RU1778576C - Емкостный преобразователь давлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение может быть использовано дл  измерени  давлени  с повышенной точностью. Сущность: повышение точности и технологичности достигаетс  тем, что на полупроводниковой мембране сформирован на диэлектрическом слое подвижный электрод, причем он соединен металлизированным проводником через отверсти , выполненные в диэлектрическом слое, с полупроводниковой областью в кремниевой подложке, имеющей другой тип проводимости. Это позвол ет обойти металлизированный по сок. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, именно к микромеханическим устройствам-датчикам, предназначенным дл  измерени  неэлектрических величин электрическими методами.

Известны конструкции и способ изготовлени  емкостного датчика давлени , состо щего из верхней стекл нной пластины, кремниевой пластины и нижней стекл нной пластины, соединенных вместе методом электростатического соединени  анодной сварки.

Основным недостатком такой конструкции и способа соединени   вл етс  невозможностьобеспечени при электростатическом соединении герметичного соединени  между кремниевой пластиной , в которой сформирована мембрана и первый электрод чувствительного элемента (ЧЭ). и стекл нной пластиной, имеющей на поверхности олой металлизации, служащей ответным (вторым) электродом ЧЭ. Кроме того снижаетс  надежность издели  из-за

возможной коррозии металлизации не защищенной от вли ни  окружающей среды,

Известна также конструкци  преобразовател  и способ его изготовлени , согласно которым преобразователь включает две основные части -упругий элемент, сформированный в кремниевой пластине ориентации (100) и содержащей первую обкладку конденсатора и стекл нную подложку (Corning Glass 7070 и Schoft 8284), на которой расположена втора  обкладка чувствительного к давлению конденсатора. Дл  обеспечени  электрического контакта между провод щей областью стекл нной подложки и кремниевой пластиной в стекл нной подложке выполнено углубление , проход щее сквозь слой стекла до кремниевой подложки. Часть провод щей металлической пленки расположена над областью этого углублени ,

К недостаткам прототипа следует отнести:

- сложность технологии изготовлени :

VI VI

00

ел

Ч|

а)при соединении стекл нной подложки с провод щей областью с кремниевым упругим элементом за счет толщины провод щей области возникает перекос при анодной сварке, который может быть устранен только при проведении дополнительных технологических операций, например вытравливани  в кремнии под провод щую область выемки глубиной меньшей или равной толщине металлической пленки, что увеличивает трудоемкость изготовлени ;

б)необходимость формировани  в стекле сквозного отверсти , что усложн ет конструкцию и, как следствие, трудоемкость изготовлени ;

в)сложность формировани  и обеспечени  надежности контакта, что св зано с раз- мером сквозного отверсти  и проводимостью кремни . Обеспечение надежности контакта требует увеличени  размера сквозного отверсти , что увеличивает размеры конструкции;

-дл  изготовлени  датчика используетс  только низкоомный полупроводниковый материал, так как в противном случае резко возрастает сопротивление между провод щими сло ми стекл нной подложки и кремниевой пластины.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и технологичности изготовлени  емкостного преобразовател  давлени ,

Цель достигаетс  тем, что конструкци  емкостного преобразовател  давлени  помимо подвижного и неподвижного электродов и контактных площадок к ним содержит кремниевую подложку любого типа проводимости и различного удельного сопротивлени  со сформированной мембраной с диэлектрическим покрытием, локальные легированные участки противоположного по отношению к кремниевой подложке типа проводимости и расположенные вне зоны мембраны, по два отверсти  в диэлектрическом покрытии к локальным легированным участками Не менее одного к кремниэзой подложке, замкнутой металлизированный по сок, охватывающий мембрану и проход щий над локальными легированными участками и между отверсти ми к ним и над отверсти ми к кремниевой подложке обеспечива  электрический контакт с последней, первую контактную площадку неподвижного электрода между металлизированным по ском и мембраной, обеспечивающую электрический контакт со второй контактной площадкой неподвижного электрода, расположенной на стекл нной подложки.

Предлагаемый емкостный преобразователь давлени  отличаетс  от прототипа

1) наличием локальных легированных участков с типом проводимости, противоположным типу проводимости кремниевой подложки, и расположенных вне мембраны;

52) наличием замкнутого металлизированного по ска, охватывающего мембрану; 3) наличием отверсти  или отверстий в диэлектрическом покрытии к кремниевой подложке дл  обеспечени  электрического

0 контакта между металлизированным по ском и подложкой, что обеспечивает снижение рабочего напр жени  при электростатическом соединении кремниевой и стекл нной подложек;

5 4) исключением механических операций , например сверлени  и т.п.;

5) возможностью создани  многоэлектродного емкостного преобразовател . Такие признаки в известных источниках

0 не обнаружены, что говорит об их новизне. Конструкци  предлагаемого емкостного преобразовател  давлени  представлена на фиг.1, где дано поперечное сечение преобразовател ; на фиг.2 - вид сверху на крем5 ниевую подложку.

Предлагаемый емкостный преобразователь давлени  содержит кремниевую подложку 1 с диэлектрическим покрытием 2, в которой сформирована выемка и мембрана

0 3, на которой находитс  подвижный электрод 4 с металлизированным проводником 4 , вне мембраны имеютс  локальные легированные участки 5, отверсти  б к легированным участкам, отверстие 7 к кремниевой

5 подложке и металлизированный по сок 8, проход щий над отверстием 7 и между отверсти ми 6 к легированному участку 5, перва  контактна  площадка 9 между металлизированным по ском и мембраной, а вне повер0 хн-ости, ограниченной металлизированным по ском, расположены выводные контакные площадки 10 по-- движного и неподвижного электродов дл  внешнего присоединени  емкостного пре5 образовател  давлени ; кремниева  подложка 1 электростатически соединена со стекл нной подложкой 11, на которой находитс  неподвижный электрод 12 с металлизированным проводником 12а и втора 

0 контактна  площадка 13, котора  при соединении должна совпасть с первой контактной площадкой 9 кремниевой подложки 1. При корпусировании ЧЭ емкостного преобразовател  давлени  может быть

5 присоединен со стороны глубокой выемки мембраны непосредственно к корпусу или к стекл нной подложке, имеющей отверстие дл  соединени  с внешней средой, давление которой измер ют, а затем к корпусу .

Емкостный преобразователь давлени  изготавливали следующим образом.

В кремниевой подложке 1 толщиной 380 мкм ориентации (100) марки КЭФ, уд.сопротивлением 0,30 м- см формируют мем- брану 3, при этом дл  измерени  давлени  до 1 атм выемка с лицевой стороны подложки составл ла 5-10 мкм, а с обратной стороны вытравливалась выемка глубиной «270 мкм, котора  была расположена под выем- кой лицевой стороны: толщина мембраны 3, образованна  обеими выемками, составл ла 100 мкм.

Дл  формировани  мембраны 3 на обе поверхности кремниевой подложки наноси- лось диэлектрическое покрытие 2, либо окисел толщиной 1,2 мкм, полученный газофазным осаждением, либо композици , состо ща  из пленок термического окисла толщиной 0,05 мкм, нитрида кремни  0.1 мкм и осажденного окисла 0,3 мкм. С помощью двухсторонней фотолитографии или последовательных фотолитографий формировались в покрытии соответствующие отверсти  (окна) дл  формировани  мембраны.

Травлением в анизотропном травителе КОН формировались выемки, лежащие друг над другом и образующие мембрану 3 размером 4,54,5 мм. Затем диэлектрическое покры- тие удал лось, вновь Формировалось диэлектрическое покрытие - термический окисел термическим окислением при Т 1150°С дл  получени  окисла толщинойл 0,6- 1,0 мкм в атмосфере влажного кислорода. В этом окисле с помощью фотолитографически- го процесса вскрывались отверсти  (окна), в которые проводилось легирование бором при Т 950°С с последующей разгонкой при Т 1050°С во влажном кислороде дл  создани  локальных легированных зон 5. имеющих тип проводимости; противоположный типу проводимости подложки.

После удалени  боросиликатного стекла , в случае диффузионного легировани  бором из жидкого или твердого источника, вновь проводилась термообработка в окис- лительной атмосфере дл  формировани  окисла над легированными област ми. Затем с помощью фотолитографического про- цесса формировались отверсти  (окна) по два отверсти  (окна) и к каждому локальному легированному участку и одно или несколько отверстий (окон) 7 ; подложке, Дл  обеспечени  лучшего электрического кон- такта на лицевую поверхность кремниевой подложки 1 методом вакуумного распылени  наносили слой алюмини  толщиной 1,3± 0,15 мкм, Этот провод щий слой подвергалс  фотолитографическому процессу, в результате которого формировались подвижный электрод 4, расположенный на мембране, с металлизированным проводником 4а, металлизированный по сок 8, прохо- д щий над отверстием 7 и между отверсти ми 6 к локальным легированным участкам 5. Первую контактную площадку 9 между металлизированным по ском 8 и мембраной 3 вне проводимости ограничивают металлизированным по ском, вывод тс  контактные площадки 10. При этом следует отметить, что металпизированный по сок проходит между отверсти ми 6 к локальным легированным участкам 5, не закорачива  отверсти  6 между собой. Размер провод щего (металлизированного) подвижного электрода имел размер 2,7х 2,7 мм, размер проводника 1,5 х1,0 мм, размер контактных площадок 0.5 х1,0 мм.

Все эти размеры могут быть и другими при использовании соответствующих шаблонов при фотолитографии.

Дл  обеспечени  адгезии и лучшего контакта к подложке и легированным област м проводилась термообработка Al-сло  при Т 450°С в течение 30 мин.

Кремниева  подложка емкостного преобразовател  давлени  рэзмзром 88 мм со сформированными мембраной, локальными легированными зонами, подвижным электродом металлизированным по ском, металлизированными проводниками и контактными площадками получалась после разделени  кремниевой пластины/ 7Q мм на отдельные чипы. Стекл нна  подложка 11, на которой формировались неподвижные электроды 12 металлизированный проводник 12а и втора  контактна  площадка 13 изготавливались следующим образом.

В качестве стекл нных подложек использовались стекла марки ЛК-105 или пи- реке. Толщиной 1 мм на стекл нную подложку методом вакуумного напылени  наносили провод щий слой из алюмини  или хрома. Затем с помощью фотолитографического процесса формировали конфигурацию неподвижного электрода размером 2,8 х2,8 мм, металлизированный проводник размером 1,5х 1,0 мм, соедин ющий электрод и вторую контактную площадку размером 0.4х 0.9 мм.

Стекл нна  подложка с металлизацией подвергалась обжигу при температуре 450°С в течение 1Б мин в атмосфере аргона.

Кремниева  и стекл нна  подложки соедин лись между собой электростатическим способом приТ 400°С, Unp 400-1500 В и I 5 мА.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Емкостный преобразователь давлени , содержащий кремниевую подложку, в которой выполнена за одно целое с ней мембрана , а на мембране сформирован подвижный электрод измерительного конденсатора, скрепленную с кремниевой подложкой стекл нную подложку, на которой сформированы выводна  контактна  площадка с металлизированным проводником, соединенным вторым своим концом с подвижным электродом, неподвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный с межэлектродным зазором от подвижного электрода, металлизированный по сок, охватывающий мембрану, и кремниевую подложку, причем выводна  контактна  площадка неподвижного электрода расположена вне поверхности, ограниченной металлизированным по ском, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  точности и технологичности, в нем на кремниевой подложке и мембране под подвижным электродом , металлизированным проводником и контактными площадками сформирован диэлектрический слой, на котором между металлизированным по ском и мембраной

   выполнена перва  контактна  площадка , а вне поверхности, ограниченной металлизированным по ском, расположена выводна  контактна  площадка подвижного электрода, на стекл нной подложке размещена втора  контактна  площадка, соединенна  металлизированным проводником с неподвижным электродом , в диэлектрическом слое под вторым

   концом металлизированного проводника, первой контактной площадкой, выводными контактными площадками и металлизированным по ском выполнены отверсти , а в кремниевой подложке - участки с проводимостью другого типа, чем в ней, причем через эти участки и через отверсти  перва  контактна  площадка неподвижного электрода и второй конец металлизированного проводника соединены соответственно с

   выводной контактной площадкой неподвижного электрода и выводной контактной площадкой подвижного электрода, стекл нна  подложка скреплена по своей периферии с металлизированным по ском, а

   перва  и втора  контактные площадки неподвижного электрода скреплены между собой .

   &

   ,/ /, /, 7- /- - , / / / / Л / / # / /, V////S7r779r// У///

   /2

   /г

   3/3

   /г

   и

   ZZ

   tfr/S/TjL

   сриг.1

   N