И.В. Годовицын, канд. техн. наук, В.Н. Зимин, А.Ю. Петров, канд. техн. наук, Н.А. Шелепин, Научно-производственный комплекс “Технологический центр” МИЭТ
СВЕРХМИНИАТЮРНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ
СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
|
С помощью технологии поверхностной микромеханики разработан и
изготовлен сверхминиатюрный преобразователь давления. Преобразователь
представляет собой поликремниевую мембрану с двумя поликремниевыми
пьезорезисторами, расположенными на ее противоположных краях. Проведены
измерения передаточных характеристик преобразователей с размером мембраны 75
и 100 мкм. Показано, что данные преобразователи могут использоваться в
системах измерения давления с жесткими требованиями к размерам компонентов |
Конструкция
и технология изготовления преобразователя
Исследование
характеристик экспериментальных образцов
В настоящее время интегральные кремниевые сенсоры давления используются практически во всех отраслях техники. Их основные преимущества перед сенсорами, изготавливаемыми по традиционным технологиям, заключаются в малых размерах и массе, высокой надежности, низкой цене. Технология объемной микромеханики, используемая для изготовления кремниевых сенсоров в массовом количестве, позволяет достигать размеров сенсоров в несколько миллиметров в каждом направлении [1-7]. Однако для некоторых задач, требующих применения сенсоров и связанных с развитием электронных систем обработки информации, эти размеры оказываются слишком большими.
Одна из таких задач – измерение артериального давления крови in vivo, т.е. в живом организме. Ее решение само по себе не представляет сложностей, однако при осуществлении мониторинга давления без использования громоздких приспособлений единственным выходом становится применение сверхминиатюрных (с характерным размером менее 1 мм) сенсоров. В клинической практике также часто требуется определение давления крови в сосудах, расположенных близко к сердцу. Это может быть реализовано только с помощью систем дистанционного измерения давления, основным компонентом которых является сверхминиатюрный сенсор. Поэтому разработка таких сенсоров с помощью технологий микромеханики представляет собой актуальную и экономически перспективную задачу.
Конструкция и технология изготовления
преобразователя
Технология поверхностной микромеханики свободна от многих недостатков объемной микромеханики и позволяет изготавливать подвижные структуры размером до нескольких микрометров [8-10]. Основным материалом поверхностной микромеханики является поликристаллический кремний. В период 1999-2000 гг. в НПК “Технологический центр” МИЭТ были проведены исследования пленок поликремния, используемых в КМОП-технологии, и изготовлены основные поверхностные микромеханические структуры: консоли, балки и мембраны [11]. На основе этих работ в 1999-2000 гг. был разработан и изготовлен сверхминиатюрный преобразователь давления.
Основой преобразователя является поликремниевая мембрана, сформированная с помощью технологии поверхностной микромеханики (рис. 1). По периметру мембраны нанесены слои диэлектрика, повышающие жесткость крепления мембраны. На противоположных краях мембраны размещены два легированных бором поликремниевых пьезорезистора. Пьезорезисторы соединены с двумя поликремниевыми резисторами той же топологии в мост Уитстоуна с двумя активными плечами (рис. 2). Для уменьшения начального разбаланса моста резисторы придвинуты к мембране на минимальное возможное расстояние. Для устранения вклада в разбаланс моста сопротивления металлизации шины, идущие к контактным площадкам, подсоединены к серединам шин, соединяющих пьезорезисторы и резисторы. Выходной сигнал преобразователя определяется приведенным ниже соотношением
ПИТ ,
где 
– сопротивление
резистора; 
– сопротивление
пьезорезистора; 
ПИТ –
напряжение питания.
|
|
|
|
Рис. 1. Конструкция поверхностного |
Рис. 2. Схема объединения |
В силу того, что остаточное давление в “вакуумной” полости составляет 10-30 Па, преобразователь можно считать преобразователем абсолютного давления.
Технология изготовления преобразователя была разработана на базе процессов стандартной КМОП-технологии. Изготовление преобразователя начинается с формирования в монокристаллическом кремнии опорного слоя оксида (формирование происходит с помощью термического окисления под давлением с использованием маски из слоя нитрида кремния – LOCOS-процесс). Далее на пластину осаждается слой поликристаллического кремния, из которого формируется мембрана, и в нем с помощью плазмохимического травления вскрывается окно к слою тонкого оксида, служащего каналом (“капилляром”) для доступа травителя к опорному слою. Жидкостным травлением опорный слой удаляется из-под мембраны и, путем осаждения слоя окисла кремния, проводится “запечатывание” мембраны. Затем осуществляются осаждение и легирование слоя поликристаллического кремния, из которого формируются пьезорезисторы. После осаждения слоя нитрида кремния происходят формирование контактных окон к резисторам и металлизация. Далее проводится осаждение защитного слоя фосфоросиликатного стекла и вскрытие мембраны. На рис. 3 и 4 приведены микрофотографии фрагментов тестового кристалла преобразователей давления.
|
|
|
|
Рис. 3. Фрагмент скола преобразователя |
Рис. 4. Скол преобразователя с круглой мембраной |
Исследование характеристик
экспериментальных образцов
Для исследования преобразователей была проведена сборка 18 преобразователей давления девяти конструктивных вариантов с размерами мембран 75 и 100 мкм в корпуса DIP20. Для исследований использовалось следующее измерительное оборудование:
· измерительная система “Аксамит” АК6-34;
· измеритель давления МЦП-2-0.4;
· вольтметр В7-34А.
Выбирались следующие режимы измерений:
· напряжение
питания ПИТ 
В;
· температура
°С;
· входное
давление 
кПа.
Измерения проводились:
· в автоматическом режиме в 20 точках от 5 до 100 кПа с шагом измерения 5 кПа;
· вручную в точках 5, 20, 40, 60, 80, 100 кПа.
Автоматические измерения проводились системой АК6, ручные – с помощью вольтметра В7-34А.
На рис. 5 приведена зависимость выходного сигнала от давления для преобразователей с размером мембраны 75 мкм.
|
|
|
Рис. 5. Зависимость выходного
сигнала преобразователей |
В таблице 1 представлены сводные данные по характеристикам преобразователей.
Таблица 1. Основные характеристики преобразователей
|
Конструктивный
вариант преобразователя |
Диапазон
измерения, МПа |
U0 моста, мВ (UПИТ = 5 В) |
Чувствительность,
(мВ/В)/МПа |
Нелинейность,
% |
|||
|
Размер
мембраны, мкм |
|||||||
|
75 |
100 |
75 |
100 |
75 |
100 |
||
|
A1 |
0-10 |
-50,72 |
-36,82 |
37,6 |
85,0 |
0,25 |
2,45 |
|
A2 |
-48,12 |
-49,17 |
34,9 |
82,6 |
0,21 |
2,45 |
|
|
A3 |
-27,51 |
-11,27 |
41, |
91,1 |
0,33 |
3,45 |
|
|
Б1 |
-43,21 |
-57,94 |
28,1 |
60,2 |
0,11 |
1,40 |
|
|
Б2 |
-40,02 |
-50,03 |
23,4 |
51,1 |
0,08 |
1,25 |
|
|
Б3 |
-31,23 |
-30,71 |
30,1 |
66,3 |
0,13 |
1,70 |
|
|
B1 |
-27,23 |
-21,45 |
37,4 |
89,8 |
0,18 |
3,20 |
|
|
B2 |
-50,04 |
-33,25 |
37,8 |
86,7 |
0,25 |
3,05 |
|
|
B3 |
0,29 |
7,88 |
31,5 |
64,6 |
0,21 |
1,5 |
|
Примечание. Преобразователи Б1 – Б3 имеют
круглые мембраны.
Измерения не показали наличия гистерезиса у преобразователей в пределах погрешности.
С использованием технологии поверхностной микромеханики разработан и изготовлен сверхминиатюрный преобразователь давления; цикл изготовления преобразователя реализован на базе стандартной КМОП-технологии. Максимальная чувствительность преобразователей, имеющих круглую и квадратную мембраны размером 75 и 100 мкм, составляет 41,6 и 91,1 (мВ/В) МПа соответственно, что приблизительно в 2,5 раза меньше, чем у тензопреобразователей на монокристаллическом кремнии [4]. Площадь, занимаемая элементами одного преобразователя с мембраной 100´100 мкм2, равна приблизительно 60000 мкм2, что позволяет, с использованием соответствующей технологии разделения, достичь размера кристалла 0,15´0,4 мм2. Преобразователи такого размера, даже не обладая высокой чувствительностью, могут применяться в случаях, когда основное значение имеют внешние размеры, например, при измерении кровяного давления внутри сосуда. Таким образом, данная разработка является перспективным применением технологии поверхностной микромеханики и открывает новое направление по изготовлению дешевых сверхминиатюрных преобразователей давления для специальных применений.
Список литературы
1.
Kress H.-J.,
Bantien F., Marek J. et al. Fully integrated silicon pressure sensor
with on chip CMOS evaluation circuit and on-chip trimming // Sensors and
actuators A25-27. 1991. P. 21-26.
2.
Mandle J.,
Lefort O., Migeon A. A new micromashined silicon high-accuracy
pressure sensor // Sensors and Actuators A46-47. 1995. P. 129-132.
3. Галушков А.И., Зимин В.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелепин Н.А. Кремниевые интегральные датчики физических величин на основе технологии микроэлектроники // Электронная промышленность, 1995. № 4-5. С. 95-101.
4. Зимин В.Н., Шабратов Д.В., Шелепин Н.А., Чаплыгин Ю.А. Интегральные преобразователи давления на нормальный ряд от 0,04 до 30 МПа // Измерительная техника. 1994. № 2. С. 35.
5. Зимин В.Н., Салахов Н.З., Шелепии Н.А. Интегральные балочные тензопреобразователи // Измерительная техника. 1994. № 3. С. 36.
6. Сауров А.Н., Зимин В.Н., Уманцев А.В., Шелепин Н.А. Микродатчики давлений и микросистемы на их основе // Датчики и системы. 1999. № 4. С. 28-32.
7. Шелепин Н.А. Кремниевые микросенсоры и микросистемы // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 40-43.
8.
Goudenough F.
Airbags boom when IC accelerometers see 50 g // Electronic design. August.
1991. P. 83-87.
9.
Компьютерра. № 12. 21 апреля
1997. С. 74-75.
10.
Kalvesten E.,
Smith L., Tenerz L. et al. The first surface micromachined pressure
sensor for cardiovascular pressure measurements // Proc. of IEEE MEMS
Conference, Heideiberg. 1998. P. 574-579.
11. Годовицын И.В., Шелепин Н.А., Лыженкова Г.И. Формирование поверхностных микромеханических структур из пленок поликремния // Известия вузов: Электроника, 1996. № 3. С. 49-54.
| Наверх |