторы и соединяют их в измерительную схему, а затем скрепляют с ней с помощью связующего, например стеклоцементом или клеем, вторую пластину с окнами или отдельные рамки при совмещении эквивалентных направлений. При этом скрепление должно происходить при температуре ниже температуры соединения тензорезисторов в схему, чтобы не вывести ее из строя, Коли чество материала для прослойки 6 должно быть минимальным, чтобы он не попал нэ край прогибной части 3, а удерживался бы1835913 5 10 15 20 25 силами смачивания между пластинкой 1 и рамкой 2.По этому способу возможно крепление рамки 2 на любой стороне пластинки 1 - на стороне со схемой или на противоположной, Такая технология перспективна и для изготовления других профилированных деталей из труднообрабатываемых материалов, например для изготовления упругочувствительных элементов различных датчиков. Работа преобразователя.Преобразователь может быть установлен в стенке камеры, герметично закрыв в ней отверстие своим утолщенным основанием, тогда с его помощью можно измерять разность давлений по обе стороны этой стенки. Преобразователь может быть установлен в корпусе датчика давления, например, как в прототипе. В обоих типах конструкций он может быть присоединен любой стороной, как непосредственно рамкой 2, так и краем пластинки 1, Оптимальной схемой крепления преобразователя является такая, при которой мембрана во время работы давлением прижата к месту ее крепФормула изобретения ИНТЕГРАЛЬНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ1. Интегральный полупроводниковый . преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, на которой выполнены тензорезисторы, соединенные металлизированными площадками в измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью , увеличения точности и чувствительности, в нем утолщенное периферийное основание мембраны образовано введенной в преобразователь рамкой, выполненной из материала и с кристаллографической ориентацией, идентичными материалу и ориентации мембраны и закрепленной по периферии мембраны, причем эквивалентные кристаллографические направления рамки и мембраны совмещены. 2, Способ изготовления интегрального полупроводникового преобразователя давления, включающий изготовление первого элемента в виде пластины путем разрезания монокристаллического слитка, механическую обработку путем ления, а следовательно, прослойка 6 работает на сжатие. Работа преобразователя давления известна, поэтому здесь описаны только ее особенности, вызванные отличительными признаками, Благодаря точным размерам прогибной части 3 ее толщина постоянна, тензорезисторы 4 расположены в расчетном положении относительно внутреннего контура рамки 2, поэтому они работают в расчетных режимах, что и обеспечивает точность. Также благодаря равной толщине прогибной части она может изготавливаться меньшей толщины без риска образования в ней отверстий или прорыва измеряемым давлением, что повышает чувствительность преобразователя. Кроме того, ступенчатое изменение толщины мембраны по внутреннему контуру рамки 2 обеспечивает увеличение деформаций по краю прогибной части 3, где размещены тензорезисторы 4, что также увеличивает чувствительность.Простота технологии, вызывающая повышение точности и чувствительности преобразователя, ставит его в ряд наиболее перспективных датчиков давления,шлифования и полирования поверхностей пластины, формирование на повер хности пластины тензореэисторовсоединение их металлизирован ными площадками в измерительную схему и формирование отдельных мембранных модулей, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, из монокристалла изготавливают многооконный второй элемент, подвергают его аналогичной механической обработке, совмещают первый и второй элементы по эквивалентным направлениям и жестко соединяют их полированными поверхностями, после чего формируют .тензорезисторы над окнами второго 45 элемента.. тем, что при изготовлении многооконного второго элемента изготавливают монокристалличес кую трубку и разрезают 50 ее на рамки по кристаллографическимплоскостям, эквивалентным кристаллографической плоскости первого элемента.4. Способ по пп,2 и 3, отличающийся тем, что соединение первого и второго элементов осуществляют при помощи диффузионной сварки в вакууме.1835913 Составитель И.Смысл Техред М.Моргентал орректор А.Обр узнецо едакто Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 аз 795 атент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Произв ьский комбин нно-и