2.12.3. Интегральные кремниевые тензопреобразователи

В Гиредмете была разработана технология создания чувствительного элемента с применением электроэрозионной обработки и химического травления.

Применение электроэрозионной обработки позволяет получить "стаканчик" цилиндрической формы глубиной до 0.5 мм. Геометрические размеры выдерживаются с погрешностью не хуже + 5 мкм. Толщина мембраны составляет 80 – 100 мкм. Удаление нарушенного при эрозии слоя и доведение мембраны до заданной толщины (около 20 – 40 мкм) осуществляется с помощью полирующих травителей. На кремниевой мембране расположены четыре ТР, объединенные в два полумоста (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Практические схемы топологии интегральных преобразователей с тензорезисторами р-типа на плоскости (011)

Тензорезисторы р-типа проводимости сформированы путем диффузии бора в эпитаксиальный слой n-типа проводимости с удельным сопротивлением 5–10 Ом·см.

Тензорезисторы, расположенные в центре мембраны и на периферии, испытывают деформации разного знака. В разрыв между ТР можно включать балансировочные резисторы для устранения начального разбаланса. Кроме того, схема с двумя полумостами позволяет питать датчик не только от источника напряжения, но и от источника тока. В последнем случае удается снизить температурную зависимость чувствительности. Контактные площадки выведены за пределы мембраны, что облегчает припайку выводов и сохраняет однородность мембраны по толщине.

Разработанная технология создания тензочувствительного моста позволяет получать резисторы с разбросом в мосте не хуже 1 % , а от элемента к элементу – не хуже 3 % .

Интегральный тензорезисторный преобразователь давления с круглой мембраной выполнен в виде круглого кристалла кремния, плоскость которого ориентирована в кристаллографической плоскости (111) (рис. 2.31 б). На мембране выполнены три полные мостовые схемы. Краткая техническая характеристика: диаметр и толщина кристалла 3·0.3 мм; диаметр и толщина мембраны 1·0.01 мм; диапазон измеряемого давления (–15…+40) Па; максимальный выходной сигнал при напряжении питания 3 В составляет 50 мВ; компенсированный температурный диапазон +20  +70 C; чувствительность от 0.2 до 0.4 мВ/(кПа·В); температурный дрейф нуля 0.2 мВ/град; предельное неразрушающее давление – не менее 1.5 МПа.

Рис. 2.31. Практические схемы топологии интегральных преобразователей с тензорезисторами р-типа на плоскости (111)

2.12.4. Преобразователь давления с подстроечными

резисторами на кристалле

Топология кристалла показана на рис. 2.32. Границы мембраны изображены на рисунке пунктиром. Ее габариты 1.5 х 1.5 х 0.01 мм. Размер кристалла между боковыми гранями 3.5 мм, а по диагонали – 3.9 мм. Толщина массивного основания мембраны составляет 300 мкм. Следует отметить, что топология маски для локального анизотропного травления была специально рассчитана таким образом, чтобы произошло стравливание внешних прямых углов кристалла. Это сделано для того, чтобы внешняя форма кристалла была не квадратной, а в виде многоугольника и лучше вписывалась в цилиндрический внешний корпус преобразователя.

Чувствительными элементами являются тензорезисторы p-типа, изготовленные на мембране методом ионного легирования примесей. Объединение тензорезисторов в мостовую схему и электрическое соединение узлов моста с металлизированными контактными площадками, расположенными по периферии кристалла, осуществляется с помощью p⁺-слоя.

Рис. 2.32. Топология интегрального преобразователя

с тензорезисторами р-типа на плоскости (001)

На основании кристалла изготовлены также два идентичных магазина подстроечных резисторов, предназначенных для начальной балансировки мостовой схемы. Магазины включены в смежные плечи моста и содержат по шесть резисторов.

Все подстроечные резисторы в исходном состоянии зашунтированы тонкими металлическими перемычками, под которыми отсутствуют токоведущие дорожки из высоколегированного кремния. При осуществлении балансировки мостовой схемы для включения требуемых резисторов соответствующие перемычки могут либо разрушаться путем механического воздействия, либо пережигаться электрическим током или лазерным лучом. Прибор предназначен для измерения давлений в диапазоне (03.3)·10⁴Па. Чувствительность преобразователя составляет (16.7)·10^-4 мВ/(В·Па). Основная погрешность в указанном диапазоне давления не менее 1 %. Дополнительная температурная погрешность в интервале (2040)C не превышает 0.1 % /град. Выходное сопротивление преобразователя (6002000) Ом.

Диапазон измеряемых преобразователем давлений может варьироваться в зависимости от толщины кремниевой мембраны от сотен Па до единиц МПа. Поэтому разработанный прибор может явиться основой для создания ряда миниатюрных измерителей давления не только для биофизических, но и для общетехнических применений.