ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Название	ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Разработчик (Авторы)	Соколов Леонид Владимирович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2609223
Дата регистрации	08.10.2015
Правообладатель	Акционерное общество "Научно-исследовательский институт авиационного оборудования"
Область применения (класс МПК)	G01L 9/04 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения неэлектрических величин, а именно к тензорезисторным датчикам абсолютного давления на основе кремний-на-изоляторе (КНИ) микроэлектромеханической системы.

Известен микроэлектронный датчик абсолютного давления (пат. РФ №2362133), который содержит металлостеклянный корпус с металлической трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из пластины-основания с гермовыводами и крышки, многоэлементный чувствительный элемент, приклеенный к пластине-основанию в ее квадратное углубление с отверстием, соединенным с трубкой для подвода измеряемого давления. Чувствительный элемент давления (ЧЭД) образован двумя кремниевыми пластинами. В первой пластине (кремниевая пластина интегрального преобразователя давления) с одной (рабочей) стороны сформирован измерительный мост из диффузионных тензорезисторов, изолированных от подложки обратно смещенным р-n переходом, с другой (нерабочей) стороны - трапецеидальное углубление, ограниченное тонкой мембраной. Во второй пластине (кремниевая защитная крышка чувствительного элемента) сформирована полость для создания вакуумной камеры после герметичного соединения с верхней стороной первой пластины. Кроме этого, вторая пластина защищает специально созданные высоколегированные области р+-типа проводимости (проводящие полоски) на рабочей стороне первой пластины от воздействия внешней среды. Соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью промежуточных высоколегированных областей р+-типа проводимости. Высоколегированные промежуточные области р+-типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть кремниевого основания. Углубление в основании корпуса обеспечивает расположение в одной плоскости контактных площадок чувствительного элемента и траверсов гермовыводов для возможности выполнения микроконтактирования. Электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой обеспечивается через гермовыводы перемычками из микропроволоки. Крышка герметично соединяется с пластиной-основанием корпуса датчика в атмосфере сухого воздуха или инертного газа или заполняется другой газообразной антикоррозионной средой. При этом чувствительный элемент абсолютного давления и выводы от него к траверсам защищены от воздействия внешней среды.

К недостаткам конструкции аналога можно отнести:

1. Электрическое соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью переходных высоколегированных областей р+-типа проводимости, поскольку при этом внедрение акцепторных атомов легирующей примеси высокой концентрации в структуру монокремния обуславливает возникновение напряжений, предающихся в область мембраны и релаксирующих случайным образом, особенно в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, характерных для авиационно-космической техники. В результате этого может возникать временная нестабильность датчика. Кроме этого, временная нестабильность может быть обусловлена токами утечки через обратно смещенные р-n переходы, изолирующие тензорезисторы от подложки. При этом снижается тензочувствительность.

2. Возможность утечки газообразной среды из герметичной полости внутри корпуса.

3. Приклеивание ЧЭД к основанию корпуса обуславливает нестабильность и низкую надежность.

4. Ненадежность проволочных перемычек между контактами ЧЭД и траверсами.

5. Конструкцией датчика не обеспечивается развязка от передачи напряжений корпуса датчика на тензорезисторы.

За прототип принят известный датчик абсолютного давления фирмы MEMSCAP (SP82 User Manual, Doc. 0207, 2006, pp. 14) с чувствительным элементом из семейства сенсоров четвертого поколения типа SP82. Датчики фирмы MEMSCAP применяются в аэрокосмической, оборонной и других отраслях промышленности, включая авиапромышленность России. Тензорезисторный датчик абсолютного давления содержит металлостеклянный корпус со стеклянной трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из пластины-основания с гермовыводами и крышки, внутри которого на торцевой поверхности стеклянной трубки (пьедестале) закреплен многоэлементный чувствительный элемент, состоящий из трех монокристаллических кремниевых пластин, жестко соединенных между собой и с поверхностью пьедестала стеклянной фриттой.

Средняя пластина р-типа проводимости с тонкой мембраной с рабочей стороны, в приповерхностном слое которой сформирован измерительный мост Уинстона из диффузионных тензорезисторов n-типа проводимости, а с противоположной - трапецеидальная выемка, ограниченная тонкой мембраной, является чипом тензопреобразователя, а трапецеидальная выемка в ней - приемником измеряемого давления. Трапециедальная выемка на нижней стороне верхней пластины образует с поверхностью на рабочей стороне средней пластины герметичную вакуумную камеру. Верхняя пластина защищена металлическим колпачком. Для снижения напряжений, передаваемых на чип тензопреобразователя через корпус датчика, нижняя пластина имеет сравнительно большую толщину и опирается не по всей плоскости, а только на торцевую поверхность стеклянного пьедестала и на специальные выступ в пластине-основании. В нижней пластине сформирован сквозной канал, соединяющийся с приемником давления в средней пластине. Электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой обеспечивается через гермовыводы микросваркой золотых перемычек.

К недостаткам прототипа и аналогов следует отнести: невысокие надежность и временная стабильность, ограниченный температурный диапазон эксплуатации, чувствительность к радиации. Эти недостатки обусловлены, прежде всего, физико-технологическими особенностями полупроводниковых преобразователей датчиков, в частности тензопреобразователей, у которых тензорезисторы и проводники электрической цепи сформированы методами диффузии или ионной имплантации легирующих примесей в локальных областях монокристаллической подложки, а изоляция их от подложки обратно смещенным электрическим р-n переходом - не совершенна. Возникающие дефекты дислокации в процессе локальной диффузии или ионной имплантации в монокристаллах, например, кремния являются основными причинами деградации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов, включая датчики, и их временной нестабильности. И прежде всего, для датчиков авиационно-космической техники, функционирующих в жестких условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, ускоряющих процессы деградации. Несовершенство изоляции обратно смещенным электрическим р-n переходом приводит к возникновению шунтирующего тока утечки I₀, экспоненциально возрастающего с повышением температуры [3]:

где

I₀ - обратный ток через переход,

n_i - концентрация собственных носителей заряда,

ΔЕ₃ - ширина запрещенной зоны,

k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура.

Температурная зависимость тока утечки также является причиной временной нестабильности и ограничения верхнего предела рабочей температуры величиной +125°С для кремниевых тензопреобразователей, у которых изоляция от подложки обеспечивается обратно смещенным электрическим р-n переходом.

К другим причинам нестабильности и ненадежности можно отнести возможность образования микротрещин в переходной области спая металл-стекло гермовыводов и центров зарождения релаксирующих напряжений, а также обрывы микропроволочных перемычек. Вероятность этих событий повышается в жестких условиях эксплуатации самолетов при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как удары и вибрации в период всего ресурса самолета (до 30 тыс. часов). Попадание легкоплавкого стекла в процессе склеивания ЧЭД на мембрану или контактные площадки также может быть причиной нестабильности и ненадежности.

Согласно известных патентов РФ №2474007 и №2478193 (аналоги) применение в датчиках абсолютного давления КНИ чувствительного элемента с монокристаллическими тензорезисторами, взамен диффузионных тензорезисторов на кремниевой подложке, позволяет увеличить чувствительность и повысить воспроизводимость начального выходного сигнала датчика. Сущность изобретений: чувствительный элемент преобразователя давления на КНИ-структуре содержит основание из монокристаллического кремния, первый изолирующий слой с окном в нем, слой упругого материала, второй изолирующий слой, по крайней мере, один тензорезистор и контакты к тензорезистору. Окно в первом изолирующем слое по всему периметру окружено первым изолирующим слоем. Слой упругого материала расположен на первом изолирующем слое и перекрывает окно в первом изолирующем слое по всему его периметру. Основание, первый изолирующий слой и слой упругого материала в месте расположения окна образуют герметичную камеру. Тензорезистор расположен частично между первым изолирующим слоем и слоем упругого материала, частично на поверхности слоя упругого материала над окном. Второй изолирующий слой разделяет тензорезистор и слой упругого материала. Тензорезистор выполнен из монокристаллического кремния. На части тензорезистора, расположенной на поверхности слоя упругого материала над окном и не покрытой вторым изолирующим слоем, расположен третий изолирующий слой, толщина которого составляет не более 0,2 и не менее 0,01 от толщины тензорезистора.

К недостаткам этих аналогов следует отнести:

1. Более высокая основная погрешность для датчиков на основе тензопреобразователей с пленочной мембраной (аналог) по сравнению с тензопреобразователями на основе монокристаллической мембраны [2].

2. Сложность конструкции ЧЭД преобразователя, что обуславливает его невысокую технологичность.

Целью настоящего изобретения является повышение временной стабильности и надежности, расширение диапазона рабочей температуры датчика, снижение его чувствительности к воздействию гамма-радиации.

Эта цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике абсолютного давления, содержащем корпус с трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из металлической пластины-основания и металлической крышки, внутри которого имеется электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой и жестко закреплен чувствительный элемент абсолютного давления, состоящий из чипа тензопреобразователя с измерительным мостом Уинстона, стеклянного пьедестала и вакуумированной полости, чип тензопреобразователя выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, причем в верхней сформирована монолитная тензорамка, а в нижней сформированы трапециевидная выемка и мембрана, образующие вакуумированную полость в результате герметичного соединения чипа тензопреобразователя с пьедесталом по полоске на периметре пьедестала, при этом пьедестал выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен в посадочном месте на пластине-основании, выполненном в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем, а монолитная тензорамка состоит из четырех объемных тензорезисторов равной длины и равного сечения, образующих измерительный мост Уинстона; трубка для подвода измеряемого давления установлена в крышке корпуса со стороны рабочей поверхности чипа тензопреобразователя; электрическая цепь коммутации выполнена в виде гибкого шлейфа на основе полиимидной пленки, который ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, а на другом конце шлейфа расположен ряд контактных площадок для соединения с внешней электрической схемой, проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены тонкой неорганической пленкой. При этом тензорезисторный датчик абсолютного давления отличается тем, что ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом больше или равна 0,5 мм, а глубина посадки чувствительного элемента в посадочное место на пластине-основании составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки одинакова с шириной ступеньки.

Устройство датчика показано на Фиг. 1 и 2.

Тензорезисторный датчик абсолютного давления на основе КНИ микроэлектромеханической системы содержит металлический корпус датчика, состоящий из пластины-основания 1 и крышки 11 с трубкой 7, внутри которого размещены многоэлементный чувствительный элемент абсолютного давления 3 и гибкий шлейф на основе полиимидной пленки 6 (ГШПМ) для электрической коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой (контактный узел 15).

Многоэлементный чувствительный элемент абсолютного давления 3 состоит из чипа тензопреобразователя с КНИ микромеханической системой, пьедестала 2 и пластины-основания 1. Чип тензопреобразователя [1] выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика 4, согласованного по коэффициенту теплового расширения в широком температурном диапазоне с кремнием. При этом в верхней пластине сформирована монолитная тензорамка 5, а в нижней сформированы трапециевидная выемка 10 и мембрана 9.

Мембрана 9, слой неорганического диэлектрика 4 и тензорамка 5 образуют трехслойную структуру КНИ микромеханической системы. Монолитная тензорамка 5 одновременно является как конструктивным элементом микромеханической мембранной структуры тензопреобразователя, так и функциональным элементом. На поверхности тензорамки сформированы четыре тонкопленочные контактные площадки для формирования микроконтактного узла 8 с ленточными выводами гибкого шлейфа 6, между которыми расположены равной длины и равного сечения четыре интегральных объемных резистора 18, образующих измерительный мост Уинстона.

Пьедестал 2 выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен в посадочном месте 12. Посадочное место сформировано на пластине-основании 1 в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем. При этом глубина посадки составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки равна ширине ступеньки. Указанные размеры ступеньки определены экспериментально из условия минимизации передачи напряжений (помехи) от корпуса датчика на тензопреобразователь.

Вакуумированная полость 10 образована в подмембранной области чипа тензопреобразователя между поверхностью пьедестала 2 и внутренней поверхностью трапециевидной выемки 10 с нерабочей стороны чипа тензопреобразователя, а ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом определяется из условия b>=0,5 мм, где

где L_ч - длина стороны квадратного основания чипа тензопреобразователя,

а - длина стороны квадратного основания трапециевидной выемки.

Ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом ограничена минимальным размером b>=0,5 мм в связи с технологическими ограничениями по качеству и надежности соединения кремний-стекло.

Гибкий шлейф 6 на основе полиимидной пленки ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, образуя микроконтактные узлы 8, а на другом конце шлейфа, в его хвостовой части 16, расположен ряд контактных площадок 17 для соединения с внешней электрической схемой (контактный узел 15). Хвостовая часть шлейфа 16 выводится через щелевидное отверстие, сформированное в граничной области между пластиной-основанием 1 и крышкой 11. Проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены от влажной среды и коррозии тонкой неорганической пленкой.

В основу работы тензорезисторного датчика абсолютного давления на основе КНИ микроэлектромеханической системы положена зависимость электрического сопротивления монолитной кремниевой тензорамки 5 от величины равномерно распределенного разностного давления на трехслойной мембранной структуре КНИ микромеханической системы, как разницы между измеряемым давлением внешней газовой среды, подаваемой через трубку 7 на рабочую сторону тензопреобразователя, и постоянным давлением воздуха в вакуумированной полости 10. В зависимости от знака разностного давления прогиб мембраны может происходить во взаимно противоположных направлениях. Монолитная кремниевая тензорамка 5 как конструктивный элемент микромеханической мембранной структуры обуславливает распределение максимальных тангенциальных напряжений и, соответственно, деформаций по контуру ее внешней границы на мембране [2]. В результате при подключении датчика (одной из диагоналей измерительного моста) к источнику питания с выхода датчика (второй диагонали) снимается электрический сигнал, пропорциональный разностному давлению.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение временной стабильности и надежности, расширение диапазона рабочей температуры датчика, снижение его чувствительности к воздействию гамма-радиации.

1. Повышение временной стабильности и надежности датчика достигается:

- исключением процессов локальной диффузии или ионной имплантации легирующих примесей в монокремний в процессе производства датчиков на основе КНИ микроэлектромеханической системы и в результате исключается деградация электрофизических характеристик, обусловленная генерацией дефектов дислокации, зарождением и релаксацией локальных упругих напряжений в монокремнии [3-5], а следовательно, минимизируется временной дрейф электрофизических характеристик;

- минимизацией напряжений на чипе тензопреобразователя, предаваемых через корпус датчика, благодаря особенностям заявляемой конструкции многоэлементного ЧЭД;

- изоляцией кремниевой монолитной тензорамки от кремниевой мембраны тензопреобразователя промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика (гальваническая развязка) в отличие от применения способа изоляции обратно смещенным электрическим р-n переходом в прототипе;

- заявляемой конструкцией ГШПМ (взамен гермовыводов с микропроволочными перемычками в прототипе), содержащей электрические проводники на основе тонкопленочной металлизации с высокой коррозионной стойкостью, ряд контактных площадок для выполнения электрических соединений с внешней электронной схемой и гибкие ленточные выводы для микроконтактирования с чипом тензопреобразователя, а также защитой электрических проводников и микроконтактных узлов от воздействия атмосферной влаги и коррозии тонкой неорганической пленкой, при этом уменьшается количество микроконтактных узлов в датчике (исключаются четыре микроконтакта на гермовыводах по сравнению с прототипом), повышается прочность выводов по сравнению с микропроволочными перемычками у прототипа, снижается трудоемкость изготовления датчика.

2. Расширение диапазона рабочей температуры, снижение чувствительности к воздействию гамма-радиации достигается преимуществом конструкции тензопреобразователей на основе КНИ микроэлектромеханической системы, а именно гальванической развязкой кремниевой монолитной тензорамки и кремниевой мембраны тензопреобразователя промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, имеющим бесконечное электрическое сопротивление и конечное тепловое сопротивление в отличие от способа изоляции обратно смещенным р-n переходом у прототипа, что позволяет исключить токи утечки, минимизировать перегрев тензорезисторов, а также снизить чувствительность к воздействию гамма-радиации. Экспериментальными исследованиями процессов деградации при спецвоздействиях установлено [6, 7], что приборы с КНИ структурами сохраняют свои электрические параметры при температурах до 250-300°С и остаются работоспособными при воздействии гамма-радиации до дозы 10⁵-5×10⁵ Гр.

Предполагается замещение импортных датчиков SP-82 фирмы MEMSCAP, Норвегия, в изделиях разработки АО «УКБП», г. Ульяновск, на датчики по предлагаемой заявке на изобретение. Проработаны вопросы технологии производства, определены предприятия-изготовители предлагаемых датчиков.

Кроме этого, на базе заявляемого изобретения возможно общепромышленное применение датчиков в авиакосмической и оборонной технике, в атомной энергетике, на транспорте, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Формула изобретения

1. Тензорезисторный датчик абсолютного давления, содержащий корпус с трубкой для подвода измеряемого давления, выполненный из металлической пластины-основания и металлической крышки, внутри которого имеется электрическая цепь коммутации тензопреобразователя с внешней электрической схемой и жестко закреплен чувствительный элемент абсолютного давления, состоящий из чипа тензопреобразователя с измерительным мостом Уинстона, стеклянного пьедестала и вакуумированной полости, отличающийся тем, что чип тензопреобразователя выполнен на основе КНИ-гетероструктуры, состоящей из двух монокристаллических кремниевых пластин, разделенных промежуточным тонким слоем неорганического диэлектрика, причем в верхней сформирована монолитная тензорамка, а в нижней сформированы трапециевидная выемка и мембрана, образующие вакуумированную полость в результате герметичного соединения чипа тензопреобразователя с пьедесталом по полоске на периметре пьедестала, при этом пьедестал выполнен в форме квадратной пластины из стекла Pyrex и жестко закреплен на пластине-основании в посадочном месте, выполненном в форме глухого отверстия со ступенчатым профилем, а монолитная тензорамка состоит из четырех объемных тензорезисторов равной длины и равного сечения, образующих измерительный мост Уинстона; трубка для подвода измеряемого давления установлена в крышке корпуса со стороны рабочей поверхности чипа тензопреобразователя; электрическая цепь коммутации выполнена в виде гибкого шлейфа на основе полиимидной пленки, который ленточными выводами с одного конца электрически соединен с контактными площадками чипа тензопреобразователя, а на другом конце шлейфа расположен ряд контактных площадок для соединения с внешней электрической схемой, проводники и микроконтакты гибкого шлейфа защищены тонкой неорганической пленкой.

2. Тензорезисторный датчик абсолютного давления по п. 1, отличающийся тем, что ширина полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом больше или равна 0,5 мм;

3. Тензорезисторный датчик абсолютного давления по п. 1, отличающийся тем, что глубина посадки чувствительного элемента в посадочное место на пластине-основании составляет 0,1-0,2 толщины стеклянного пьедестала, ширина ступеньки составляет 1,0-1,5 ширины полоски в области соединения чипа преобразователя с пьедесталом, а толщина ступеньки одинакова с шириной ступеньки.

Изобретение "ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ" (Соколов Леонид Владимирович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога