Н.А. Шелепин, канд. техн. наук, ГНЦ РФ НПК "Технологический центр" МИЭТ
КРЕМНИЕВЫЕ МИКРОСЕНСОРЫ И МИКРОСИСТЕМЫ: ОТ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ ДО АВИАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ
| Представлены основные направления и результаты разработок микросенсоров и микросистем Государственного научного центра Российской Федерации НПК "Технологический центр" МИЭТ за период1994–1998 гг. Описаны основные характеристики и конструкции указанных сенсоров. Рассмотрены новые направления разработок по созданию сложных микросенсорных систем, проводимые в НПК ТЦ технология поверхностной микромеханики, технология многокристальных модулей; разработка специализированных аналогоцифровых интегральных схем преобразования сигналов сенсоров. |
Интегральные
преобразователи механических величин и микродатчики на их основе
Введение
Научно-производственный комплекс "Технологический центр" (НПК ТЦ) основан при Московском институте электронной техники (МИЭТ) в 1988 г. В 1989 г. в "Технологическом центре" запущен комплект технологического и аналитического оборудования для обработки кремниевых пластин диаметром 100 мм и изготовления фотошаблонов. В 1990 г выпущены первые микросхемы по технологии КМОП. В настоящее время микросхемы и микросенсоры изготовляются на производственных участках общей площадью 2200 м, включая чистые помещения класса "100" площадью 1000 м2. Комплект технологического и аналитического оборудования обеспечивает выпуск до 1000 пластин диаметром 100 мм в месяц с проектными нормами до 1,5-1,2 мкм. Исследования и разработки "Технологического центра" можно условно разделить на три основных области микроэлектроника, микросистемная техника, микроэлектронная аппаратура.
В области технологий микросистем и микросенсоров исследования и разработки осуществляются с 1994 г. по технологии объемной микромеханики, а с 1997 г. - и по технологии поверхностной микромеханики.
Интегральные преобразователи механических величин и микродатчики на их основе
Интегральные преобразователи давления и модули на их основе. Первыми изделиями, разработанными и освоенными в производстве с использованием технологии объемной микрообработки, были кристаллы микросенсоров давления с плоской мембраной (интегральные преобразователи давления) ИПД-1 и ИПД-2. Их основные характеристики представлены в[1,2]. Изменение толщины и других размеров мембраны обеспечивает возможность изготовления преобразователей на номинальные давления от 0,1 до 30 МПа. Следует заметить, что на всей территории бывшего СССР технология изготовления преобразователей давления на пластинах диаметром 100 мм была разработана впервые. Технологами НПК ТЦ были решены проблемы:
· формирования высококачественных масок для глубокого анизотропного травления в щелочи;
· точного совмещения топологии мостовой схемы с топологией мембран на лицевой и обратной сторонах пластины (при отсутствии установок двухстороннего совмещения);
· температурного гистерезиса "нуля".
Кроме того, разработанная технология обеспечивает формирование на кристаллах преобразователей схемы температурной компенсации чувствительности, которая в последующем была реализована и на других кристаллах тензопреобразователей. Для расширения номенклатуры и удовлетворения потребностей отечественных производителей прецизионных датчиков разработана конструкция ИПД-4 с жестким центром для диапазонов давления 10-100 кПа, а также оригинальная конструкция кристалла ИПД-3 с тремя жесткими центрами и расположенными между ними параллельно друг другу резисторами мостовой схемы (рис. 1). Кристаллы поставляются различным организациям, среди которых особо следует отметить ОАО "АВТОЭЛЕКТРОНИКА" (г. Калуга), объем заказов которого в конце 1999 г. составил 5 тыс. шт. в месяц. В последние годы появилась новая форма взаимодействия с заказчиками, при которой "Технологический центр" обеспечивает изготовление кристаллов по их чертежам. Примером является кристалл ИПД-9, чертежи которого разработаны в НПП "Персей" (г. Раменское, Московская обл.). Эта фирма в последнее время является постоянным заказчиком данного изделия.
|
|
| Рис. 1. Конструкция и микрофотография кристалла преобразователя давления с тремя жесткими центрами |
Далеко не все производители датчиков давления владеют технологией, обеспечивающей механическую развязку кристаллов ИПД от металлических или пластмассовых корпусов. В связи с этим в НПК ТЦ разработана технология соединения кристаллов и кремниевых оснований с помощью легкоплавких стекол при температуре около 500°С. На основе чувствительных элементов, выполненных по такой технологии, разработан ряд модулей-преобразователей, обеспечивающих возможность их монтажа в корпуса без применения специальных технологий Конструкция и технические характеристики модулей представлены в [3]. Данные модули применяются приборостроительными фирмами для изготовления различных датчиков давления, в том числе и прецизионных общепромышленного применения с классом точности 0,2% в диапазоне температур -50 +70°С. Примерами подобных датчиков являются ТЖИУ406Д (ВНИИ автоматики Минатома, г. Москва) и ПМ-100, ПМ-500 (ЗАО МЕДИКОН-М, г. Москва), внесенные в реестр средств измерений.
Интегральные балочные тензопреобразователи и датчики на их основе. Следующим примером реализации возможностей объемной микрообработки кремния является разработка двух типов балочных тензопреобразователей (ТКБ-5 и ТКБ-6) [4], принципиальная конструкция которых представлена на рис. 2. Технология их изготовления, помимо операций, аналогичных операциям технологии изготовления кристаллов ИПД, включает дополнительные операции:
|
|
| Рис. 2. Интегральные балочные преобразователи |
· объемная микрообработка боковых сторон концентраторов механических напряжений, которая в несколько раз превышает их прочность;
· формирование припойных столбиков на контактных площадках.
Последняя операция обеспечивает возможность непосредственной пайки изолированных проводов к кристаллам, что связано с особенностями их конструктивного использования в составе датчиков
|
|
| Рис. 3. Датчик силы на основе кремниевого балочного тензопреобразователя серии ПС |
Преобразователи с двумя концентраторами напряжений используются в основном для изготовления датчиков силы. Принцип их действия ясен из рис. 3. Тензопреобразователь ТКБ-6 жестко заделывается параллельно силовым балкам, которые связывают между собой два основания. Смещение оснований под воздействием внешней силы вызывает одинаковый по величине, но различный по знаку изгиб концентраторов напряжения балочного тензопреобразователя, в каждом из которых расположена пара резисторов мостовой схемы. Данная конструкция при сохранении высокой линейности преобразования обеспечивает чувствительность, примерно в 20 раз более высокую по сравнению с чувствительностью датчиков силы традиционной конструкции на основе пленочных тензорезисторов.
|
|
|
Рис. 4. Датчик силы серии ПС-1 и его кремниевый микро-механический чувствительный элемент |
Эти датчики, в частности, используются в электронных бытовых безменах. Пример более сложной конструкции датчика представлен на рис. 4. Этот датчик на номинальное усилие 100-150 Н обеспечивает независимость показаний от точки приложения силы на установленной платформеразмером до 30´30см и используется для изготовления портативных торговых весов, разработанных Сосненским приборостроительным заводом (Калужская область). Эта же конструкция применена для разработки лабораторных весов с динамическим диапазоном 10 000 (1200´0,1; 560´0,05 и 240´0,02 г). Впервые в мире на полупроводниковых датчиках получены значения нелинейности и гистерезиса менее 0,03 % при выходном сигнале 40 мВ.
Балочный тензопреобразователь ТКБ-5 использован для создания серии акселерометров АВИ (рис. 5),разработанных совместно со специалистами ЛИИ им. Громова (г. Жуковский, Московская обл.) [3].Данные акселерометры благодаря малым габаритным размерам и прочному титановому корпусу оказались весьма удобными при измерении вибраций в летных испытаниях. Высокий показатель отношения поперечной чувствительности к основной (не более 3 %) достигнут в результате использования оригинальной конструкции, защищенной патентами Российской Федерации. На рис. 6 показан кремниевый кристалл высокочувствительного тензоакселерометра, изготовленный методами объемной микрообработки. Выполненные на основе данного элемента образцы акселерометров имеют чувствительность 0,4 MB/(g ×B) и рабочий частотный диапазон 0-500 Гц. Однако кристаллы чувствительного элемента требуют очень аккуратного обращения вследствие чрезвычайной хрупкости, что создает дополнительные трудности при их изготовлении.
|
|
|
| Рис. 5. Конструкция тензоакселерометра серий АВИ и МТА |
Рис. 6. Кристаллы высокочувствительного тензоакселерометра, изготовленные методами объемной микрообработки |
Новые разработки
Поверхностные микромеханические структуры. К настоящему времени разработана технология получения балочных, консольных и мембранных элементов из пленок поликристаллического кремния. Исследованы механические напряжения в пленках поликремния и эффект "прилипания". На рис. 7 представлена микрофотография системы балок и консолей из поликремния толщиной 1 мкм и длиной балок до 70 мкм, на основе которых возможно построение чувствительных элементов сенсоров физических величин. В частности, получены экспериментальные образцы поликремниевых мембран площадью до 100´100 мкм с вакуумной полостью, являющихся сенсорами абсолютного давления. Исследуются возможности объединения технологий поверхностной и объемной микромеханики для создания инерциальных микросистем с чувствительными элементами емкостного типа. На рис. 8 представлена микрофотография чувствительного элемента микротер-моанемометра. Пленочные терморезисторы, изготовленные методами планарной технологии, оказываются подвешенными в воздухе благодаря вытравливанию толстого слоя кремния под ними методами анизотропного травления.
|
|
|
| Рис.
7. Поликремниевые микромеханические элементы |
Рис. 8. Чувствительный элемент микротермоанемометра |
Специализированные интегральные схемы для преобразования сигналов микросенсоров. Разработана элементная база (операционные и трансимпедансные усилители, источники опорного напряжения, библиотека элементов цифровой логики) для создания специализированных аналого-цифровых контроллеров в целях выполнения следующих функций:
· преобразование сигнала основного сенсора в цифровой код;
· преобразование сигнала сенсора температуры в цифровой код;
· цифровой обмен с внешней системой цифровой калибровки датчиков и запись в память калибровочных коэффициентов,
· расчет точных значений выходного сигнала по значениям сигналов основного сенсора, сенсора температуры и калибровочных коэффициентов,
· передача рассчитанного цифрового сигнала во внешнее считывающее устройство или преобразование его в аналоговый сигнал.
Такие микроконтроллеры в сочетании со стабильными первичными преобразователями позволят создать сенсорные системы повышенной точности для измерения физических величин в широком диапазоне внешних воздействующих факторов, в первую очередь температуры.
Многокристальные модули. Для создания описанных выше микросистем специального применения (авиация, космос) предполагается использовать технологию многокристальных модулей. Чипы различных сенсоров и интегральных схем соединяются в микросистему на кремниевой подложке, которая изготовляется по технологии БИС. Основные преимущества данной технологии [8].
· совпадение температурных коэффициентов сенсоров, схем и подложки;
· хороший теплоотвод;
· высокая плотность проводников для соединений между чипами.
На рис. 9 представлен макет подобной микросистемы. На кремниевом чипе-подложке с трехуровневой алюминиевой металлизацией размещены два сенсора, чипы схемы стабилизатора напряжения для сенсоров, схемы АЦП и схемы цифровой обработки сигналов.
Следует заметить, что оценка данной технологии, представленная в [9], не во всем верна. Подложки-носители должны изготавливаться не по тонкопленочной технологии, а по технологии БИС, что обеспечит требуемое высокое качество и высокую плотность трассировки межсоединений.
На рис. 10 представлена микросистема измерения барометрического давления и разности двух давлений, имеющая аналоговые выходные сигналы, причем оба сенсора измеряют абсолютное давление, а их разность определяется электронной схемой. Микросистема разработана на основе технических требований МНПК "Авионика".
|
|
|
| Рис. 9. Многокристальная микросистема |
Рис. 10. Микросенсорная система измерения барометрического давления и разности давлений |
* * *
Представленные результаты показывают возможности отечественной микроэлектронной технологии в области кремниевых микросенсоров и микросистем. Все сенсоры изготовлены в НПК ТЦ. Они применяются многими российскими фирмами для разработки и изготовления различных систем контроля и управления. Обозначенные направления перспективных исследований и полученные первые результаты позволяют надеяться на завершение в ближайшие годы разработок технологий сложных микросенсорных систем, в том числе специального применения.
Список литературы
1. Зимин В.Н., Чаплыгин Ю.А., Шабратов Д.В., Шелепин Н.А.Интегральные преобразователи давления на нормальный ряд от 0 04 до 30 МПа // Измерительная техника. 1994. №2. С. 35.
2. Зимин В.Н., Салахов Н.Э., Чаплыгин Ю.А., Шелепин Н.А. Прецизионные интегральные преобразователи давления // Измерительная техника, 1995. №1. С. 20-21..
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., Салахов Н.Э., Шелепин Н.А Интегральные балочные тензопреобразователи//Измерительная техника. 1994. №3. С. 36.
5. Панкратов О.В., Брехов Р.С., Погалов А.И., Шелепин Н.А. Разработка и исследование интегральных пьезорезистивных акселерометров // Известия вузов. Электроника. 1997. №1. С. 57-61.
6. Годовицын
И.В., Шелепин Н.А, Лыженкова Г.А. Формирование поверхностных микромеханических
структур из пленок поликремния, получаемых на промышленных установках осаждения
ИЗОТРОН" // Известия вузов. Электроника. 1997. №2. С.
49-54.
7. Shelepin N.A. and Godovitcin I.V. Fabrication ofpolysilicon surface-micromashined structures using FAB 1C processes // Proceeding of the IIIrd NEXUSPAN Workshop on Microsystems in Environmental Monitoring, 13-14 December. 1996. Moscow Russia.
8. Шелепин Н.А. Конструктивно-технологический базис микросенсорных систем // Сб тез Всероссийская научно-техническая конф. "Электроника и информатика-97'' МИЭТ 1997 .Ч. 1. С. 211-212.
9. Качяев И.А., Котов В.Н., Клиндухов В.Г., Кухаренко А.П. Микроэлектронные сенсорные системы опыт создания и применения // Микросистемная техника, 1999. № 1. С. 32-35.