УДК 53.087.92

С.А.Козин, НИИФИ, г. Пенза

Технология МЭМС в разработке интегральных датчиков механических параметров

Описаны интегральные датчики механических параметров, разработанные в Научно-исследовательском институте физических измерений (г. Пенза).

 

 

Научно-исследовательский институт физических измерений (НИИФИ) был основан в 1960 г. и является головным предприятием Российского авиационно-космического агентства, специализирующимся на разработке и поставке датчиков физических величин, промежуточных преобразователей и информационно-измерительных систем на их основе.

С середины 70-х годов прошлого века НИИФИ занимается разработкой полупроводниковых датчиков механических параметров для ракетно-космической техники и общепромышленного применения. В основе разработок заложены конструктивно-технологические решения (КТР) объемных микроэлектромеханических структур (МЭМС).

Типы интегральных датчиков по технологии МЭМС представлены в таблице.

Таблица 1.

МЭМС-датчики

Типы
датчиков

Диапазоны измерений

Габаритные размеры,
масса

Избыточного давления пьезорезисторные

ДДЭ-060,
ДДЭ-073,
ДДЭ-082,
ДЦЭ-084,
ДДЭ-096,
ДДЭ-097,
ДЦЭ-114,
ДЦЭ-090,
ДХП-096

0,01..300 МПа

Æ 3,5..36 мм
5..130 г

Абсолютного давления пьезорезисторные

ДАЭ-099

ДАЭ-100

0,01...1 МПа

Æ 16 мм
20...50 г

Абсолютного давления емкостные

ЧЭЭ-024.001

0,05...1 МПа

5´5 мм

Линейного ускорения пьезорезисторные

АЛЭ-037,
АВЭ-001,
АВЭ-002

±(1000...100000) м/с2

24´24´8 мм
100 г

Линейного ускорения емкостные

АЛЕ-049,
АЛЕ-050

±(5,6...1200) м/с2

35´35´22 мм
75 г

Угловой скорости (гироскоп) емкостные (МКС)

МВГ-11.039

100...1000º/с

5´10 мм
5 г

Частоты вращения гальваномагнитные на магнитодиоде

Вт 1855,
ОМ005

60...40000 об/мин

Æ 12 мм
100 г

Деформации пьезорезисторные

ЕВ

±3000 мкм/м

5´5´0,05 мм

 

Разработаны и освоены следующие базовые решения различных типов датчиков.

Ø      Датчики избыточного давления пьезорезисторные.

В основе чувствительного элемента датчика типа ДДЭ-060 находится круглый плоский кремниевый кристалл, содержащий интегральные тензорезисторы мостовой схемы, и не воспринимающий давление терморезистор схемы компенсации ухода чувствительности. Кристалл сформирован по планарной технологии и закреплен в металлическом корпусе с помощью ситаллоцемента.

По аналогичному решению созданы датчики для измерения давления до 300 МПа.

В основе датчика типа ДДЭ-097 находится двухслойный кремниево-стеклянный элемент, сформированный анодным соединением, который закреплен в керамическом внутреннем корпусе и натянут на металлическую мембрану.

Микромеханическая структура чувствительного элемента датчика типа ДДЭ-082 представляет собой кремниево-стеклянный узел, в котором стеклянный "тюльпан" с вплавленной металлической трубкой анодной посадкой герметично соединен с планарной поверхностью кристалла через адгезионное кольцо из поликристаллического кремния, нанесенного на кристалл поверх высоколегированных коммутационных шин из p+-кремния, соединяющих тензорезисторы, которые расположены на мембране, и контактные площадки, находящиеся на периферии кристалла (рис. 1).

Рис. 1. Чувствительный элемент
датчика ДДЭ-082

Отличительной особенностью датчика типа ДХП-096 является его миниатюрность (диаметр воспринимающей давление части 3,5 мм). Чувствительный элемент (ЧЭ) содержит профилированный кремниевый кристалл толщиной 100 мкм и Æ 2,5 мм с элементами жесткости на мембране, соединенный анодной посадкой со стеклянной бусой.

Основные этапы технологии кристалла датчика типа ДХП-096:

·    формирование травлением профилированной заготовки (пластины кремния с утопленной до 100 мкм центральной частью);

·    формирование анизотропным щелочным травлением профиля мембраны кристалла;

·    формирование поэтапным ионным и диффузионным легированием термо- и тензорезисторов схемы;

·    плазмохимическое травление кремния во фторсодержащей среде до разделения пластин накруглые кристаллы при защите металлическими масками.

Ø      Датчики абсолютного давления пьезорезисторные.

В основе датчиков типа ДАЭ-100 находятся чувствительные элементы следующей структуры: профилированный кристалл, соединенный со стеклянной основой с образованием герметичной вакуумированной полости опорного давления (рис. 2).

Рис. 2. Чувствительный элемент
датчика ДАЭ-100

Технология изготовления чувствительного элемента датчика абсолютного давления предусматривает групповое анодное соединение профилированной кремниевой и стеклянной пластин в вакууме с последующим разделением дисковой резкой. Благодаря использованию групповой технологии удалось достичь минимальных размеров (до 2´2 мм). За счет формирования контактов ЧЭ после создания вакуумированной полости возможно производство очень дешевых модулей абсолютного давления со столбиковыми выводами из припоя.

Ø      Датчики абсолютного давления емкостные.

Особенностями формирования микромеханической структуры модуля абсолютного давления емкостного типа являются: формирование групповой технологией на несущей стеклянной пластине сквозных отверстий; анодное присоединение к данной пластине рельефной кремниевой пластины; стравливание нерельефной части пластины до образования нижних емкостных обкладок; анодное присоединение в вакууме профилированной кремниевой пластины с верхними емкостными обкладками к несущей стеклянной пластине; разделение структуры на отдельные модули; присоединение выводов к верхней обкладке и через отверстие в стекле к нижней обкладке.

Ø      Акселерометр линейных ускорений емкостной.

Основные этапы технологии структуры кремниево-стеклянного элемента акселерометра типа АЛЕ-049 (рис. 3,а,б):

·    формирование двусторонним размерным травлением трехрельефной структуры кристалла (с зазором 5 мкм);

·    формирование металлизированных стеклянных плат;

·    анодное соединение пакета ЧЭ.

Рис. 3. Кремниево-стеклянный элемент акселерометра АЛЕ-049

Ø      Акселерометр линейных ускорений пьезорезисторный.

Особенностью ЧЭ акселерометра типа АВЭ-002 является наличие двухуровневых консолей, удерживающих инерционную массу. В остальном конструктивно-технологические решения аналогичны емкостному ЧЭ (рис. 4).

Рис. 4. Пьезорезисторный акселерометр
линейных ускорений АВЭ-002

Ø      Датчик угловой скорости (гироскоп).

Работы по данному направлению находятся в развитии. На основе имеющегося технологического задела удалось освоить формирование требуемой конфигурации микроколебательной системы (МКС) (рис. 5).

Рис. 5. Микроколебательная
система датчика
угловой скорости

МКС содержит следующие элементы:

·    инерциальную механическую плату чувствительного элемента (ЧЭ), выполненного размерным травлением из монокристаллического кремния и содержащего две подвижные, подвешенные на консолях платы, которые являются обкладками емкостных датчиков силы и положения. Для повышения чувствительности центральная плата содержит двусторонний вольфрамовый груз, присоединенный к кремнию диффузионной сваркой;

·    стеклянную плату-основание, содержащую выполненные по технологии напыления и фотолитографии пленочные алюминиевые емкостные обкладки датчиков силы и положения и коммутационные шины, а также глухое отверстие для перемещения массы;

·    блок измерительный, содержащий сцентрированные по обкладкам емкостей датчиков механическую плату и плату-основание, которым соединены между собой методом электростатического соединения кремния и стекла; к плате-основанию с помощью стекла присоединен стеклянный корпус с обеспечением герметичности в области коммутационных шин;

·    кремниевую крышку, присоединенную к корпусу с обеспечением вакуумирования, и кремниевую плату-развязку, присоединяемую к нижней плоскости основания и обеспечивающую исключение механических напряжений.

Конструкция МКС разработана НИИ ПМ (г. Москва), НИИФИ разрабатывает технологию изготовления МКС и подготавливает производство для выполнения опытных образцов и мелкосерийных поставок.

В настоящее время изготовлены экспериментальные образцы гироэлементов, содержащих МКС и модуль аналоговой электроники, и проводится их отладка.

Ø      Датчик частоты вращения.

Выполнен на основе модернизированного магнитодиода, разработанного ранее в МИЭТ (Зеленоград). Модернизированные конструктивно-технологические решения магнитодиода предусматривают легирование высокоомного кремния при пониженных температурах и формирование травлением локальных мезаструктур инжекционных областей диодов.

Ø      Датчик деформации.

Датчики деформации выполнены в виде кремниевого тензорезистора на гибкой диэлектрической основе, в том числе содержащие встроенные интегральные датчики температуры.

Структура датчика: полиамидная пленка – кремниевый резистор толщиной 3...5 мкм – защитная пленка оксида – поликремниевый пленочный терморезистор.

Технология основана на "стоп"-травлении высоколегированных слоев кремния и использовании промежуточной защитной (несущей) пленки из металла.

В результате проведения работ по созданию новых технологий формирования кремниевых микроэлектромеханических систем для ЧЭ датчиков механических величин (акселерометров, датчиков скорости и др.) на сегодняшний день исследованы и отработаны следующие новые специальные технологические процессы:

·    формирование прецизионным прямым травлением кремния многорельефных структур ЧЭ с минимальной высотой рельефа до 2 мкм;

·    ориентированное травление кремния для обеспечения формирования структурных элементов ЧЭ с вертикальными стенками;

·    плазмохимическое травление кремния для профилирования и разделения кристаллов;

·    формирование прецизионным травлением кремния Х-образных элементов (консолей) в структуре ЧЭ;

·    формирование методами гальванопластики технологических и конструкционных элементов структур ЧЭ;

·    формирование методами легирования примеси и "стоп"-травления кремния элементов толщиной до 10 мкм с точностью ±0,5 мкм;

·    формирование многослойных кремниево-стеклянных структур методом электростатического соединения;

·    создание методами электростатического соединения кремния со стеклом вакуумно-плотных кремниево-стеклянных узлов ЧЭ;

·    интегральная сборка ЧЭ с вакуумированными до 1×10-5 мм рт. ст. областями с обеспечением электрических гермовыводов из данных областей;

·    формирование методами прецизионного анизотропного травления кремния кристаллов с точностью размеров мембран в профиле ±15...25 мкм;

·    формирование тензорезисторов на кристалле с точностью их двустороннего совмещения с профилем не хуже ±5...10 мкм;

·    формирование методами легирования примесью монокристаллических тензорезисторов и терморезисторов с электрофизическими параметрами, обеспечивающими температурную компенсацию чувствительности в диапазоне температур ±50°С;

·    формирование кремниево-металло-стеклянных микросборочных узлов датчиков методами электростатического соединения, спекания и заливки, обеспечивающих герметизацию каналов подачи давления;

·    создание кремниевых тензорезисторов толщиной 0,003...0,005 мм на основе высоколегированных кремниевых слоев с одновременным формированием над тензорезисторами пленки двуоксид кремния, обеспечивающей их защиту от влияния окружающей среды;

·    соединение кремниевых тензорезисторов с гибкой диэлектрической основой с применением клеев, обеспечивающего их групповое формирование;

·    формирование встроенного в кремниевые тензорезисторы на основе высоколегированных слоев интегрального терморезистора из пленки поликристаллического кремния, имеющего противоположный по знаку температурный коэффициент сопротивления по сравнению с тензорезисторами и обеспечивающего температурную компенсацию и расширение функциональных возможностей в части измерения температур;

·    формирование методами размерного прецизионного травления кремния тензорезисторов в структурах КДК с размерами до 5...10 мкм;

·    формирование структуры ЧЭ (мембрана – диэлектрик – тензорезисторы), имеющей низкие механические напряжения в рабочем диапазоне температур в обеспечении минимальных изменений начального выходного сигнала;

·    формирование встроенных в кристалл ЧЭ интегральных схем для функциональной подгонки параметров при обеспечении минимизации начального выходного сигнала до +5 мВ и нормирование номинального выходного сигнала до ±5%;

·    формирование ЧЭ с двуполярной гальваноразвязкой тензосхемы от корпуса датчика вместо однополярной гальваноразвязки.

Освоенные техпроцессы позволят разрабатывать и изготовлять ЧЭ датчиков механических величин со следующими основными характеристиками:

§     для акселерометров:

·       диапазон измеряемых линейных ускорений 10...10000 м/с2;

·       основная погрешность 0,01...0,1 м/с;

§     для датчиков угловой скорости (в стадии разработки):

·       диапазон измеряемых угловых скоростей 10...10000°/с;

·       основная погрешность 0,1...10°/ч;

§     для датчиков давления:

·       максимальная рабочая температура до +200°С;

·       температурный уход чувствительности начального выходного сигнала до +0,01...0,05%/°С;

·       долговременная стабильность 0,1...0,2%;

·       возможность работы в агрессивных средах на диапазонах давлений 5,0...10,0 МПа;

·       наличие двуполярной гальваноразвязки тензосхемы;

·       максимальная частота измеряемого переменного давления до 50 кГц;

·       минимальный диаметр датчика до 3 мм;

§     для миниатюрных датчиков деформации:

·       коэффициент тензочувствительности 10...50;

·       размер измерительной базы 0,5...1,0 мм;

·       габаритные размеры 2...4 мм;

·       наличие встроенного в ЧЭ измерителя температуры.

Таким образом, имеющаяся в НИИФИ технология формирования объемных МЭМС обеспечивает создание широкой номенклатуры датчиков механических параметров.

Список литературы

1.     Пат. 1431470 РФ. Тензометрический преобразователь и способ его изготовления.

2.     Пат. 1459550 РФ. Способ изготовления кристаллов интегральных схем.

3.     Пат. 2111576 РФ. Способ формирования рисунка в пленке двуокиси кремния на рельефной поверхности кремниевой пластины.

4.     Пат. 2207658 РФ. Способ изготовления микромеханического чувствительного элемента емкостного типа.

5.     Пат. 3 2200300 РФ. Полупроводниковый преобразователь деформации и способ его изготовления.