Конструктивно-технологические решения чувствительных элементов датчиков абсолютного давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Баринов И.Н., Волков В.С., Кривулин Н.П. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Описываются некоторые аспекты анодной сварки в качестве метода создания чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков абсолютного давления, позволяющие оптимизировать весь процесс в целом, а также конструкция чувствительного элемента, позволяющая поддерживать заданную долговременную стабильность степени вакуума в вакуумной полости элемента.

Любой ЧЭ датчиков абсолютного давления конструктивно содержит кремниевый кристалл со сформированной измерительной схемой и стеклянную подложку, между которыми находится вакуумная полость опорного давления [1]. Основной проблемой, возникающей при создании такого ЧЭ, является обеспечение долговременной стабильности степени вакуума в полости не хуже 1^10-7 мм.рт.ст. Термин «анодная сварка» используется для соединения деталей элементов датчиков в электрическом поле. Такое соединение осуществляется как между стеклянной и кремниевой, так и между кремниевыми пластинами. В последнем случае необходимо напыление тонкого слоя стекла на поверхность пластины. Преимуществами анодного соединения перед методами «прямого сращивания» являются более низкие температура проведения процесса, остаточное напряжение, требования к качеству поверхностей соединяемых деталей.

На рисунке 1 схематично представлена установка для анодной сварки [2].

Рисунок 1

Напряжение во время процесса обычно составляет значение от 200 до 1000 В при температуре от 18 0 до 50 0°С. При повышении температуры стекло выступает в роли твердого электролита и ионы натрия, имеющие положительный заряд, мигрируют по направлению к отрицательному электрическому полю, истощая объемный заряд в области, прилегающей к границе раздела «кремний-стекло». Падение напряжения происходит перпендикулярно области объемного заряда, вызывая высокую напряженность электрического поля, что, в свою очередь, вызывает сильный контакт между поверхностями соединяемых деталей. Дальнейшее повышение температуры в конечном итоге приводит к образованию ковалентной связи между атомами стекла и кремния.

На рисунке 2 представлены зависимости температуры, напряжения и плотности тока от времени в течение процесса анодной сварки [3].

10 15

Время, мин.

Рисунок 2

В течение процесса температура и напряжение остаются постоянными. Сразу после подачи напряжения происходит скачок плотности тока, показывающий движение ионов натрия к катоду и возникновение области объемного заряда. Область соединения можно идентифицировать через стекло по ее серому оттенку. Процесс соединения начинается от точки, расположенной под катодом и далее продолжается по всей границе.

Проведение анодной сварки возможно в условиях атмосферного давления так же, как и в условиях вакуума.

Для реализации процесса анодной сварки необходимо удовлетворить следующим условиям:

- стекло должно обладать умеренными проводящими свойствами для обеспечения возникновения области объемного заряда;

- температура должна быть достаточной для обеспечения точки размягчения;

- металлическая оснастка не должна инжектировать носители заряда внутрь стекла;

- шероховатость поверхности пластин должна иметь среднеквадратическое значение не более 1 мкм, а сама поверхность должна быть химически чистой;

- пленка двуокиси кремния должна быть тоньше, чем 200 нм;

- температурные коэффициенты материалов, подвергающихся анодной сварке, должны быть адекватными друг другу в пределах температурного диапазона проведения процесса.

На рисунке 3 представлены зависимости коэффициентов теплового расширения (КТР) кремния и стекла типа «Ругех» в зависимости от температуры [2].

Рисунок 3

При температуре более 450°С значения КТР для кремния и стекла начинают значительно отличаться друг от друга. Поэтому процесс анодной сварки необходимо проводить при температурах менее 450°С для стекол типа «Pyrex», либо использовать стекла с КТР, близким к кремнию.

Рассмотрим некоторые количественные аспекты анодной сварки.

1. Преимущество использования точечного катода перед плоским катодом заключается в том, что электростатическое давление обусловлено конечной проводимостью стекла, и процесс соединения начинается под катодом, а затем радиально распространяется по всей пластине. Границу соединения можно визуально наблюдать через стекло, а скорость ее распространения равна [3]:

йУ _________1_______

йі рС (1 + 1п (Я / а )),

где р - проводимость стекла; С - емкость на единицу площади границы раздела «металл-стекло»; а -радиус точечного катода. Для стандартных значений р=107 Ом^см, С=8,85^10-9 Ф/см2, а=2,5^10-4 см скорость распространения У=1,2 см/с при радиусе пластин Я=1 см.

2. При использовании непроводящего стекла давление соединения равно:

\ 2

євВо + єо Вв

Р -£оЯ!

Р0 “ ^ гл2

2Д

электростатическое давление при наличии проводящего стекла; В0 и Ве

толщины воз-

душного зазора и стекла соответственно; и £0 - соответствующие диэлектрические константы. Из формулы видно, что давление уменьшается при увеличении толщины непроводящего стекла.

3. При использовании проводящего стекла давление равно:

Р = -

°в

60ВР

где ВР - толщина поляризованной области.

Для соответствующих значений параметров Р~Р0, то есть электростатическое давление, которое могло бы быть получено, если бы стекло было металлом.

4. Наличие поверхностной неровности значительно уменьшает эффективность электростатического давления. Это зависит от размеров поверхностного несовершенства. В случае наличия царапин электростатическое давление приблизительно равно:

?- г. I

2к

где 2Л - полная амплитуда поверхностной неровности, в соответствии с рисунком 4 [2]

Рисунок 4 - Геометрия поверхности пластин В случае синусоидального профиля поверхности:

р - 2Ф

5. С целью получения силы, достаточной для деформации материалов сварки и их тесного контакта, электростатическое давление должно превышать силы упругости данных материалов. Проводя аналогию с методами прямого сращивания, заменяя поверхностную энергию электростатической, получаем ее значение [3] :

А

которое ведет к возникновению необходимой деформации, если реальное искривление поверхности меньше, чем расчетное К3, определяемое формулой (см. также рисунок 4) [4]:

Я,

ЕБІ 12е0Я ’

где В - толщина пластины.

Данная формула действительна для синусоидального профиля поверхности.

Далее рассмотрим конструкцию ЧЭ, позволяющую поддерживать заданную долговременную стабильность степени вакуума в его полости.

Недостатком существующих ЧЭ датчиков абсолютного давления является невозможность достижения степени вакуума в вакуумированной полости выше, чем 1^10-2 мм.рт.ст., вследствие сопровождающего процесс анодной сварки поджатия полированных поверхностей стекла и кремния в местах соприкосновения подложки и пластины, способствующего образованию вакуум-плотного барьера, не позволяющего обеспечить требуемую степень вакуума и ограничивающего возможности повышения чувствительности и расширения температурного диапазона преобразователя.

В процессе откачки газовой среды из рабочей камеры, экспериментальным путем установлено, что после достижения в вакуумированной полости преобразователя давления 1^10-2 мм.рт.ст., уменьшение значения давления в рабочей камере до 1^10-8 мм.рт.ст. и увеличение времени выдержки преобразователя в ней, по крайней мере, до 4 часов, не приводит к изменению давления внутри вакуумированной полости (рисунок 5).

1 - давление в рабочей камере как функция времени, 2 - давление в вакуумированной полости как функция времени

Рисунок 5

Образование вакуум-плотного барьера объясняется уменьшением зазора между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной до значения, когда размер молекул газовой среды в вакуумированной полости преобразователя становится больше, чем зазор. В этом случае давление в полости преобразователя определяется оставшимися молекулами газовой среды. Как уже сказано выше, при откачке воздуха это значение составляет 1^10-2 мм.рт.ст.

В процессе последующей анодной сварки, проводящейся при нагреве и механическом поджатии деталей, подключении к ним электрического потенциала 300...1000 В (положительный потенциал подается на кремниевую пластину) , между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой образуются связь типа ковалентной с энергией от 500 до 5000 кДж/моль, сохраняющая давление в вакуумированной полости преобразователя не ниже 1^10-2 мм.рт.ст., что является неприемлемым для создания преобразователей давления на диапазоны измерения менее 1^10-2 мм.рт.ст., а также создания преобразователей с температурным диапазоном от минус 100 до 600°С (при повышении температуры наличие остаточных молекул газовой среды, из-за ее температурного расширения в вакуумированной полости, вызовет прогиб мембраны со стороны, обратной измеряемому давлению, а значит и воздействие на мостовую схему, что приведет к появлению дополнительной погрешности).

С целью исключения данного недостатка разработана конструкция ЧЭ датчиков абсолютного давления, представленная на рисунке 6.

5 3

1 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная пластина; 3 - тензорезистивная схема; 4 - локальные выступы; 5 - вакуумная полость; 5 - площадь соединения; 7 - зазор; 8 - зона соединения Рисунок 6

Особенностью ЧЭ является наличие локальных выступов 4 в пределах площади соединения кремниевой и стеклянной пластин. Данное решение позволяет путем исключения вакуум-плотного барьера достичь в вакуумированной полости степени вакуума до 1^10-8 мм.рт.ст., то есть равной ее значению в рабочей камере. В процессе анодной сварки благодаря прикладываемому электрическому потенциалу, образуется адгезионная сила Р которая пропорциональна поверхностной плотности зарядов двойного слоя и оценивается как сила притяжения обкладок заряженного плоского микроконденсатора [5]:

- 2жагБ,

где S - площадь контактирующих поверхностей, а - удельный (на единицу площади) заряд обкладок двойного слоя образующегося на этой площади. То есть для создания силы на единицу площади (квадратный метр) порядка 105...10б Па (достаточного для физического контакта), необходим потенциал вполне конкретного порогового значения. Например, экспериментально установлено, что для закрытия щели, образованной локальными выступами объемом 1 мкм3 (то есть имеющими размеры 1х1х1 мкм) между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной площадью, в 10 раз превышающей общую площадь выступов, потенциал будет составлять значение 500 В, а время его воздействия на структуру - 4 мин. При этом между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой образуется связь типа ковалентной с энергией от 500 до 5000 кДж/моль, а зона соединения между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой практически равна по своим линейным размерам площади соединения (см. рисунок 6).

Таким образом, наличие локальных выступов, сформированных на поверхности кремниевой пластины или стеклянной подложки в пределах площади их соединения, позволяет после проведения процесса анодной

сварки достигать степени вакуума в вакуумируемой полости, равной степени вакуума в рабочей камере,

вплоть до 1^10-8 мм.рт.ст. за счет создания зазора большего, чем размер молекул газовой среды внутри вакуумированной полости между соединяемыми деталями, и исключения вакуум-плотного барьера. Такое техническое решение позволяет создавать преобразователи давления на диапазоны измерения до 1^10-8 мм.рт.ст., а также преобразователи с температурным диапазоном от минус 100 до 600°С.

ЛИТЕРАТУРА

1. И.Н. Баринов, С.А. Козин, И.Г. Акимов, А.В. Федулов. Конструктивно-технологические решения создания

полупроводниковых унифицированных модулей давления на структурах «кремний-на-диэлектрике» // Датчики и детекторы для АЭС «ДДАЭС-2004»: Сб. докл. II Всерос. науч.-техн. конф. (Россия, г. Пенза, 31 мая - 5 июня

2004 г.). - Пенза: ФГУП «НИИФИ». - 2004. - 298 с. - С. 70-74.

2. A. Hanneborg, Proc. IEEE Workshop on MEMS, Nara, Japan, Jan. 30-Feb. 2, 1991, p. 92

3. Silicon micromachining / M. Elwenspoek, H. Jansen. - 2004.

4. Product information brochure of HOYA Europe B.V. (London).

5. Адгезия твердых тел. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. М., «Наука», 1973, С. 280.